基于衛星遙感和無人機空間信息融合的皂市水庫動態監測平臺建設

（湖南澧水流域水利水電開發有限責任公司，湖南長沙 410014）

皂市水庫位于洞庭湖水系澧水流域的I 級支流渫水上，是澧水流域主要支流渫水梯級開發的最后一個梯級，系年調節類型水庫，總庫容14.4 億m3；防洪庫容7.83 億m3，庫容系數0.32。目前，由于采集站點布設不足、分布不合理、監測設備落后、網絡傳輸覆蓋度低等問題，難以滿足對整個庫區進行有效監測與管理的要求。本文結合皂市水利樞紐工程運行與管理的實際，采用衛星遙感與無人機相結合采集多期影像，通過疊加分析，計算地表變化位置信息及有關要素后形成專題數據，綜合反映監測庫區的土地利用狀況、岸線變化、違法占地、侵占水利設施等情況，實現皂市水庫庫區的動態監測與管理。

1 水庫監測平臺總體架構

根據庫區管理業務需求，皂市水庫監測信息平臺由水庫消落帶移動巡查（地上查）、水庫遙感影像管理與動態監測（天上看）和水庫綜合監控與執法管理等三個子系統組成，如圖1 所示。

圖1 水庫監測平臺組成

綜合考慮使用效率和數據涉密等因素，整個監測平臺采用C/S、B/S 混合方式，如圖2 所示。即水庫綜合監控與執法管理系統采用類似Google Earth 數字地球的B/S 構架下的WEB3D 方式，水庫遙感影像管理與動態監測系統采用C/S 構架，水庫移動巡查執法基于移動端進行開發。

2 水庫遙感影像管理與動態監測系統

圖2 水庫監測平臺結構圖

水庫遙感影像管理是通過標準的WGS84 坐標將無人機和現場地面采集的影像和多期遙感影像融合在一起，形成統一的數據集合，在集成管理環境下對數據集合的元數據進行集中管理和交互瀏覽。數據集管理包括數據集的創建、更新、刪除，系統通過影像高壓縮比壓縮、影像導入、分布式數據厙、金字塔索引、緩存等技術的開發，實現海量遙感數據、無人機和現場地面采集的影像數據的集成管理、靈活的組織、高效的檢索和快速瀏覽。

水庫動態監測是通過歷史巡查現場照片、無人機影像和遙感影像進行多期數據對比，計算判斷形成庫區疑似違法建設區，對比變化區域判讀與框選如圖3所示。系統提供疑似違法區的屬性輸入、交互編輯和任務發布，并可將疑似違法區的范圍和屬性問題通過接口發布給水庫綜合監控與執法管理系統。

3 水庫消落帶移動巡查系統

水庫消落帶移動巡查系統運用3S 技術（全球定位系-GPS、地理信息系統-GIS、遙感-RS）和移動互聯網技術，在水庫綜合監控與執法管理系統的后臺數據支撐下，通過與系統其他部分有機結合，實現對水庫漂浮物、網箱、周邊消落帶的動態監測和現場人員巡檢信息的管理。現場巡檢管理主要基于移動終端系統，如圖4所示，可以實現現場信息采集、錄入和查詢，包括巡查坐標和路徑記錄、巡查任務和報告填報、巡查信息記錄、地圖預覽、基礎信息查詢以及拍照取證等。系統接收由核心平臺發送的巡檢任務，按照規定的時間、巡查路線完成指定任務，通過現場取證，上傳巡檢數據。

圖4 移動端系統功能

4 水庫綜合監控與執法管理系統

水庫綜合監控與執法管理以皂市水庫區域基礎三維可視化平臺為基礎，疊加無人機全景影像、水庫大壩三維傾斜攝像模型和衛星遙感影像數據，形成水庫大壩極具現場感的可視化虛擬現實環境。系統具備三維瀏覽查詢和分析、水庫巡檢管理、公共信息瀏覽查詢、系統管理等功能。

三維瀏覽查詢和分析基于三維地理信息系統開發，實現基于互聯網的三維GIS 的基礎功能：應用DEM、影像和模型數據生成三維GIS 圖層及三維模型、坐標、線和多邊形等空間數據，實現圖層管理；對地圖圖層進行分組，面向不同用戶分組和專題，選擇訪問不同的圖層和地圖組，實現地圖分組管理；通過圖層順序、圖面元素樣式和飛行參數調整，圖層透明度控制，以及地圖縮放、旋轉、漫游等視圖方向和視角控制，實現圖層瀏覽控制；通過查詢、增刪POI 信息點操作，定位三維地理信息中的目標位置，實現POI 信息點標注；通過分析計算地形表面的線距、面積、地形剖面和坡度坡向，實現地表空間分析；通過影像集的管理和動態監測系統編輯生成，提供對疑似區信息查詢、檢索和可視化展示，實現疑似區管理；將歷史影像數據在三維場景下對比監測變化，實現歷史影像數據對比；在業務流程中嵌入數據中心提供的各種數據，定位指定圖層視野范圍、現狀圖、水庫審批用地和遙感變化圖斑的疊加分析，實現業務數據疊加顯示；通過消落帶傾斜攝像測量三維模擬數據疊加，提供三維模型數據基本測量功能，實現水庫大壩真三維模型的展示。

水庫巡檢管理基于三維可視化平臺實現，如圖5所示。系統集成了歷史巡檢軌跡、照片和屬性數據，實現對歷史巡檢任務進行瀏覽、檢索和跟蹤功能：通過在三維可視化場景疊加巡檢軌跡、現場照片，實現巡檢數據疊加；通過在三維可視化場景中顯示巡檢任務和任務相對應的屬性信息，以及將任務推送給指定巡檢人員移動應用端，實現巡檢任務管理；通過實時上傳地理坐標數據和三維集成平臺顯示，實現對巡檢現場人員、車輛、船只的實時跟蹤。

公共信息瀏覽查詢一方面提供歷史處罰信息的瀏覽、查詢和檢索功能，為后期執法提供案例參考，另一方面提供水庫執法相關法律法規和標準的瀏覽與檢索，發布相關的新聞、通知等信息，為巡檢人員提供執法依據的查詢。系統管理主要提供用戶角色和權限管理，以及提供系統操作及功能菜單說明、系統部署與調試等幫助。

圖5 水庫巡檢管理

5 水庫監測平臺本底數據集合建設

本底數據作為水庫監測系統的基礎數據，需要在系統運行前全部導入數據庫，支撐整個系統的運行，提供皂市水庫大壩、庫岸周邊以及消落帶三維虛擬現實場景，為未來周期性數據提供對比。本底數據除了基礎屬性、矢量數據外，主要包括地形數據、高分一號衛星數據和基于傾斜攝像測量的真三維模型數據。周期性數據是在系統運行過程中配合巡檢業務所需要和產生的影像數據，兩者的關系如圖6 所示。

圖6 本底數據與周期性數據的關系

皂市庫區衛星本底數據共收集2015 年4 月至2019 年12 月高分1 號GF1、資源3 號ZY3 衛星遙感影像共計25 景，其中GF1 號22 景，ZY3 號3 景，基本覆蓋庫區全景。將遙感圖像經過地理坐標投影、GPS 高精度定位、輻射度校準、大氣校正等預處理，實現遙感數據和地面采樣數據同位觀測、提高了定位精度。然后通過圖像融合和拼接處理，在同一坐標體系下生成單一的合成圖像，提高了影像的視覺效果和影像內要素類別的判別與分析的質量。

數據收集完成后，對數據進行處理。根據地物重要性和實際管控需求，對于不同的區域采用三種不同的層級精度表達方式。對于庫區一般區域，采用衛星遙感影像制作而成的DOM 融合DEM 構成大地形三維場景；對于比較關注熱點區域或者近期變化較大的區域，在大地形三維場景基礎上，通過無人機全景技術模擬重點關注的現場全景；對于大壩、電站等最高重視區，采用無人機傾斜攝像測量技術構建高精度真三維模型，傾斜攝像測量基于多角度拍攝的無人機航拍影像，采用Bentley 旗下Smart 3D Capture 進行數據處理，生成OSGB 存儲格式的模型，并使用skyline 系列軟件進行模型單體化處理和屬性賦值等操作，實現高精度三維模型，可將復雜、多源傳感器在三維模型中基于真實位置進行符號表達，為庫區管理部門提供高精確位置服務提供支撐，圖7 為皂市水庫大壩真三維模型。

圖7 皂市水庫大壩真三維模型

6 結論

通過現場測試，表明基于衛星遙感和無人機空間信息融合的水庫動態監測平臺，通過水庫消落帶移動巡查、水庫遙感影像管理與動態監測和水庫綜合監控與執法管理等3 個子系統相互協調，形成一套天上看、網上管、地上查的完整水庫動態監管體系，能實現對皂市水庫庫區岸線變化、違法占地、侵占水利設施以及巡檢人員巡視過程的動態監測與管理。