基于無人機測繪數據的河道水環境治理應用研究

陳國麗，林文潔，姚雨彤，陶慧華，文定夢

(1.南寧市水利局，廣西 南寧 530000;2.南寧市水土保持分站，廣西 南寧 530000;3.南寧市水資源管理服務中心，廣西 南寧 530000;4.廣州中科云圖智能科技有限公司，廣東 廣州 510000)

我國地域遼闊，水資源豐富，但是隨著人類活動范圍的不斷擴大，河流、湖泊以及沿海等地的水污染問題日益突出，因此，我國提出了一系列水資源保護政策和措施，其中監測技術作為水污染處理的一項重要技術，得到了一定的研究和發展[1- 2]。

河道作為城市的基礎市政工程建設項目，具有防洪、抗旱和休閑等優點，但是城鎮化的快速發展給河道水環境帶來巨大挑戰[3]，主要的污染來源有淤積、工業廢水和城市垃圾等。針對河道水污染問題，傳統的治理手段主要有自然修復和微生物治理法等[4]。傳統的治理手段短期內效果較為明顯，但是后繼乏力，且重在水質提升而監測效果較差[5]。因此，本文將根據河道水環境的治理及監測重點，通過無人機梯級測繪技術將大范圍及復雜流域的河道測繪問題進行簡化，形成一套完整的監測體系，進而輸出監測成果及提出預防和治理措施。

無人機梯級測繪需要對河道相關資料進行分類和分層次整理，進而采取分類測繪和分類輸出成果，從而有針對性地進行河道治理[6- 7]。當下無人機定點和定位測繪技術已經較為成熟，但是針對河道特點區域進行分層測繪還存在一些難點[8]，因此，本文主要目的是研究無人機分層測繪技術，并結合實際測繪項目進行技術驗證，以便為河道水環境預防和治理提供更優選擇。

1 測繪設備及測繪技術

1.1 測繪設備

本研究采用的測繪設備為TrimbleUX5無人機，它由硬件、外業和內業3個系統組成，同時具有飛行穩定、對天氣依賴性小、軟硬件兼容性好、先進的系統設計和直觀的操作流程等優勢，無人機測繪現場實物圖如圖1所示。結合EPS數據處理軟件，為提供準確的測繪數據提供了有利保障，測繪的流程如圖2所示。

圖1 無人機測繪現場實物圖

圖2 無人機測繪流程圖

1.2 梯級測繪技術

本研究采用的無人機梯級測繪技術需要3個輔助技術配合，即傾斜攝影、無人機遙感影像合成和地圖配準3項技術，技術的標準參考城市測量規范，通過Pix4Dmapper進行測量影像的合成。所運用的算法為點云成像算法，測繪具體實施方式為：①設定邊界條件。對測量范圍內的待測點根據測繪需求劃分層次，如可將河道兩側建筑物劃分為民用、商用或市政建筑。②劃分水污染層次。將水污染分為點源和面源兩類污染或者生活、農業和工業三類污染，然后分別對劃分的層次進行測量。③測繪點位坐標建立。對不同層次和不同的測繪對象分別進行定位，便于無人機進行點位抓取和路線規劃，并通過坐標和點位進行測繪工作[9- 10]。測繪區域部分檢測點平面和高程測繪精度見表1—2。

表1 部分監測點平面精度

通過梯級測繪，能將劃分的不同層次或不同類別測繪結果進行輸出，如圖3所示。然后將各層次或各類別測繪成果通過Pix4Dmapper進行成果疊加得到最終的測繪成果，由于測量元素獨立，各層次測繪成果獨立，因此最后的疊加結果精度高且清晰。

表2 部分監測點高程精度

圖3 測繪成果疊加圖

2 應用案例及分析

2.1 工程概況

為了驗證無人機梯級測繪技術在河道水環境治理中的應用效果，本次以某市河道水環境監測及治理項目為背景，該河道屬于市級控制的一級支流，河道兩岸房屋較多，排污設施等較為復雜，水環境污染較為嚴重，該河道某段實物圖如圖4所示，從圖中可以看出，河道該段周邊主要是工業園區，水質遭到嚴重污染，主要污染來源是工業污水，且水體存在富營養化等問題。該治理項目主要是為了識別河道及其周邊水污染狀況，以確定具體需要治理的區域，明確污染情況對周邊造成的影響，為治理工作的開展提供保障。

測繪工作開展時無人機飛行方向為西北至東南，根據地形、污染情況和續航時間等情況劃分點位和區域，本次測繪無人機的相機型號為索尼NEX5，焦距為15mm，整個測繪工作共設置了27條航線，需要拍攝400多張影像圖，航向和旁向的重合度都是80%，滿足相關規范要求；本次測繪無人機的最低飛行高度為200m，最高飛行高度為220m，也滿足相關規范要求。

圖4 某段河道測繪實物圖

2.2 無人機測繪數據處理

通過UASmaster軟件對無人機測繪數據進行后處理，該軟件具有十分簡單和直觀的處理流程，從而獲得測繪影像和模型等測繪成果，數據的后處理主要分為以下幾步：①預處理。首先在軟件初始界面里創建一個新的工程，導入測繪數據，對原始數據進行糾正等預處理工作。②空三加密和平差。通過軟件對數據空三加密處理，主要是為了得到重合影像的連接點，進而獲得不同影像的相對位置；然后自動進行平差計算，達到有效的連接點能匹配影像效果較差的區域。③像控點測量。通過軟件中的像控點對上述成果繼續進行校正[11- 14]。

2.3 測繪結果分析

通過將排污口等污染點源的坐標、高度、角度、影像數據和灰度矩陣等測繪數據進行疊加，并將不同點污染的測繪結果進行識別和差異化處理。通過顏色深淺差異表示污染的程度，顏色越深表示污染程度越嚴重，顏色越淺表示污染程度越輕；通過點位的大小表示污染物的排放量和影響范圍，點位越大表示污染物的排放量和影響范圍越大，點位越小表示污染物的排放量和影響范圍越小。

相對于點源測繪，面源測繪工作相對較為復雜，因為面源沒有特定的點位和半徑，但是由于面源的污染主要是農業污染，如種植業和養殖業等造成的，污染物通過各處的支流或者水渠統一匯入到河道中，其污染物分布范圍較廣，覆蓋面積較大，污染的情況更加復雜。對于面源測繪工作，首先要確認測繪的半徑，然后沿測繪范圍邊界進行初步測繪，進而確定主要的測繪區域，最后，對識別出的重點測繪區域進行交叉測量，通過加權線性內插法將測繪的數據進行處理。本項目的綜合測繪成果如圖5所示，從圖中可以清晰地看到不同顏色深淺或不同大小的測繪點位，從而清晰地判別污染情況，進而有針對性地進行后期的治理工作，進而表明該測繪技術具有顯著的優勢和效果。

圖5 梯級測繪成果展示

3 結語

本文對無人機梯級測繪技術在河道水環境治理中的作用進行研究，得到如下結論：

(1)無人機梯級測繪技術能將測繪河道進行類別和層次的劃分，便于突出測繪工作的重點和精度。

(2)無人機能準確識別水環境污染情況，還能分別抓取點源和面源污染的測繪要素，最終輸出測繪成果。

(3)通過UASmaster軟件對不同層次和類別的測繪成果進行疊加處理，得到綜合測繪成果，便于聯合分析和綜合研究。

(4)研究成果河道為我國河道污染源治理工作提供了一定思路，但現有無人機技術三維立體化實景展示效果較差，仍需要進一步深入研究。