基于無人機航拍技術的河道生態修復治理研究

賽 碩，丁國棟，周連兄，楊之恒，李丹雄，武亞南

(1.北京林業大學 水土保持學院，北京 100083；2.北京林豐源生態環境規劃設計院有限公司，北京 100083)

河道是生態環境的重要組成部分，在滿足其過流、排洪要求的同時，能夠適度補充地下水，通過水流的多樣性實現水生物的多樣化[1]。河道生態修復是使河道生態系統恢復到被破壞前的近似狀態，且能夠實現自我維持動態平衡的復雜過程，既有利于保護河道水生態環境、保持河道的自然特征，又有利于促進人水和諧相處[2-3]。然而，河流生態具有涉及范圍廣、影響因素多、破壞程度不一等特點[4-5]。河道生態治理工程屬于線性工程，傳統的設計前勘測現場需要利用地形圖結合衛星遙感圖像、現場拍照等一系列手段，雖然通過衛星遙感圖像能做到對整個項目的宏觀了解，但是其精度低、圖像實時更新慢，僅能識別河道大致輪廓，不能對河道做詳細的規劃，使用范圍十分有限[6-7]，而單純的相機拍照只能做到點狀影像記錄測量，精度不高[8]。無人機航測技術在河道水環境治理中的應用，可彌補傳統測量方法測量點位混亂、精度較差的問題[9-10]。相比于傳統的測量方式，無人機具有自動化、智能化、專題化、成果直觀、適用范圍廣等特點，能很好地滿足當前水利水電工程地形地貌測量的需求[11-13]。

鑒于地形地貌是河道生態修復治理工程中的重要參數，本研究以灤平縣兩間房川美麗鄉村生態治理工程為例，利用無人機對現狀河道的航拍及后期航片信息進行提取，分析河道地形地貌特征，為制定合理的生態修復方案提供參考依據。

1 研究材料與技術準備

1.1 研究材料

本研究選用深圳大疆科技(DJI)Phantom 4 Pro V2.0四旋翼無人機，由飛行器、遙控器、云臺相機，以及配套使用的DJI GO 4 APP組成。該無人機能穩定拍攝4K超高清視頻與2 000萬像素照片；抗干擾能力強，能提供高效穩定的高清圖像并傳輸；具有較高的飛行航拍成像效果；可及時探測并主動躲避障礙物，并具備降落保護功能。

1.2 技術準備

(1)確定航拍環境。起飛前先在谷歌或奧維地球上查看航測地區的大致地形及需要航測的大致距離或面積,初步估計最佳的起飛地點、飛行時間，以及最佳的飛行路線，同時查看飛行區是否在禁飛范圍內。

(2)環境預判。需提前進行氣象測定，防止溫度、風速、云霧等對無人機拍攝影像的影響；無人機的起飛、降落平臺選擇在平坦、四周寬闊區域，避免磁場、雷達站等干擾無人機通信信號。

(3)設備檢查。檢查無人機組裝、無人機和遙控器電量、衛星信號等情況；檢查遙控器是否與無人機正常連接，遙控器控制無人機的飛行航線是否精確，確保信息及時傳遞到移動設備端；檢查客戶端DJI GO 4 APP是否為最新版本，避免飛行過程中出現軟件閃退或卡頓等現象。

2 工程概況與數據處理

2.1 研究區域概況

灤平縣位于河北省承德市，屬半濕潤向半干旱氣候的過渡區，多年平均降水量615 mm，多年平均徑流深85 mm，多年平均徑流量3 216 m3，降水和徑流時空分布不均，呈現出汛期匯集河谷地帶，區域變化由南向北逐步遞減，年際、年內變化較大等特點。

本研究選擇的河流為灤平縣兩間房川，屬海河水系北系、潮河的一級支流，河長31.6 km，流域面積192.8 km2，河道坡降12.6‰。兩間房川屬季節性河流，非雨季時常年無水，局部淤積嚴重，現狀景觀較差，河道上下游寬窄不一，局部排水不暢，汛期易發生洪澇災害。為改善兩間房川河道生態環境、促進河道兩岸和諧發展，依據《灤平縣水務發展“十三五”規劃》設計灤平縣兩間房川美麗鄉村生態治理工程，對兩間房川河道進行生態修復，主要包括河道疏挖、堤防建設、生態景觀打造等內容。實施中需要使用無人機高效提取現狀河道數據并分析存在的問題，從而制定合理的規劃設計方案。工程位置和航拍設計示意見圖1。

圖1 兩間房川美麗鄉村生態治理工程位置示意

2.2 航拍過程

為了得到更清晰的正射影像，本研究將無人機飛行高度設定為120 m，采用正射影像拍攝，視野范圍正好囊括河道及河道兩岸。鑒于本項目屬于帶狀工程，并非全線治理，具有間斷性，如果利用航線規劃設計無人機飛行航線，反而會耗費無人機電量且需要多次重復操作，因此本次航拍沒有采用預先設置的航線，而是全程采用手動控制無人機的速度與航線。

2.3 數據處理

無人機航拍照片選用Agisoft PhotoScan Professional處理，照片排列不均勻處可手動進行修正，確保航線連續，中間無斷點。無人機影像自帶高程點及相應的坐標點，將圖片導入Agisoft PhotoScan Professional建立密集點云，添加紋理，直接由點構成面，由面生成立體模型。根據項目所需，選擇不同的成像質量要求，本項目選用的質量要求為“中”。由Agisoft PhotoScan Professional導出正射影像可以獲取JPEG/TIFF/PNG和Google Earth KMZ(*.kmz)等多種格式文件，將后期拼接影像導入Google Earth可更直觀反映兩間房川河道現狀。

3 河道生態治理研究

3.1 生態修復前河道影像及問題

根據拍攝影像，兩間房川基本斷流，河道內雜草叢生，生態功能遭到破壞，生活、建筑垃圾堆積較為明顯，影響河道景觀。除下灣子和下游巴克什營部分區域因河道深挖之后產生的水面外，基本常年無水。農耕地和主要道路均分布于河道兩側，污水直接排入河道，影響河道水環境和生物多樣性。

在京津冀協同發展的背景下，兩間房川作為潮河一級支流，需充分發揮其水源涵養功能。以兩間房川生態治理為契機，通過工程、植物措施維護生物多樣性，改善周邊環境，促進河道兩岸和諧發展，增加流域物種的豐富度和抗逆能力，滿足居民的休閑娛樂、景觀美學等人文需要，使生態環境得到較大提升。

3.2 生態修復后河道影像

為了實現河流生態安全、河流水質達標、河岸帶景觀優美的目標，工程對灤平縣巴克什營鎮和兩間房鄉境內的兩間房川河段(樁號K0+000～K23+000)進行治理。治理總長度為21.2 km，該段河流河面寬50～150 m，10年一遇洪峰流量607 m3/s。河道治理工程原則上不改變河流現狀走向，設計河道中心線與現狀河道中心線基本一致，現狀河道上開口基本不變。整治后的河道平面曲線流暢、宜彎則彎、宜寬則寬。

3.3 無人機航拍影像檢驗

為檢驗航拍影像與實際工程量的偏差，提取項目現場修建完善的41座跌水壩實際長度與Google Earth中無人機影像的長度進行對比，精度超96%，最高精度可達100%，詳細結果如表1所示。

表1 Google Earth中無人機影像測量長度與實際長度比較

為了減小誤差，采用的跌水壩間隔多大于100 m，且壩長多在20 m以上，除去現場測量的人為干擾因素，以及Google Earth測量帶來的不穩定因素等所引起的誤差，無人機航拍影像的精度大約在98.32%。

4 結 論

無人機在灤平縣兩間房川河道治理中的應用，不僅為河道設計工作者前期的方案規劃和后期方案的變更提供了極大幫助，而且提高了工作質量和效率，節約了成本。無人機具有抗干擾能力強、提供高效穩定的高清圖像傳輸功能、能夠呈現出較高的飛行航拍成像效果等優點，在河道生態修復治理工程中應用廣泛，包括工程規劃階段、可研階段、設計階段、施工階段、竣工驗收階段。應用無人機可直觀查看施工進度，監測工程措施。在數據處理階段，利用無人機航拍技術獲取帶有坐標等信息的照片，通過Agisoft PhotoScan Professional軟件將圖片拼接成完整的帶有地理信息的影像，不但處理過程全自動，而且在數據處理的精度方面得到大大提升；同時，無人機影像可以較高的分辨率呈現出河道復雜的地形。