基于無人機航拍技術(shù)的河道生態(tài)修復(fù)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(yè)大學 水土保持學院，北京 100083；2.北京林豐源生態(tài)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100083)

河道是生態(tài)環(huán)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(xiàn)水生物的多樣化[1]。河道生態(tài)修復(fù)是使河道生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到被破壞前的近似狀態(tài)，且能夠?qū)崿F(xiàn)自我維持動態(tài)平衡的復(fù)雜過程，既有利于保護河道水生態(tài)環(huán)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(tài)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(tài)治理工程屬于線性工程，傳統(tǒng)的設(shè)計前勘測現(xiàn)場需要利用地形圖結(jié)合衛(wèi)星遙感圖像、現(xiàn)場拍照等一系列手段，雖然通過衛(wèi)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(guī)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(shù)在河道水環(huán)境治理中的應(yīng)用，可彌補傳統(tǒng)測量方法測量點位混亂、精度較差的問題[9-10]。相比于傳統(tǒng)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(tài)修復(fù)治理工程中的重要參數(shù)，本研究以灤平縣兩間房川美麗鄉(xiāng)村生態(tài)治理工程為例，利用無人機對現(xiàn)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(tài)修復(fù)方案提供參考依據(jù)。

1 研究材料與技術(shù)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(wěn)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(wěn)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(shù)準備

(1)確定航拍環(huán)境。起飛前先在谷歌或奧維地球上查看航測地區(qū)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(qū)是否在禁飛范圍內(nèi)。

(2)環(huán)境預(yù)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(qū)域，避免磁場、雷達站等干擾無人機通信信號。

(3)設(shè)備檢查。檢查無人機組裝、無人機和遙控器電量、衛(wèi)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(shè)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(xiàn)軟件閃退或卡頓等現(xiàn)象。

2 工程概況與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)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(qū)，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(xiàn)出汛期匯集河谷地帶，區(qū)域變化由南向北逐步遞減，年際、年內(nèi)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(jié)性河流，非雨季時常年無水，局部淤積嚴重，現(xiàn)狀景觀較差，河道上下游寬窄不一，局部排水不暢，汛期易發(fā)生洪澇災(zāi)害。為改善兩間房川河道生態(tài)環(huán)境、促進河道兩岸和諧發(fā)展，依據(jù)《灤平縣水務(wù)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》設(shè)計灤平縣兩間房川美麗鄉(xiāng)村生態(tài)治理工程，對兩間房川河道進行生態(tài)修復(fù)，主要包括河道疏挖、堤防建設(shè)、生態(tài)景觀打造等內(nèi)容。實施中需要使用無人機高效提取現(xiàn)狀河道數(shù)據(jù)并分析存在的問題，從而制定合理的規(guī)劃設(shè)計方案。工程位置和航拍設(shè)計示意見圖1。

圖1 兩間房川美麗鄉(xiāng)村生態(tài)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(shè)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(guī)劃設(shè)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(fù)操作，因此本次航拍沒有采用預(yù)先設(shè)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(shù)據(jù)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(xù)，中間無斷點。無人機影像自帶高程點及相應(yīng)的坐標點，將圖片導(dǎo)入Agisoft PhotoScan Professional建立密集點云，添加紋理，直接由點構(gòu)成面，由面生成立體模型。根據(jù)項目所需，選擇不同的成像質(zhì)量要求，本項目選用的質(zhì)量要求為“中”。由Agisoft PhotoScan Professional導(dǎo)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(dǎo)入Google Earth可更直觀反映兩間房川河道現(xiàn)狀。

3 河道生態(tài)治理研究

3.1 生態(tài)修復(fù)前河道影像及問題

根據(jù)拍攝影像，兩間房川基本斷流，河道內(nèi)雜草叢生，生態(tài)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(qū)域因河道深挖之后產(chǎn)生的水面外，基本常年無水。農(nóng)耕地和主要道路均分布于河道兩側(cè)，污水直接排入河道，影響河道水環(huán)境和生物多樣性。

在京津冀協(xié)同發(fā)展的背景下，兩間房川作為潮河一級支流，需充分發(fā)揮其水源涵養(yǎng)功能。以兩間房川生態(tài)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(huán)境，促進河道兩岸和諧發(fā)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(tài)環(huán)境得到較大提升。

3.2 生態(tài)修復(fù)后河道影像

為了實現(xiàn)河流生態(tài)安全、河流水質(zhì)達標、河岸帶景觀優(yōu)美的目標，工程對灤平縣巴克什營鎮(zhèn)和兩間房鄉(xiāng)境內(nèi)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(xiàn)狀走向，設(shè)計河道中心線與現(xiàn)狀河道中心線基本一致，現(xiàn)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(xiàn)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(jié)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(xiàn)場測量的人為干擾因素，以及Google Earth測量帶來的不穩(wěn)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(jié) 論

無人機在灤平縣兩間房川河道治理中的應(yīng)用，不僅為河道設(shè)計工作者前期的方案規(guī)劃和后期方案的變更提供了極大幫助，而且提高了工作質(zhì)量和效率，節(jié)約了成本。無人機具有抗干擾能力強、提供高效穩(wěn)定的高清圖像傳輸功能、能夠呈現(xiàn)出較高的飛行航拍成像效果等優(yōu)點，在河道生態(tài)修復(fù)治理工程中應(yīng)用廣泛，包括工程規(guī)劃階段、可研階段、設(shè)計階段、施工階段、竣工驗收階段。應(yīng)用無人機可直觀查看施工進度，監(jiān)測工程措施。在數(shù)據(jù)處理階段，利用無人機航拍技術(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)出河道復(fù)雜的地形。