無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在河道巡查污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

莊寶慶，謝錫剛，朱海，華敏偉

（1.無(wú)錫市錫山區(qū)水利局，江蘇 無(wú)錫 214000；2.無(wú)錫錫東新城商務(wù)區(qū)開發(fā)建設(shè)管理中心，江蘇 無(wú)錫 214000）

0 引言

現(xiàn)如今，我國(guó)各地對(duì)河道違建及污染監(jiān)測(cè)查詢所運(yùn)用的方式有兩種，一是進(jìn)行人工巡查，需要消耗大量的時(shí)間和精力，且無(wú)法保證實(shí)踐操作是否可以完成所工作；二是采用衛(wèi)星遙感進(jìn)行調(diào)查，雖然覆蓋范圍較廣，應(yīng)用效率較高，但因?yàn)楹拥浪幍乩砦恢眠^(guò)于復(fù)雜，衛(wèi)星遙感影像技術(shù)的成本過(guò)高，所以在實(shí)踐發(fā)展中會(huì)因受多項(xiàng)因素的影響阻礙技術(shù)發(fā)展。當(dāng)前，無(wú)人機(jī)應(yīng)用情況相關(guān)技術(shù)在不斷創(chuàng)新中取得的優(yōu)異成績(jī)，將其和衛(wèi)星遙感影像技術(shù)融合到一起，不僅能解決以往系統(tǒng)運(yùn)行存在的難題，比如說(shuō)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完善、傳遞效率過(guò)低、難以滿足時(shí)間工作需求等，還可以根據(jù)河道管理規(guī)定范圍有針對(duì)性的獲取疑似違建信息。

1 概述

利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行實(shí)景三維巡查。其主要包含任務(wù)分為三點(diǎn)：第一，要利用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)獲取高清航拍的影像信息，并從中明確河道清河行動(dòng)排查的違法事項(xiàng)，對(duì)已經(jīng)整治的違法事項(xiàng)提出標(biāo)記，并明確其所在的具體范圍。同樣也要標(biāo)記沒(méi)有整治的違法事項(xiàng)，并利用無(wú)人機(jī)拍攝定位，獲取相對(duì)應(yīng)的影像模型資料；第二，在巡查期間掌握全新的違法事項(xiàng)，并在航拍影像資料中標(biāo)記說(shuō)明，而后利用無(wú)人機(jī)拍攝獲取所對(duì)應(yīng)的影像資料；第三，要掌握每一條河流的分界點(diǎn)，并利用航拍影像資料實(shí)施標(biāo)注[1]。

2 技術(shù)路線分析

本文研究的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，針對(duì)河道巡查進(jìn)行污染監(jiān)測(cè)所涉及到的技術(shù)路線分為：

2.1 工作準(zhǔn)備

一方面要進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。這項(xiàng)工作需要根據(jù)當(dāng)前我國(guó)對(duì)數(shù)字航空拍攝提出的規(guī)范要求進(jìn)行研究，并由此明確具體的基準(zhǔn)面高程。而拍攝區(qū)域要根據(jù)檢測(cè)區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文研究的拍攝項(xiàng)目可以選用航測(cè)的形式收集數(shù)據(jù)，且利用一條河流一個(gè)測(cè)區(qū)的方式進(jìn)行處理，從而保障實(shí)踐研究數(shù)據(jù)的有效性。另外，無(wú)人機(jī)航攝范圍覆蓋拍攝區(qū)域邊界，確保航向覆蓋超過(guò)拍攝邊界線的兩倍基線，旁向覆蓋超過(guò)拍攝區(qū)邊界通常不低于像幅的50%，最低不少于像幅的35%[2]。另一方面要進(jìn)行飛行空域的報(bào)備處理。利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行河道污染的監(jiān)測(cè)處理，屬于一項(xiàng)航測(cè)項(xiàng)目，要利用無(wú)人機(jī)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)我國(guó)規(guī)定機(jī)場(chǎng)進(jìn)出港方向的50公里以內(nèi)和進(jìn)出港左右兩邊5公里以內(nèi)、機(jī)場(chǎng)周邊5公里半徑以內(nèi)都屬于禁飛區(qū)。同時(shí)，軍事設(shè)備、看守所以及涉密單位上空等都屬于禁飛區(qū)。由此可見，在正式監(jiān)測(cè)處理前要對(duì)禁飛區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，從而保障后續(xù)工作具有合理性。

2.2 實(shí)地航空拍攝

首先要設(shè)置航測(cè)的范圍，這一形狀變化是多變的，通常要沿著河道設(shè)計(jì)，且地面分辨率和圖像重疊率能自動(dòng)生成任務(wù)。其次要設(shè)置起飛和降落，在地面控制站選擇適宜的起飛盤旋區(qū)域，將降落區(qū)域默認(rèn)成解鎖位置，而后拖動(dòng)降落盤旋至逆風(fēng)放向。最后要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在先知差分板自動(dòng)飛行后，要利用無(wú)人機(jī)全程遙控，由此實(shí)時(shí)掌控飛行參數(shù)和狀態(tài)，假設(shè)需要調(diào)整任務(wù)可以實(shí)時(shí)發(fā)送相關(guān)命令。

2.3 航片處理

結(jié)合如下圖1所示的作業(yè)流程圖分析可知，要進(jìn)行以下操作：

圖1 作業(yè)流程圖

第一，準(zhǔn)備原始資料。這項(xiàng)工作所需要的原始資料涉及到控制點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)。要想保障原始數(shù)據(jù)的有效性，在檢驗(yàn)期間所獲取的影像資料要認(rèn)真檢查是否存在質(zhì)量不合格的相片。同時(shí)，要觀察POS數(shù)據(jù)文件，避免其中的相片號(hào)和影像數(shù)據(jù)相片號(hào)不能一一對(duì)應(yīng)，此時(shí)只能選用手動(dòng)調(diào)整[3]。

第二，構(gòu)建工程并導(dǎo)入數(shù)據(jù)。首先要打開pix4dmapper，選擇構(gòu)建新項(xiàng)目，在彈出的對(duì)話框中設(shè)定工程屬性，選上航拍項(xiàng)目，并輸入工程名字，設(shè)置相應(yīng)路徑，而后選擇Next。其次要添加影像資料。點(diǎn)擊添加圖像，選擇想要加入的影像，這一內(nèi)容的路徑可以不在工程文件夾中，路徑不能包含中文，選擇Next。最后要設(shè)置影像屬性。其中涉及到圖像的坐標(biāo)系默認(rèn)為經(jīng)緯度坐標(biāo)；地理定位和方向要從文件中選擇POS文件；相機(jī)型號(hào)要利用軟件自動(dòng)識(shí)別影像相機(jī)的模型，而后在明確各項(xiàng)設(shè)置后進(jìn)行下一步。

第三，快速檢查。由于快速處理的數(shù)據(jù)結(jié)果精度較低，但相應(yīng)的速度會(huì)得到提升，所以快速處理可以在飛行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用，能在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的同時(shí)有序處理。假設(shè)快速處理失敗，那么在后續(xù)操作可能會(huì)出現(xiàn)相同，結(jié)果。點(diǎn)擊運(yùn)行選擇本地處理，在軟件運(yùn)行結(jié)束后要快速處理所獲取的影像拼圖，并檢查相應(yīng)的質(zhì)量報(bào)告。一般來(lái)講，質(zhì)量報(bào)告主要存在兩項(xiàng)問(wèn)題，一方面是指數(shù)據(jù)集，另一方面是指相機(jī)參數(shù)的優(yōu)化質(zhì)量。前者在快速處理中會(huì)匹配相應(yīng)的影像，因此只需要保障大部分影像資料都得到準(zhǔn)確匹配即可。假設(shè)沒(méi)有就代表飛行期間的相片間的重疊度不高，抑或是相片質(zhì)量過(guò)低；后者初期所獲取的相機(jī)焦距和計(jì)算獲取的相機(jī)焦距之間誤差不能超過(guò)5%，不然就代表初期選擇的相機(jī)模型存在誤差，需要工作人員重新調(diào)整。

在完成上述操作后，利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行污染監(jiān)測(cè)，還需要對(duì)最終獲取的成果進(jìn)行驗(yàn)收處理，注重將相關(guān)數(shù)據(jù)文件上交到有關(guān)部門，以此為后續(xù)調(diào)查研究提供有效依據(jù)。

3 基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的河道巡查信息系統(tǒng)開發(fā)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

要想在河道巡查污染監(jiān)測(cè)中合理運(yùn)用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，最重要的是利用地理信息系統(tǒng)構(gòu)建相應(yīng)的巡查監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下，直觀呈現(xiàn)河道周邊疑似違規(guī)的建筑信息。這樣不僅能幫助工作人員準(zhǔn)確查詢違規(guī)建筑目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息，還可以對(duì)相關(guān)圖像信息進(jìn)行統(tǒng)一管理和定位，以此保障河道巡查污染監(jiān)測(cè)工作可以有序進(jìn)行。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間，要利用B/S架構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)提取的各項(xiàng)信息，并利用JSON、Java Script技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)端功能[4]。具體如下圖1所示：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間，巡查視頻和地圖聯(lián)動(dòng)都屬于運(yùn)行管理的關(guān)鍵技術(shù)之一。換句話說(shuō)，利用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)所獲取的河道巡查特定位置，可以在系統(tǒng)地圖上進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位，由此幫助系統(tǒng)用戶實(shí)時(shí)更新。為了在系統(tǒng)運(yùn)行中科學(xué)采用所設(shè)計(jì)的各項(xiàng)模塊功能，要在解析視頻圖像地理位置的基礎(chǔ)上，利用時(shí)間軸獲取所對(duì)應(yīng)的文件信息，并將其儲(chǔ)存到系統(tǒng)當(dāng)中。而利用無(wú)人機(jī)巡查河道的過(guò)程中，要根據(jù)Ckplayer監(jiān)聽函數(shù)確定現(xiàn)階段的具體時(shí)間，得到所在的空間信息，促使用戶可以在實(shí)踐操作中準(zhǔn)確掌握實(shí)時(shí)變化的位置數(shù)據(jù)，以此為河道污染檢查奠定基礎(chǔ)保障。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

針對(duì)無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)所獲取的圖像信息構(gòu)建完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，需要利用Microsoft SQL Server2008，地理信息系統(tǒng)服務(wù)器是Super Map iS而ver8C。此時(shí)，系統(tǒng)在運(yùn)行期間可以將各地地圖的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)看作是地理地圖，促使用戶可以隨時(shí)切換不同的應(yīng)用模塊，且可以在操作中完成基礎(chǔ)信息的刪減和儲(chǔ)存等工作。

從實(shí)踐角度來(lái)看，本文概述系統(tǒng)具有以下功能：首先，巡查河道可以選用無(wú)人機(jī)、GPS定位、遙感技術(shù)等全面掌握監(jiān)測(cè)區(qū)域各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化資料，并運(yùn)用流媒體技術(shù)直接播放相關(guān)內(nèi)容，觀看視角可以清晰覆蓋河流兩岸和周邊規(guī)定范圍；其次，河流定位功能可以讓無(wú)人機(jī)嚴(yán)格按照規(guī)定航線進(jìn)行航拍，同時(shí)也可以將所標(biāo)記污染區(qū)域的地理信息傳遞到系統(tǒng)中，并根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的矢量圖可以調(diào)整為網(wǎng)絡(luò)地圖，這樣有助于系統(tǒng)用戶根據(jù)空間分析掌握河流區(qū)域的基礎(chǔ)信息，比如說(shuō)名字、所在區(qū)域、時(shí)間變化等；最后，可以查閱分析違章詳情，這一內(nèi)容會(huì)按照表格的方式呈現(xiàn)在系統(tǒng)中，其中涉及到違規(guī)建筑的區(qū)域列表、坐標(biāo)等。點(diǎn)擊定位好的違章標(biāo)記，可以直接獲取無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)所獲取的違規(guī)拍攝視頻和全景圖等內(nèi)容[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在新時(shí)代背景下，隨著河道巡查污染監(jiān)測(cè)工作越發(fā)復(fù)雜，各地在轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)管理模式的同時(shí)，開始利用現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新與優(yōu)化。無(wú)人機(jī)作為一種全新的拍攝手段，在實(shí)踐應(yīng)用中具有極強(qiáng)的靈活性和高效性，實(shí)際成本支出也非常低，將其運(yùn)用到河道巡查污染監(jiān)測(cè)工作中，不僅能獲取清晰且優(yōu)質(zhì)的全景視頻和圖片，還可以根據(jù)有關(guān)信息對(duì)違規(guī)污染區(qū)域進(jìn)行逐一排查，并由此找到存在污染區(qū)域的地理信息，而后利用地理信息系統(tǒng)對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行信息化管控。這樣既能為河道管理部門決策提供有效依據(jù)，又可以進(jìn)一步優(yōu)化河道巡查管理的工作效率和質(zhì)量。因此，在未來(lái)建設(shè)發(fā)展中，各地政府在關(guān)注河道巡查工作的同時(shí)，還要優(yōu)先選用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)構(gòu)建規(guī)范化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以此從基礎(chǔ)上保障河道質(zhì)量安全。