無人機航測技術在山區河道治理中的應用

鄭光輝 張軍

（江西省贛西土木工程勘測設計院 江西 宜春 336000）

1 引言

無人機航測技術作為快速獲取空間數據的新興技術手段，具有適應性廣、成本低、機動靈活、精度高、便攜高效的特點，很好地彌補了地面測量與衛星遙感測量的不足，尤其在應急救災方面，無人機航測技術能快速獲取人員無法到達區域的測繪資料，為救援、災情評估提供數據，有力地幫助了抗震救災工作。隨著無人機航測技術的快速發展，已廣泛應用在市政、水利、建筑、輸電線等工程領域的測量測繪中[1?4]，既提高了工程實施效率又能節省人力成本。近年來，自然環境變化程度加劇，自然災害頻發。隨著國家加大對生態環境的修復力度，許多地區都大力開展邊坡護理、河道治理等工作，無人機航測技術在河道治理工程中的應用研究更加深入[5?8]，尤其在山區河道治理工程中[9?10]，無人機技術具有得天獨厚的優勢。由于山區地勢一般起伏較大，地形復雜，植被茂盛，測量范圍廣，相關地形數據或缺失或現勢性不夠，對開展傳統的基礎測繪工作的限制因素較多，很難快速測量得到相關地形數據。

無人機航測的優勢在于利用無人機航拍可快速獲取該區域的全景圖像，通過專用軟件對航拍圖像的后期處理，可以得到目標區域的三維模型、正射影像數據和數字高程模型等，為河道治理方案設計提供基礎數據，加快治理工程進度。本文以江西宜春某鄉鎮山區河道治理為切入點，先分析山區河道治理的相關問題，結合無人機航測技術的特點，通過工程實例介紹了無人機航測技術在山區河道治理中的應用流程和取得的高質量成果，為日益增多的山區河道治理規劃技術測繪工作提供參考。

2 山區河道治理

2.1 重要性

山區地形、地質結構較為復雜，氣候環境變化較大，河道狹窄綿延較長且多處年久失修，遇強降雨河道水位漲幅快、水流急、沖擊力強，易誘發水土流失、滑坡、泥石流、內澇等災害。村莊、田地都聚集在河道邊,方便蓄水灌溉，如果山區河道被破壞或污染，不僅影響當地生態環境、居民用水，還易引發自然災情，所以開展河道治理工作已迫在眉睫。

2.2 規劃前期測量工作面臨的問題

我國大部分山區河道流域面積都較小，流程短，水流匯聚時間短，河道的水位升降速度快。在旱季許多河流斷流甚至干涸，雨季時水流量大，在地勢因素下流速快，易夾帶砂石、樹木等造成堵塞，更嚴重者引發山洪等災害。所以，在進行山區河道整治時，必須采取因地制宜的方式，從整個山區聚落的分布以及河道上下游的走勢來全面規劃。針對規劃前期測量工作面臨的問題有：

（1）測量范圍廣，限制因素多；

（2）精度要求高，技術難度大；

（3）人工效率低，維護成本高。

2.3 治理原則與建議

針對不同的山區環境需采用因地制宜的方法去開展河道治理工作，治理前期、中期與后期要全面掌握各項原則，以降低成本、提高效率。主要需掌握與遵循的原則有：

（1）明確責任單位，充分掌握地區河流特性，多部門協同，確保河道整治工作的有序開展；

（2）遵循新農村建設方針，結合當地城鄉協同發展建設、生態環境修復以及農耕農業等方面全局擘畫，達到河道治理與規劃相統一；

（3）嚴格落實“河長制”，根據規劃的長期目標與近期要求加緊對河道的清淤、清障、加寬、堤防等工作，后期定時巡視，保證治理效果；

（4）制定治理區域工作底圖，采用高精度、寬范圍、高效率的測繪方法達到整體統籌的效果。

3 無人機航測技術的應用

3.1 技術優勢

根據山區河道治理工程分析中，規劃前期測量存在的諸多問題，將無人機航測技術應用在山區河道治理工程中具有重要的現實意義。傳統的山區測繪需要考慮地形因素的影響，而無人機施測完全不需要考慮地形影響，隨著免像控技術的發展，甚至只需小塊地方供起降即可，打破地形限制。小體積的無人機使其飛行更加靈活，在小范圍或人員無法到達的區域能快速展開精細測量，系統攜帶的高清相機可快速獲取地表信息，通過變換飛行高度，保證飛行安全和測量的精度。內業配套軟件具有超強的三維、二維建模能力，能快速生成所需的數字化產品。相比于傳統的大飛機航空攝影測量，小型無人機能很好地克服飛行高度、地形和氣候因素的影響，成圖質量好，測量精度高。相對于高分辨率遙感衛星測量方式，其成本低、時效性好。隨著無人機技術的發展，無人機航測技術作為新興的測量手段在各個領域中的應用越來越廣泛。

3.2 工作流程

無人機航測技術主要分為外業數據采集和內業數據處理，外業開始前收集好目標區域的相關資料，明確任務要求，參照相關技術標準制定實施方案，在實際操作中要確定好區域范圍，做好飛行準備，根據測區大小布設好航線，根據精度要求設定飛行高度進行影像拍攝，內業采用專業的數據處理軟件，新建工程后導入影像數據和控制點，數字空三后生產地形圖產品。一般流程如下圖1所示：

圖1 無人機工作流程圖

4 河道治理實例

江西省宜春市某鄉村位于楊岐山下，屬贛湘羅霄山體系的支脈，境內風景名勝眾多，水系發達，村落與農田傍水而建，屬于典型的山溪性河流，河道坡降大，汛期與非汛期的水量大小差異巨大，部分河道年久失修，堵塞甚至干涸，給蓄水灌溉造成很大影響，需對河道開展整治工作，工程修建只能安排在汛期前，施工工期緊，農村流域河道沿岸多為險要山勢，通行不便，為了更加便捷、安全、高效地為河道治理規劃制作統籌規劃底圖，運用無人機航測技術。

4.1 無人機平臺與航線規劃

本次項目使用的無人機平臺為大疆創新生產的精靈4無人機（Phantom 4 Pro），這款無人機的關鍵指標參數有：飛行的最大速度約為16m/s，續航時間約為28min，飛行高度限制為6km，遙控控制距離為7km，搭載高清云臺相機，像素為1200 萬，像片分辨率為4000×3000。配備有前視、后視避障，左右紅外避障系統。根據無人機的性能參數，規劃好航線與航攝重疊度，能快速對目標區域進行航攝采集。圖2為本次作業的無人機平臺。

圖2 大疆Phantom 4無人機圖

在實地測量過程中，要先對目標區域進行實地勘察，確認好飛行環境，根據測區范圍與成圖比例尺要求，設定好飛行高度、速度以及航攝重疊度，布設好航線，根據測區形狀合理布設像控點，然后進行外業采集，飛行高度由式（1）確定：

其中f為鏡頭焦距；α為像元尺寸；GSD為地面分辨率。其中航向重疊的設置為75%，控制范圍為60%?80%，旁向重疊設計值為65%，控制的范圍為60%?70%。本測區的航線規劃如圖3所示。

圖3 航線規劃示意圖

4.2 像控點布設測量

無人機航測中像控點的布設以對目標測區航線規劃為前提，一般在航線或航帶連接區域進行布點，在工程實踐中先以谷歌地圖作為規劃設計底圖，進行前期預布設，再根據實地查看該位置的地形地物特征，充分考慮實際情況，對存在的明顯焦點或交叉點地形或標志圖形，選取其角點或交叉點，若預設位置難以選取控制點的，可實地修改或人工造點，選擇噴漆、膠帶等能夠持久存在的東西，在現場拍攝近景與遠景圖片，方便找尋。

像控點的控制測量采用GPS?RTK的CORS定位模式，根據GPS 測量的規范，平面采用CGCS2000 國家坐標系，高程基準采用1985 國家高程基準，通過與測區周圍的等級水準點進行聯測，完成測量參數轉換。外業觀測時基準站與流動站始終保持同步鎖定6 顆以上衛星，數據平滑多次再采樣，取多次測量的平均值為最終結果。

4.3 內業數據處理與成果

無人機航攝影像需要通過軟件處理才能轉換成所需的數據，本文選擇Pix4D mapper 軟件處理無人機航拍圖像進行三維建模，其基本思路是利用無人機采集的地物、地表影像，導入到軟件中快速構建地形的三維模型。此次無人機共航攝了726 張高清照片，在新建項目中導入無人機航拍的像片數據、已有的像控點成果文件、相機參數文件、POS 文件等，設置好坐標系統，在空三射線編輯器中刺出控制點，進行數字空三加密技術生產正射影像?？杖用芗夹g在無人機航測內業處理中處于關鍵性的地位，空三質量的好壞對后續環節地形圖產品的精度有重要的影響。圖4 與圖5 分別表示空三處理過程與生成的正射影像。

圖4 空三加密處理圖

圖5 測區的正射影像

利用無人機制作的全景三維影像圖具有分辨率高、場景大、視角范圍廣、虛擬真實，能更好地展現立體效果。根據Pix4D 生成的三維點云和紋理，通過三維網格紋理可生成實景三維模型，利用Acute3D Viewer 等通用三維軟件即可切換視角進行查看。測區的實景三維模型如圖6所示：

圖6 測區的實景三維模型

4.3 河道治理規劃

通過無人機航測技術在山區河道治理工程中的應用，得到測區的相關地形圖產品，生成的正射影像圖作為此區域河道治理的工作底圖。底圖中可詳細地查看該區域的河道分布與現狀，通過空間分析和人工目視解譯，實現對治理方案的科學性設計。由圖7 可知本測區該鄉村村落內共有三條河道交匯，村莊、農田都集中在河道兩邊，由于河道年久失修，河道中有明顯的泥沙、石塊、枯木堆積，河岸沖刷嚴重，亟需治理。

圖7 測區河道分布圖

通過對底圖的解譯掌握河道治理規劃設計的原則：

（1）山地農田以梯田為主，應根據河道的位置與地勢情況在合適的位置開鑿或連接河道；

（2）確認好河道的源流，在合適的位置處理好砂石的侵入，再根據河道的流向清理好泥沙、淤泥、枯木等雜質；

（3）厘清宅基地與農田等土地產權，根據實際情況加寬、加固河道，避免汛期雨水沖刷造成水土流失；

（4）根據基層網格管理制度，確認責任人，做好對河道整治后的護理工作。

5 結束語

本文以宜春市某鄉村山區地形下的河道治理規劃為例，闡述了河道治理的問題和治理建議，介紹了無人機航測技術在該工程中的實際應用。以小范圍的目標區域為試點，表明了無人機航測技術可以在治理規劃前期的基礎測繪工作中發揮良好的作用，高效獲取高精度的數字地形圖產品與三維實景模型。其優勢在于能有效解決河道治理工作中的測量范圍廣、限制因素多、精度要求高、技術難度大等突出問題，很好地彌補了傳統測繪方式的不足，提高了河道治理工作的效率。此外，無人機航測技術的應用可推廣到國土資源調查統計、河湖與水利工程確權、水環境治理規劃設計、河道管理情況監測維護等諸多領域。本文所述無人機航測技術在山區地形的河道治理中的作業方法與治理建議在其他項目中仍然適用，可為相關從業者提供參考。