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探讨在河湖岸线监管当中无人机遥感技术的运用

2020-05-17 326 上传者：管理员

摘要：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来越重要的作用。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。

关键词：
无人机遥感技术
河湖岸线资源
管理情况监测
资源利用
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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FOV94°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]林顺海,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.

[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.

金晶,庞亚威,温旋,王盟.无人机遥感技术在河湖岸线监管中的应用研究[J].科技创新与应用,2020(14):175-176.