現(xiàn)代化無人機(jī)技術(shù)在河湖劃界方面的應(yīng)用

崔懷森 李向新 郭曉樂

摘? 要： 基于國家政策影響和巨大的河湖體量，河湖劃界測繪顯然已經(jīng)成為當(dāng)前測繪行業(yè)的一大熱點(diǎn)。采用傳統(tǒng)測繪手段無論工作效率還是成果展現(xiàn)形式，都難以滿足當(dāng)前信息化需求和嚴(yán)峻的工期要求。本文以“先鋒”垂直起降無人機(jī)航測為例，為河湖劃界勘測提供一種快速、高效的解決辦法，該方法主要是利用“先鋒”無人機(jī)進(jìn)行外業(yè)航飛拍攝照片，內(nèi)業(yè)經(jīng)過無人機(jī)后處理軟件TBC&UASMASTER進(jìn)行空三加密，為后期河道管理范圍線和保護(hù)范圍線的規(guī)劃提供可靠的底圖，使得河湖劃界工作更加有效的開展，跟上信息數(shù)據(jù)化時代的步伐。

關(guān)鍵詞： 河湖劃界;無人機(jī);空三加密

中圖分類號： TP391.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.048

本文著錄格式：崔懷森，李向新，郭曉樂. 現(xiàn)代化無人機(jī)技術(shù)在河湖劃界方面的應(yīng)用[J]. 軟件，2020，41（10）：187190

【Abstract】： Based on the influence of national policies and the huge volume of rivers and lakes， river and lake demarcation mapping has obviously become a hot spot in the current surveying and mapping industry. Traditional surveying and mapping methods can hardly meet the current information needs and the severe requirements of time limit. In vtol UAV aerial “pioneer”， for example， for the demarcation of lakes survey provides a quick and efficient solution， the method is mainly the use of “pioneer” unmanned aerial vehicle （UAV） for field aerial photograph， in the industry by unmanned aerial vehicle （UAV） post-processing software TBC&UASMASTER empty three encryption， late for range of line and line of the scope of protection planning of river channel management to provide reliable， reproduction makes rivers demarcation work more effectively， keep up with the pace of the digital information age.

【Key words】： River and lake delimitation; UAV; Air three encryption

0? 引言

無人駕駛飛機(jī)簡稱“無人機(jī)”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。廣泛用于空中偵察、監(jiān)視、通信、反潛、電子干擾等[1-3]。

隨著時代的發(fā)展，無人機(jī)也被廣泛推廣，目前來說主要分為軍用型和民用型兩種：軍事方面主要用來軍事偵測、火力打擊等等;民用無人機(jī)應(yīng)用于攝影測量、抗?fàn)幘葹?zāi)、農(nóng)林業(yè)、環(huán)境檢測、土地測繪、快遞行業(yè)、通信等等。

1? 無人機(jī)的發(fā)展

1.1? 民用無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國民用無人機(jī)的發(fā)展大致可分為三個階段：

第一階段為上世紀(jì)80年代初，西北工業(yè)大學(xué)研制出D-4固定翼無人機(jī)為地形測繪和地質(zhì)勘測做出了初次嘗試;

第二階段為上世紀(jì)90年代至本世紀(jì)初，一部分企業(yè)開始對無人機(jī)的市場進(jìn)行探索，市場向民用“滲透”，漸漸出現(xiàn)了低端民用小型無人機(jī)。其中1998年，南航在珠海航展中展出的“翔鳥”無人直升機(jī)，這種無人機(jī)的用途就包含有森林火警探測和漁場巡邏[4]。

第三個階段就是當(dāng)前社會，軍用無人機(jī)市場飽和的同時，民用無人機(jī)領(lǐng)域遍地開花。目前，我國民用無人機(jī)共有130余家研制單位和15000架使用量，民用無人機(jī)的種類也逐漸豐富，包括固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)、飛艇無人機(jī)等。而上述成果，在很大程度上是高空、高速、中遠(yuǎn)程、長航時、大載荷等軍用無人機(jī)技術(shù)逐漸向民用“滲透”的結(jié)果[5]。

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，當(dāng)前無人機(jī)的應(yīng)用范圍已涉及國土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、水情監(jiān)測、救災(zāi)等多個領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)無人機(jī)僅民用市場大概有幾億元的量級。面對這一正在興起的市場，相關(guān)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)也紛紛進(jìn)駐民用無人機(jī)領(lǐng)域[5]。

1.2? 無人機(jī)系統(tǒng)介紹

無人機(jī)系統(tǒng)主要有三個方面組成：飛機(jī)飛行平臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及地面控制系統(tǒng)[6]。

飛機(jī)飛行平臺主要包括機(jī)身、動力裝置、飛行控制裝置;機(jī)身主要是對整個系統(tǒng)起到保護(hù)作用，固定翼無人機(jī)多采用epp（聚丙烯塑料發(fā)泡材料）、epo（發(fā)泡聚苯乙烯聚乙烯混合體）、玻璃鋼、木材等高強(qiáng)度低質(zhì)量的材質(zhì);多旋翼無人機(jī)一般是由碳纖維材料作為主要材質(zhì)。動力裝置主要是提供飛行動力，常見的是鋰電池供電，由于鋰電池儲存電量有限，導(dǎo)致續(xù)航問題仍然是制約無人機(jī)大力發(fā)展的一個難題;飛行控制裝置是整個飛行平臺最重要的地方，主要是用來控制飛行軌跡。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般是相機(jī)為主體組成，通過無人機(jī)自帶相機(jī)或者外接相機(jī)進(jìn)行拍照完成相片信息的采集;

地面控制系統(tǒng)主要包括顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)三部分;在顯示系統(tǒng)中可以直觀的了解到無人機(jī)的飛行狀態(tài)，包括：飛行高度、飛行速度、飛行姿態(tài)、飛行時間、電池電量等等;控制系統(tǒng)主要是用來控制無人機(jī)按照規(guī)劃好的航線飛行或者手動控制飛行;數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要是將無人機(jī)飛行的數(shù)據(jù)實(shí)時傳送到顯示系統(tǒng)中，以便更好地了解飛行狀態(tài)。

1.3? 無人機(jī)的用途

（1）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

在農(nóng)業(yè)方面無人機(jī)可以用來判斷某片區(qū)域農(nóng)作物生長情況、噴灑藥物治理蟲害等等;尤其是擁有大范圍農(nóng)田的管理者，無人機(jī)可以幫助他們節(jié)約時間、減少農(nóng)藥化肥的損耗，也能通過地面觀測系統(tǒng)隨時觀測農(nóng)作物生長情況。

（2）公共環(huán)境管理方面

無人機(jī)也被用來做空中警察，可以用來追蹤犯罪分子、偵察犯罪分子的窩藏地等等;由于無人機(jī)可通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能將地面畫面實(shí)時傳送到地面監(jiān)測平臺中，所以也被交通警察用來指揮交通。

（3）救災(zāi)搶險方面

在天災(zāi)面前人的力量還是很渺小的，如何在天災(zāi)發(fā)生后及時偵察災(zāi)難現(xiàn)場、快速解救被困人員是個很大的問題，而無人機(jī)給我們提供了便利，無人機(jī)不懼怕任何艱苦環(huán)境，可以快速的偵察災(zāi)難現(xiàn)場，找出前往災(zāi)區(qū)最快、最近的道路，也可為受困人員運(yùn)送物資等等。

（4）測繪領(lǐng)域

無人機(jī)在測繪領(lǐng)域主要運(yùn)用于地形測量，通過機(jī)載相機(jī)拍攝像片，通過正射投影后期處理等工作可以建立測區(qū)三維模型;相比傳統(tǒng)測量，這種作業(yè)模式大大減少了工作時間，為測繪外業(yè)工作者減輕了很多負(fù)擔(dān)，也為危險地區(qū)的測繪提供了便利[6]。

2? 工作背景

2.1? 河湖劃界工作的內(nèi)容及要求

河湖劃界勘測工作的重點(diǎn)在于確定管理范圍線和保護(hù)范圍線的位置，然后通過埋設(shè)界樁明確邊界。按照《陜西省河道管理?xiàng)l例》（2010年修正）、《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）以及陜西省水利廳關(guān)于印發(fā)《河湖和水利工程管理范圍及保護(hù)范圍劃界技術(shù)指南（試行）》的通知（陜水河湖發(fā)〔2019〕12號）相關(guān)規(guī)定，確定嘉陵江干流河道管理范圍和保護(hù)范圍。

2.2? 河湖劃界工作的難點(diǎn)

作為新興業(yè)務(wù)，河湖劃界方面可借鑒的成功案例資料和工作經(jīng)驗(yàn)較少，而且各個測區(qū)的情況也不竟相同，不同測區(qū)需要采用不同的方案和要求，工作協(xié)調(diào)難度較大[7]。嘉陵江（略陽段）測區(qū)資料及特點(diǎn)：

（1）由于1981年特大洪水破壞性較大，經(jīng)過30年來的演變，兩岸農(nóng)田耕作以及河道規(guī)劃項(xiàng)目的開展，使得原有的邊界線失去作用。

（2）確權(quán)工作涉及國家及地方政策較多，與地方部門有著密切接觸，協(xié)調(diào)難度和工作難度較大[8]。

3? “先峰”固定翼無人機(jī)的介紹

“先鋒”固定翼無人飛行系統(tǒng)是天茂空間科技有限公司為河湖劃界特意推出的一套系統(tǒng)，該系統(tǒng)加裝PPK，使得平面和高程精度都有保證，而且大大減少了像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量，提高工作效率。設(shè)備的基本配置包括：無人機(jī)系統(tǒng)、地面監(jiān)控站、GPS基站等。

與其他品牌的無人機(jī)相比，“先鋒”固定翼無人機(jī)的顯著優(yōu)勢包括：

起降方便，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。起降點(diǎn)選取簡單，無需滑跑，也不用借助傘降，可以認(rèn)為操作降落點(diǎn)，也可設(shè)置降落點(diǎn)自主降落。

數(shù)據(jù)傳播方案更加可靠，無懼山體遮擋，避免了飛機(jī)信號時有時無，使得飛行狀態(tài)實(shí)時掌控，大大提高安全系數(shù)。

飛行效率極高，單架次續(xù)航時間可達(dá)70分鐘，里程數(shù)可達(dá)70-80公里。

4? 工程實(shí)施

4.1? 測區(qū)概況

嘉陵江在略陽縣境內(nèi)長92.8 km（其中左岸長度92.8 km，右岸長度86.7 km），由甘肅省徽縣魚關(guān)石土地廟進(jìn)入縣境，河床寬60余米，由北而南，過白水江、徐家坪、略陽縣城、樂素河等區(qū)鎮(zhèn)。匯流甘溪溝、小河、青泥河、麻柳塘溝、喬井溝、水銀溝、周家山溝、史家莊溝、西漢水、石溝、秦家壩河、金家河、石莊溝、八渡河、東渡河。城區(qū)段河床寬度150余米，岸寬200余米。其下又匯入夾門子溝、一里溝、青白石河、賢草溝、樂素河、中壩子河、石甕子河等主要河道。下游岸寬200余米，于石甕子鄉(xiāng)登蹬埡出境，流入寧強(qiáng)。在縣境內(nèi)集水面積2014.6平方千米，占全縣總面積2831平方千米的71%。嘉陵江測區(qū)地形較為復(fù)雜，為典型長條形狀，還附帶有“S”形和“V”形路線，婉轉(zhuǎn)曲折。

4.2? 工作要求

采用無人機(jī)低空攝影測量方法繪制甘陜省界白水江鎮(zhèn)大沙壩村至略寧縣界巨亭鎮(zhèn)鴛鴦池村1∶2000地形圖，在1∶2000正射影像圖及地形圖上初步設(shè)計(jì)管理范圍線、界樁、公告牌。用紅色實(shí)線繪制河道管理范圍線，線寬為0.6 mm。河道管理范圍線城市段按100 m間距布設(shè)界樁，非城市段按200m間距布設(shè)界樁，按1000 m間距布設(shè)公告牌，在近村鎮(zhèn)處或工程交叉點(diǎn)、拐點(diǎn)處可適當(dāng)加密。

4.3? 工作實(shí)施方案

河湖劃界項(xiàng)目往往往往涉及區(qū)域較多，范圍較大，而且地形復(fù)雜，蜿蜒曲折，河面寬度不一等。根據(jù)嘉陵江地形及實(shí)際情況，我們選擇“先鋒”無人機(jī)航測作為第一方案。工作大概思路為：首先通過“先鋒”無人機(jī)獲得測區(qū)的高分辨率影像圖和數(shù)字高程模型，為外業(yè)調(diào)繪和規(guī)劃范圍線提供底圖，然后通過內(nèi)業(yè)采集和編輯，通過三維建模進(jìn)行界樁位置預(yù)設(shè)和管理范圍線以及保護(hù)范圍線定線;最后進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪并根據(jù)調(diào)回情況適當(dāng)調(diào)整規(guī)劃管理范圍線以及保護(hù)范圍線。

4.3.1? 外業(yè)航拍

首先每隔500米在河岸兩邊布設(shè)像控點(diǎn)，然后通過“先鋒”無人機(jī)進(jìn)行航空攝影測量，在此次航拍中，以測量范圍擴(kuò)寬河道兩岸各150米進(jìn)行航線規(guī)劃，而且航線平行于河道，保證河道上空有5條航線以上;這樣可以滿足后期管理范圍線和保護(hù)線的規(guī)劃。本次航飛共飛行10個架次，每個架次飛行時間60分鐘—70分鐘，飛行公里數(shù)大約70公里，實(shí)測河道長度為10—15公里。

4.3.2? 內(nèi)業(yè)處理

此次數(shù)據(jù)處理采用的是無人機(jī)后處理軟件TBC&UASMASTER，UASMASTER把易用性且功能全面又強(qiáng)大的攝影測量工作站結(jié)合在一起，該軟件在非攝影測量專業(yè)人員接近黑匣子的簡單工作與攝影測量專家的工作交流之間架起了橋梁，填補(bǔ)了他們之間的空缺。

UASMASTER軟件的優(yōu)勢：

（1）集成了inpho軟件的空三加密、DTM/DSM提取和編輯以及正射校正和鑲嵌勻色的所有模塊;

（2）全像素DSM提取，支持3D彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取，也可全角度無死角查看點(diǎn)云立體模型;

（3）強(qiáng)大的濾波功能以及“黑匣子”處理模式，可以去除植被、房屋等相關(guān)地物信息，獲得真實(shí)的DEM數(shù)據(jù);

4.4? 成果展示

以下展示了部分經(jīng)過無人機(jī)后處理軟件TBC& UASMASTER處理航拍圖片得到的DSM、DLG以及DOM成果圖片：

5? 結(jié)語

通過低空無人機(jī)攝影測量得到的嘉陵江河段地形圖精度基本符合要求，為后續(xù)嘉陵江管理范圍線以及保護(hù)范圍線的規(guī)劃提供了相對準(zhǔn)確的底圖，改革了傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)采集方法，大大減少了外業(yè)工作者的工作難度和強(qiáng)度，不僅為河湖劃界提供了一種行之有效的方法，也為地形圖測量提供了一種便利，通過運(yùn)用不同型號的無人機(jī)和照相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)各種比例尺的地形圖測量。通過三維建模，可很大程度的還原現(xiàn)場，也為后續(xù)相關(guān)工作提供便利，例如：河道治理、河道規(guī)劃、修建河堤等等，實(shí)現(xiàn)一次航測成果，多次利用。

參考文獻(xiàn)

[1]吳灑灑. 測繪工程中無人機(jī)的運(yùn)用[J]. 信息系統(tǒng)工程， 2019（12）： 80-81.

[2]李濤， 高波， 張?jiān)蕽?等. 天狼星無人機(jī)航測技術(shù)在河湖劃界中的應(yīng)用[J]. 測繪通報， 2019（03）： 151-154.

[3]戚國香， 孔德博， 蔣志強(qiáng). 分析天狼星無人機(jī)航測技術(shù)在河湖劃界中的應(yīng)用[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)， 2020（4）： 260-261.

[4]吳宏麗， 馮海建， 殷麗紅. 民用無人機(jī)發(fā)展趨勢的研究[A]. 中國航空學(xué)會. 飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)理論與實(shí)踐——第二屆民用飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)國際論壇論文集[C]. 中國航空學(xué)會： 中國航空學(xué)會， 2015： 3.

[5]王明珠， 王璠， 王劍. 民用無人機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景[A]. 中國航空學(xué)會. 2016（第六屆）中國國際無人駕駛航空器系統(tǒng)大會論文集[C]. 中國航空學(xué)會： 中國航空學(xué)會， 2016： 5.

[6]袁曉鑫. 無人機(jī)大比例尺測圖技術(shù)及應(yīng)用研究[D]. 安徽理工大學(xué)， 2019.

[7]趙巨偉. 無堤段河道管理范圍劃界技術(shù)研究與實(shí)例分析[J]. 水利發(fā)展研， 2018， 18（11）： 60-62.

[8]曾曉春， 吳明艷. 河湖及水利工程劃界確權(quán)中存在的問題與對策[J]. 農(nóng)業(yè)科技與信息， 2019（17）： 91-92.