无人机航测技术在山区河道治理中的应用

郑光辉 张军

（江西省赣西土木工程勘测设计院 江西 宜春 336000）

1 引言

无人机航测技术作为快速获取空间数据的新兴技术手段，具有适应性广、成本低、机动灵活、精度高、便携高效的特点，很好地弥补了地面测量与卫星遥感测量的不足，尤其在应急救灾方面，无人机航测技术能快速获取人员无法到达区域的测绘资料，为救援、灾情评估提供数据，有力地帮助了抗震救灾工作。随着无人机航测技术的快速发展，已广泛应用在市政、水利、建筑、输电线等工程领域的测量测绘中[1−4]，既提高了工程实施效率又能节省人力成本。近年来，自然环境变化程度加剧，自然灾害频发。随着国家加大对生态环境的修复力度，许多地区都大力开展边坡护理、河道治理等工作，无人机航测技术在河道治理工程中的应用研究更加深入[5−8]，尤其在山区河道治理工程中[9−10]，无人机技术具有得天独厚的优势。由于山区地势一般起伏较大，地形复杂，植被茂盛，测量范围广，相关地形数据或缺失或现势性不够，对开展传统的基础测绘工作的限制因素较多，很难快速测量得到相关地形数据。

无人机航测的优势在于利用无人机航拍可快速获取该区域的全景图像，通过专用软件对航拍图像的后期处理，可以得到目标区域的三维模型、正射影像数据和数字高程模型等，为河道治理方案设计提供基础数据，加快治理工程进度。本文以江西宜春某乡镇山区河道治理为切入点，先分析山区河道治理的相关问题，结合无人机航测技术的特点，通过工程实例介绍了无人机航测技术在山区河道治理中的应用流程和取得的高质量成果，为日益增多的山区河道治理规划技术测绘工作提供参考。

2 山区河道治理

2.1 重要性

山区地形、地质结构较为复杂，气候环境变化较大，河道狭窄绵延较长且多处年久失修，遇强降雨河道水位涨幅快、水流急、冲击力强，易诱发水土流失、滑坡、泥石流、内涝等灾害。村庄、田地都聚集在河道边,方便蓄水灌溉，如果山区河道被破坏或污染，不仅影响当地生态环境、居民用水，还易引发自然灾情，所以开展河道治理工作已迫在眉睫。

2.2 规划前期测量工作面临的问题

我国大部分山区河道流域面积都较小，流程短，水流汇聚时间短，河道的水位升降速度快。在旱季许多河流断流甚至干涸，雨季时水流量大，在地势因素下流速快，易夹带砂石、树木等造成堵塞，更严重者引发山洪等灾害。所以，在进行山区河道整治时，必须采取因地制宜的方式，从整个山区聚落的分布以及河道上下游的走势来全面规划。针对规划前期测量工作面临的问题有：

（1）测量范围广，限制因素多；

（2）精度要求高，技术难度大；

（3）人工效率低，维护成本高。

2.3 治理原则与建议

针对不同的山区环境需采用因地制宜的方法去开展河道治理工作，治理前期、中期与后期要全面掌握各项原则，以降低成本、提高效率。主要需掌握与遵循的原则有：

（1）明确责任单位，充分掌握地区河流特性，多部门协同，确保河道整治工作的有序开展；

（2）遵循新农村建设方针，结合当地城乡协同发展建设、生态环境修复以及农耕农业等方面全局擘画，达到河道治理与规划相统一；

（3）严格落实“河长制”，根据规划的长期目标与近期要求加紧对河道的清淤、清障、加宽、堤防等工作，后期定时巡视，保证治理效果；

（4）制定治理区域工作底图，采用高精度、宽范围、高效率的测绘方法达到整体统筹的效果。

3 无人机航测技术的应用

3.1 技术优势

根据山区河道治理工程分析中，规划前期测量存在的诸多问题，将无人机航测技术应用在山区河道治理工程中具有重要的现实意义。传统的山区测绘需要考虑地形因素的影响，而无人机施测完全不需要考虑地形影响，随着免像控技术的发展，甚至只需小块地方供起降即可，打破地形限制。小体积的无人机使其飞行更加灵活，在小范围或人员无法到达的区域能快速展开精细测量，系统携带的高清相机可快速获取地表信息，通过变换飞行高度，保证飞行安全和测量的精度。内业配套软件具有超强的三维、二维建模能力，能快速生成所需的数字化产品。相比于传统的大飞机航空摄影测量，小型无人机能很好地克服飞行高度、地形和气候因素的影响，成图质量好，测量精度高。相对于高分辨率遥感卫星测量方式，其成本低、时效性好。随着无人机技术的发展，无人机航测技术作为新兴的测量手段在各个领域中的应用越来越广泛。

3.2 工作流程

无人机航测技术主要分为外业数据采集和内业数据处理，外业开始前收集好目标区域的相关资料，明确任务要求，参照相关技术标准制定实施方案，在实际操作中要确定好区域范围，做好飞行准备，根据测区大小布设好航线，根据精度要求设定飞行高度进行影像拍摄，内业采用专业的数据处理软件，新建工程后导入影像数据和控制点，数字空三后生产地形图产品。一般流程如下图1所示：

图1 无人机工作流程图

4 河道治理实例

江西省宜春市某乡村位于杨岐山下，属赣湘罗霄山体系的支脉，境内风景名胜众多，水系发达，村落与农田傍水而建，属于典型的山溪性河流，河道坡降大，汛期与非汛期的水量大小差异巨大，部分河道年久失修，堵塞甚至干涸，给蓄水灌溉造成很大影响，需对河道开展整治工作，工程修建只能安排在汛期前，施工工期紧，农村流域河道沿岸多为险要山势，通行不便，为了更加便捷、安全、高效地为河道治理规划制作统筹规划底图，运用无人机航测技术。

4.1 无人机平台与航线规划

本次项目使用的无人机平台为大疆创新生产的精灵4无人机（Phantom 4 Pro），这款无人机的关键指标参数有：飞行的最大速度约为16m/s，续航时间约为28min，飞行高度限制为6km，遥控控制距离为7km，搭载高清云台相机，像素为1200 万，像片分辨率为4000×3000。配备有前视、后视避障，左右红外避障系统。根据无人机的性能参数，规划好航线与航摄重叠度，能快速对目标区域进行航摄采集。图2为本次作业的无人机平台。

图2 大疆Phantom 4无人机图

在实地测量过程中，要先对目标区域进行实地勘察，确认好飞行环境，根据测区范围与成图比例尺要求，设定好飞行高度、速度以及航摄重叠度，布设好航线，根据测区形状合理布设像控点，然后进行外业采集，飞行高度由式（1）确定：

其中f为镜头焦距；α为像元尺寸；GSD为地面分辨率。其中航向重叠的设置为75%，控制范围为60%−80%，旁向重叠设计值为65%，控制的范围为60%−70%。本测区的航线规划如图3所示。

图3 航线规划示意图

4.2 像控点布设测量

无人机航测中像控点的布设以对目标测区航线规划为前提，一般在航线或航带连接区域进行布点，在工程实践中先以谷歌地图作为规划设计底图，进行前期预布设，再根据实地查看该位置的地形地物特征，充分考虑实际情况，对存在的明显焦点或交叉点地形或标志图形，选取其角点或交叉点，若预设位置难以选取控制点的，可实地修改或人工造点，选择喷漆、胶带等能够持久存在的东西，在现场拍摄近景与远景图片，方便找寻。

像控点的控制测量采用GPS−RTK的CORS定位模式，根据GPS 测量的规范，平面采用CGCS2000 国家坐标系，高程基准采用1985 国家高程基准，通过与测区周围的等级水准点进行联测，完成测量参数转换。外业观测时基准站与流动站始终保持同步锁定6 颗以上卫星，数据平滑多次再采样，取多次测量的平均值为最终结果。

4.3 内业数据处理与成果

无人机航摄影像需要通过软件处理才能转换成所需的数据，本文选择Pix4D mapper 软件处理无人机航拍图像进行三维建模，其基本思路是利用无人机采集的地物、地表影像，导入到软件中快速构建地形的三维模型。此次无人机共航摄了726 张高清照片，在新建项目中导入无人机航拍的像片数据、已有的像控点成果文件、相机参数文件、POS 文件等，设置好坐标系统，在空三射线编辑器中刺出控制点，进行数字空三加密技术生产正射影像。空三加密技术在无人机航测内业处理中处于关键性的地位，空三质量的好坏对后续环节地形图产品的精度有重要的影响。图4 与图5 分别表示空三处理过程与生成的正射影像。

图4 空三加密处理图

图5 测区的正射影像

利用无人机制作的全景三维影像图具有分辨率高、场景大、视角范围广、虚拟真实，能更好地展现立体效果。根据Pix4D 生成的三维点云和纹理，通过三维网格纹理可生成实景三维模型，利用Acute3D Viewer 等通用三维软件即可切换视角进行查看。测区的实景三维模型如图6所示：

图6 测区的实景三维模型

4.3 河道治理规划

通过无人机航测技术在山区河道治理工程中的应用，得到测区的相关地形图产品，生成的正射影像图作为此区域河道治理的工作底图。底图中可详细地查看该区域的河道分布与现状，通过空间分析和人工目视解译，实现对治理方案的科学性设计。由图7 可知本测区该乡村村落内共有三条河道交汇，村庄、农田都集中在河道两边，由于河道年久失修，河道中有明显的泥沙、石块、枯木堆积，河岸冲刷严重，亟需治理。

图7 测区河道分布图

通过对底图的解译掌握河道治理规划设计的原则：

（1）山地农田以梯田为主，应根据河道的位置与地势情况在合适的位置开凿或连接河道；

（2）确认好河道的源流，在合适的位置处理好砂石的侵入，再根据河道的流向清理好泥沙、淤泥、枯木等杂质；

（3）厘清宅基地与农田等土地产权，根据实际情况加宽、加固河道，避免汛期雨水冲刷造成水土流失；

（4）根据基层网格管理制度，确认责任人，做好对河道整治后的护理工作。

5 结束语

本文以宜春市某乡村山区地形下的河道治理规划为例，阐述了河道治理的问题和治理建议，介绍了无人机航测技术在该工程中的实际应用。以小范围的目标区域为试点，表明了无人机航测技术可以在治理规划前期的基础测绘工作中发挥良好的作用，高效获取高精度的数字地形图产品与三维实景模型。其优势在于能有效解决河道治理工作中的测量范围广、限制因素多、精度要求高、技术难度大等突出问题，很好地弥补了传统测绘方式的不足，提高了河道治理工作的效率。此外，无人机航测技术的应用可推广到国土资源调查统计、河湖与水利工程确权、水环境治理规划设计、河道管理情况监测维护等诸多领域。本文所述无人机航测技术在山区地形的河道治理中的作业方法与治理建议在其他项目中仍然适用，可为相关从业者提供参考。