无人机遥感技术在河湖岸线监管中的应用研究

金晶　庞亚威　温旋　王盟

摘  要：针对目前河湖岸线监管手段技术程度不高、监管时效性低及覆盖范围不全等问题，文章提出引入无人机遥感技术，通过无人机三维倾斜摄影、遥感航摄等手段实时高效采集河湖岸线监测数据，及时发现、判别，及统计上报涉河涉湖问题，全面、直观地为河长巡河发现问题、解决问题提供决策依据，为河湖综合治理提供技术支撑。

关键词：无人机遥感技术;河湖岸线监测;三维倾斜摄影

中图分类号：V249.1        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）14-0175-02

Abstract： Aiming at the problems such as the low technical level of the river and lake shoreline monitoring means， the low timeliness of monitoring and the incomplete coverage， this paper proposes to introduce the remote sensing technology of unmanned aerial vehicle （UAV）. Through real-time and high-efficient data collection of river and lake shoreline monitoring by means of unmanned aerial vehicle 3D tilt photography and remote sensing aerial photography， we should timely discover， discriminate and calculatethe reported problems involving rivers and lakes， so as to provide decision-making basis for finding and solving problems in river patrol and provide technical support for river and lake comprehensive harness.

Keywords： remote sensing technology for unmanned aerial vehicles; river and lake shoreline monitoring; 3D tilt photography

引言

河湖岸线监管是一项复杂的系统工程，目前，河湖岸线资源的利用还存在诸多无序开发和监管不到位的问题。传统的巡查监管主要依靠人工，手段单一，对一些违规违法行为不能及时发现和处理，执法周期长，执行难度大。随着无人机技术在各个领域的应用推广，及遥感技术的快速发展，无人机遥感技术在国民经济各个领域发挥了越來越重要的作用。将其引入河湖岸线的日常监测管理，不仅可以大大提高河湖岸线监管效率，还可从人力和时间投入等方面降低河湖岸线监测管理的成本，提高水域岸线等水生态空间的管控能力。

1 低空遥感技术概念及优势

无人机遥感技术是集先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术为一体的新型应用技术[1]。通过将无人机搭载数码相机、多光谱成像仪、三维激光扫描仪等设备，可执行多目标任务。具有实时化、高分辨率、灵活机动、高性价比等优势。无人机遥感技术在生态环境保护、水利、自然灾害监测与评估、测绘等领域发挥了重要的作用[2]。利用无人机遥感手段开展河湖岸线监测，主要是通过三维倾斜摄影、正射航拍、航空视频、红外探测等方式获取河湖岸线现状的数据，并实施有效解译，形成河湖岸线监测管理成果。

2 无人机遥感监测河湖岸线的内容及方式

2.1 河湖水域岸线资源利用管理情况监测

依法划定河湖管理范围，落实规划岸线分区管理要求[3]。明确不同管理范围内涉河项目的合法合规性，对以各种名义侵占河道、围垦湖泊、超标排污、非法采砂，乱占滥用岸线、破坏航道、电毒炸鱼等违规违法行为进行梳理、分类，并根据管理范围明确对应的监测清单。采用无人机倾斜摄影，建立河道实景三维模型，通过模型构建和细节监测观察，对照清单排查河湖岸线管理中的各种问题，并通过无人机实时跟踪问题整改进展。

2.2 污染物排放情况监测

利用无人机航拍影像、红外探测等方式，通过数据解译，及时发现污染物排放问题，包括城镇生活垃圾、雨污不分流，畜禽养殖粪便排放、农业面污染源、船舶污染、危化品运输、泄漏等造成的污染物排放。重点对排污口及其所在水域进行监测。通过监测视频观测及探测数据分析，整理并形成监测数据，通过成果记录及管理、将发现的问题处置并报送河长办。通过无人机定期巡查和突击检查，达到污水不出门的监管目的。

2.3 整治行动、问题处理的落实及效果监测

针对已经发现的问题，通过无人机航拍监测处理进度和整治效果。如黑臭水体的治理、河道疏浚计划的实施、非法建设码头等项目的拆除、生态长廊的保洁维护、绿化美化计划的实施、地籍标志及警示标志等维护管理情况等。

3 无人机遥感河湖岸线监测平台设计

根据河湖岸线监测范围和精度要求确定监测数据采集的方式及平台，根据不同飞行器的特点，搭载各类相机、传感器等数据采集设备，获取监测基础资料。本研究以固定翼搭载普通视频相机，对河湖岸线进行全覆盖的视频监测，及以多旋翼搭载倾斜摄影相机，进行三维实景模型对比监测，进行监测平台的设计。

3.1 无人机航拍影像监测平台构建及应用

固定翼无人机是指由动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。固定翼无人机的速度快，升限高、续航航程远时间长，携行稍困难，适合航空视屏拍摄及较大面积测绘。对某一区域的河湖岸线开展日常监测之前，需对监测河道进行一次全线的基础测绘，即使用其搭载高精度数码相机，对监测河道进行低空大比例尺图像航拍，经软件处理形成河道测量矢量图及正射影像图，作为河道/工程监测的基底图，供监测过程使用。此外，将固定翼无人机搭载高精度数码摄像机，对被监测范围进行视频拍摄。作为各级河长最直观的巡河方式，代替监测及巡河人员亲临现场，通过全覆盖的视频播放观看河湖岸线真实外观，发现违法、违章占用岸线资源的行为，及水体污染、垃圾排放、堆放等情况。以DF100+为例，应用无人机航拍APP平台进行航测任务规划及飞行控制。飞行航高可设为120米，在无特殊天气情况下，根据风力进行自动调节后，保持匀速飞行，正常情况下，可设定8m/s的速度进行监测视频拍摄;拍摄参数方面，镜头为FOV 94°20mm（35mm格式等效），视频ISO（感光度）范围为100-3200;将每块电池作为一个飞行架次，每次可飞行4公里。考虑到电池待机和图传质量，每个架次飞行时间控制在17分钟左右为宜。

3.2 三维倾斜摄影模型对比监测平台构建及应用

监测平台主要组成包括多旋翼无人机、APP、图传设备、电脑终端及影像传感器等，其中无人机设备由飞行器、云台、相机、遥控器、充电器、图传、智能飞行电池等构成。多旋翼无人机是指多于3个轴以上的旋翼机，通过桨之间相对转速来调节拉力和扭矩，控制飞行器悬停、旋转或航线飞行。多旋翼无人机承重大、飞行稳定，速度可快可慢、好悬停，操纵简单、成本较低，续航时间短。倾斜摄影时更方便采集各角度图像，适合小范围测绘。较之于固定翼飞机，多旋翼无人机可适当降低飞行高度，提高成像的清晰度，将其搭载五镜头倾斜摄影相机，可进行360度的航空拍摄和倾斜摄影测量，通过系统自带软件，根据监测需要建立三维倾斜实景模型。首次监测时，对监测河道/工程进行一次全线的模型构建，形成基底模型。后期监测时，只需针对河道重要部位、水工建筑物、及发现问题的区域等进行局部拍摄和建模。通过模型细节的观测，发现河湖岸线管理中新增的问题，并对已发现的问题进行跟踪监测和进展情况对比分析。

飞行监测按航线设计、航摄飞行、质量检查、补飞与重飞、像控测量、影像处理等步骤开展[4]。以大疆M600Pro为例，根据河湖岸线监测管理工作需要，设定监测飞行及拍摄等技术指标。（1）飞行一般可设定航高150米，速度8m/s，在无特殊天气情况下，根据风力自动调节并保持匀速飞行;（2）拍摄分辨率为2400万像素。相片像幅为4000cm*6000cm;（3）地面影像分辨率优于3cm，构筑物基顶部高差精度和其他特征平面精度不低于5cm;（4）数据采集效率指标方面，受电池续航能力限制，设备1个架次作业时长0.5小时。飞行控制器安全控制范围，即作业半径为1km，单次飞行作业面0.2km2;（5）对河道的监测一般是沿河道中心线向两侧各延伸150m的带状测区，单项监测带宽300m。排除特殊天气，综合考虑作业对光线的要求，及飞机往返、起降准备及电池更换等时间消耗，每个工日单架飞机可安排8-10个架次作业。

3.3 低空遥感监测的质量控制

3.3.1 低空遥感采集控制

根据监测任务具体要求，分析并圈定调查区域，在了解任务区域基本地理信息、天气及航空管制情况后，制定飞行方案， 确定起降点、航线、飞行高度和飞行架次等。根据飞行方案、区域地形、地质条件、航程、载荷和经费等要求，对无人机系统的参数进行酌情调整和确定。由于无人机机体小、重量轻， 在空中易受到气流干扰，需根据影像精度要求、航速、飞行高度和相机参数等确定合理的相机拍摄时间间隔， 从而获取满足数据处理要求的重叠影像。为保证河湖岸线监测影像的质量， 要求其影像航向重叠度控制在70%～85%、旁向重叠度控制在35%～60%。对于水工建筑物上方及周边存在高压线等影响因素，为避免高压线磁场对无人机无线电的影响，飞行高度应相应作出调整。

3.3.2 补测、修测

针对航拍无法直接发现的区域，如河湖排污口、污水车等，或视频巡河发现的需具体调查的问题，可安排外业人员利用测绘仪器，手持终端设备，GPS设备等进行针对性的实地勘察、核查、补充或修正测量。此外，使用多旋翼无人机搭载普通相机进行锁定位置的近距离拍照取证，及跟踪监测，也可通过肉眼观测到现场调查无法到达的位置。将定期遥感监测、人工取样监测和站网自动监测相结合，加强河湖主要交汇处、重要水功能区和入河湖排污口等重点区域的岸线资源监测。

4 结束语

本研究将无人机低空遥感技术引入河湖岸线的日常监测管理，充分应用无人机遥感技术、计算机数据处理、无线和网络通信技术等科技手段，实现对河湖岸线工程高精度实时监测，可以达到及时、准确、全面获取河湖岸线监管信息的目的，改善传统监管模式信息获取不及时、监测覆盖面窄和工作效率低的问题。该技术在河湖岸线日常管理中的应用和推广，将大大提高河湖岸线监管工作的覆盖面和实效性，监测过程中产生的视频和三维模型数据，经获取、管理和存储，也将为监管信息提供良好的可追溯性，为辅助各级河长履职尽责，推动河长制工作从“全面建立”走向“长效管理”提供良好的技术支撑。

参考文献：

[1]饶帅雄.利用UASMaster对无人机航空影像数据进行正射影像制作方法的研究[J].测绘通报，2015（50）：216-218.

[2]林順海，陈峰，赵国庆，等.基于“河长制”下无人机遥感技术的应用探讨[J].浙江水利科技，2017（4）：21-23.

[3]中共中央办公厅，国务院办公厅.关于全面推行河长制的意见[EB/OL].2016-12-11.新华社.http：//www.mwr.gov.cn/ztpd/gzzt/hzz/zyjs/201708/t20170811_973312.html.

[4]杨爱玲，孙汝岳，徐开明.基于固定翼无人机航摄影像获取及应用探讨[J].测绘与空间地理信息，2010，33（5）：160-162.