無人機(jī)和GIS 技術(shù)在河道巡查中的應(yīng)用

趙 瑞

（曹縣環(huán)境衛(wèi)生服務(wù)中心，山東 曹縣 274400）

無人機(jī)技術(shù)的靈活性比較強(qiáng)，且其技術(shù)的使用成本比較低，在眾多優(yōu)勢因素的影響下，能夠借助無人機(jī)技術(shù)得到較為高清的河道視頻以及全景照片，排查疑似涉水違法的建筑設(shè)施，找出疑似違建對象的具體地理位置以及特征等。應(yīng)用無人機(jī)和GIS 技術(shù)開發(fā)使用河道違建管理系統(tǒng)，并對這部分疑似違建對象成果進(jìn)行高效的信息監(jiān)管。這一技術(shù)和傳統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行對比，其不管是效率還是質(zhì)量方面都會(huì)有所提升，并且在后續(xù)使用的過程中，能夠打破無人機(jī)性能方面的限制，其效率的提升空間會(huì)比較大，有助于開展無違建河道等相關(guān)創(chuàng)建工作，應(yīng)該進(jìn)一步的推廣及使用該項(xiàng)技術(shù)。

1 問題提出背景

當(dāng)前，我國某省水利廳已經(jīng)開展了無違建河道的工作，想要進(jìn)一步的加快該項(xiàng)工作的創(chuàng)建進(jìn)程，相關(guān)的河道管理部門就需要實(shí)地勘測，摸底調(diào)查河道的實(shí)際狀況，從而全面且精確的掌握違建的信息。在傳統(tǒng)的調(diào)查模式下，其所使用的方法主要是人工巡查以及衛(wèi)星遙感影像，其中使用人工進(jìn)行巡查時(shí)，所耗費(fèi)的人力以及物力資源會(huì)比較多，并且人工巡查工作的開展效率會(huì)比較低，實(shí)際工作實(shí)施周期和時(shí)間較長，并不能達(dá)到理想的預(yù)期目標(biāo)。應(yīng)用衛(wèi)星遙感影像開展調(diào)查工作的效率會(huì)比較高，同時(shí)其還具備全面覆蓋等優(yōu)勢，但是一些地區(qū)的河道蜿蜒曲折，所需要調(diào)查的范圍比較廣，這一影像獲取的資金費(fèi)用較高，并不能及時(shí)的進(jìn)行更新，所以其在實(shí)際應(yīng)用階段會(huì)受限。近些年來，我國無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨于成熟，特別是在低空數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域及所產(chǎn)生的作用尤為關(guān)鍵，可以供給航空衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對其數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和完善，因此需要分析無人機(jī)和GIS 技術(shù)在河道巡查中的應(yīng)用，利用該技術(shù)巡查河道，構(gòu)建巡查體系，賦予河道違建管理工作更強(qiáng)的信息化特性。

2 河道巡查中無人機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理

2.1.1 前期準(zhǔn)備

無人機(jī)在采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息之前，必須要巡查河道，收集整合與其相關(guān)的資料數(shù)據(jù)，并對巡查區(qū)域的河流走向以及地形地貌等狀況進(jìn)行全面化的分析，掌握其重要設(shè)施的實(shí)際情況，規(guī)劃實(shí)際巡查路線，并設(shè)定好巡查的日期。在到達(dá)現(xiàn)場之后，針對可能影響到飛行的危險(xiǎn)因素進(jìn)行全面的排查，其會(huì)涵蓋技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)等，要明確的注明飛行航路上的高層建筑、橋梁以及電力線路等。特別是電氣化、高鐵等對于數(shù)據(jù)信息的干擾影響，探明其周圍是否存在軍用設(shè)施等相應(yīng)的敏感區(qū)域。

2.1.2 視頻拍攝與處理

在使用無人機(jī)巡查拍攝河道資料時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇晴朗的天氣，其濃見度要超過五千米，控制好飛行的高度，讓其處于相對高度50 米至100 米的范圍，這樣才可以保障其分辨率達(dá)標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)場河流的實(shí)際寬度，對其飛行高度進(jìn)行調(diào)整，必須要保障其巡查拍攝覆蓋的范圍足夠充裕，并且無人機(jī)在飛行階段不能劇烈的抖動(dòng)或者急轉(zhuǎn)彎等。[1]拍攝視頻時(shí)，要應(yīng)用GPS等系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的定位，同步采集相應(yīng)的飛行路徑，視頻成果應(yīng)用非線性視頻編輯軟件，比如AfterEffects或者EDIUS 等軟件進(jìn)行剪輯，將無關(guān)的內(nèi)容刪掉，保留好重要的視頻。目標(biāo)內(nèi)容在精剪或者初剪原始素材之后，要重新確認(rèn)視頻沒有存在任何的遺漏點(diǎn)，切實(shí)的保障視頻發(fā)布格式的質(zhì)量。通過觀看這部分視頻，能夠?qū)Ρ瘸鲚^為明顯的地物，讓其能夠始終處于流暢的環(huán)境下，盡可能地提高其拍攝視頻的真實(shí)性以及清晰度，針對其實(shí)際查到的疑似違法建筑設(shè)施提取視頻資料，同時(shí)跟蹤標(biāo)注好這部分疑似違法的建筑設(shè)施。

2.1.3 空中全景拍攝與處理

在使用無人機(jī)全景拍攝重點(diǎn)區(qū)域的階段，實(shí)際的飛行高度必須要以航拍地點(diǎn)的地形等為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，必須要確保其拍攝能夠覆蓋整個(gè)拍攝區(qū)域。結(jié)合實(shí)際拍攝天氣以及光線等環(huán)境狀況，適度調(diào)整相機(jī)拍攝參數(shù)，防止其畫面曝光，要確保畫面沒有噪點(diǎn)，以無焦距偏移為拍攝的準(zhǔn)則，多幅影像航攝參數(shù)必須要保持高度的一致性。[2]在現(xiàn)場拍攝的階段，檢驗(yàn)航拍數(shù)據(jù)，如果其數(shù)據(jù)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，那么就必須要對航拍的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，一直到其參數(shù)能夠達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。在具體作業(yè)時(shí)，無人機(jī)需要長期的穩(wěn)定在某一高度上空懸停，由作業(yè)人員觀測監(jiān)控器，每張平面照片要設(shè)置最少十分之七的重合部分，拍攝五圈約33 張照片。應(yīng)用KolorAutopanoGiga、Pano2vr 等相應(yīng)的軟件制作全景圖，之后再使用Photoshop 軟件，調(diào)整全景照片的色溫以及色調(diào)。通過調(diào)整陰影、對比度等相關(guān)的參數(shù)，讓全景圖的色彩變得更好，同時(shí)還可以保障其拍攝資料的清晰度。在拼接圖片時(shí)，必須要預(yù)覽拼接的結(jié)果，并實(shí)時(shí)的調(diào)整其拼接的狀態(tài)，必須要保證無縫銜接，沒有任何的重影，針對不能拍攝到的天頂區(qū)域，要從地面位置去補(bǔ)拍天空或者在后期去合成天空的素材。

2.2 河道疑似違建信息判別和提取

首先，堤腳線清晰明朗，要以堤腳線為基礎(chǔ)，在其范圍當(dāng)中去排查疑似的違法建筑設(shè)施。

其次，現(xiàn)狀堤腳線不能進(jìn)行判別時(shí)，那么臨河緊鄰河道構(gòu)建的建筑設(shè)施會(huì)被當(dāng)作疑似違法建筑設(shè)施。

最后，現(xiàn)狀堤腳線不能進(jìn)行判別時(shí)，緊鄰河道的距離為七米，所構(gòu)建而成的獨(dú)立建筑設(shè)施被當(dāng)作疑似違法建筑設(shè)施。針對這部分疑似違法建筑設(shè)施，要結(jié)合視頻影像資料，從中提取出關(guān)鍵的圖片，并在圖片中標(biāo)注出相應(yīng)疑似違法建筑設(shè)施，在GoogleEarth 中提取一系列的坐標(biāo)信息，應(yīng)用ArcGIS 軟件計(jì)算出面積，同時(shí)調(diào)查疑似違法建筑設(shè)施的坐落位置，將相關(guān)的違法建筑設(shè)施信息填寫表中，要明確注明建筑設(shè)施的具體面積以及位置圖等[3]。

3 基于GIS 的河道巡查系統(tǒng)開發(fā)

3.1 GIS 信息管理系統(tǒng)的建設(shè)

3.1.1 空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫建設(shè)

構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫的目的就是為了能夠高效合理的管理空間數(shù)據(jù)庫，利用其所存儲(chǔ)的空間數(shù)據(jù)引擎，供給應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)。屬性數(shù)據(jù)庫主要是用來管理非空間的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)調(diào)整屬性數(shù)據(jù)庫以及空間數(shù)據(jù)庫之間所存在的連接關(guān)系，保持二者的良好對應(yīng)狀態(tài)，讓屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)較好地連接在一起，防止其出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸斷裂等方面的問題。

3.1.2 空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的錄入

系統(tǒng)需要錄入屬性信息以及整治信息、評估信息、地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息等這部分動(dòng)態(tài)空間數(shù)據(jù)內(nèi)容，同時(shí)其還具備較強(qiáng)的編輯功能，需要在作業(yè)時(shí)分析業(yè)務(wù)的實(shí)際發(fā)展，需要構(gòu)建數(shù)據(jù)空間關(guān)系，將數(shù)據(jù)信息合并在一起，歸納整理各類數(shù)據(jù)信息，及時(shí)的開展空間關(guān)系調(diào)整等各類具體操作活動(dòng)。屬性信息會(huì)受到時(shí)間節(jié)點(diǎn)的變化而產(chǎn)生改變，要錄入屬性信息，發(fā)揮出其編輯的功能，將其所編輯之后的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，讓其能夠和臺賬信息管理系統(tǒng)保持共用的狀態(tài)。

3.1.3 現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理和錄入

想要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的數(shù)據(jù)庫管理目標(biāo)，就必須要高效地處理現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息，例如可以在開展河道治理工程時(shí)，利用CAD 文件讓其能夠改動(dòng)生成為SHAPE 圖形文件等。

3.2 系統(tǒng)具有的主要功能

首先，系統(tǒng)可以錄入數(shù)據(jù)信息，其所錄入的數(shù)據(jù)信息會(huì)包含屬性信息以及空間信息等，對這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行補(bǔ)充或者編輯的處理。

其次，系統(tǒng)具備信息發(fā)布的功能，其能夠?qū)傩孕畔⒁约爸卫砜臻g等數(shù)據(jù)信息整合在一起，統(tǒng)一性地進(jìn)行發(fā)布，這樣各級的用戶就能夠利用該系統(tǒng)瀏覽并查閱和安全評估排查等相關(guān)工作的內(nèi)容。

再次，系統(tǒng)具有信息查閱的功能，其查閱的結(jié)果較為多元化，能夠選擇更為豐富的形式輸出最終的查閱結(jié)果。不管是表到圖，還是圖到表的查閱，功能都會(huì)較為便捷。

最后，系統(tǒng)具備信息統(tǒng)計(jì)的功能，可以統(tǒng)計(jì)分析排查信息以及管養(yǎng)信息等。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

河道巡查管理體系離不開計(jì)算機(jī)軟件的支持，以GIS 技術(shù)為基準(zhǔn)，在衛(wèi)星地圖上顯示出河道的疑似違建信息，可以統(tǒng)一化的管理這部分疑似違建對象的屬性資料，并快速的查詢相應(yīng)的視頻以及全景成果，使得各項(xiàng)工作的開展便捷性優(yōu)勢更強(qiáng)，可以協(xié)助監(jiān)督河道的拆違控違工作開展現(xiàn)狀，該系統(tǒng)實(shí)行B/S 架構(gòu)，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)飛行路徑、疑似違建等一系列的信息，使用JavaScript 等相關(guān)技術(shù)去開發(fā)網(wǎng)頁端的功能。[4]地圖聯(lián)動(dòng)以及河道巡查視頻是該系統(tǒng)當(dāng)中較為重要的一類技術(shù)，在視頻內(nèi)河道巡查至指定位置后，地圖能夠動(dòng)態(tài)性的定位，達(dá)到聯(lián)動(dòng)更新的目的，這樣可以賦予地圖以及視頻聯(lián)動(dòng)的功效。要對視頻當(dāng)中的地理空間位置進(jìn)行解析的處理，結(jié)合時(shí)間軸繪制相關(guān)的字幕文件，將地理空間位置信息存儲(chǔ)到其中，該系統(tǒng)在播放視頻資料時(shí)，可以使用流媒體插件Ckplayer 的監(jiān)聽函數(shù)，將其當(dāng)前播放的時(shí)間信息截取出來，動(dòng)態(tài)刷新地圖的位置點(diǎn)。

3.4 系統(tǒng)信息的動(dòng)態(tài)編輯與更新

當(dāng)前，我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度極快，這就使得各類基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)度越來越快，尤其是在水污染治理方面，大量地開展河流綜合治理等各項(xiàng)水利工程活動(dòng)，分解治水提質(zhì)等各項(xiàng)任務(wù)，這樣河道基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)信息以及相關(guān)的隱患排查數(shù)據(jù)內(nèi)容就會(huì)產(chǎn)生很大的變化，往往會(huì)處于一種動(dòng)態(tài)的分布狀況，要應(yīng)用其系統(tǒng)所開發(fā)研制出的數(shù)據(jù)編輯功能，編輯并處理屬性以及空間信息，確保河道空間信息能夠及時(shí)的反饋出河道的最新動(dòng)態(tài)，賦予其系統(tǒng)更強(qiáng)的生機(jī)及活力。

3.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與展示

當(dāng)前，人們的生活質(zhì)量越來越高，這就使得水資源使用率以及水資源的需求矛盾問題變得越來越嚴(yán)重，我們需要合理的借助信息技術(shù)方式來緩解這一矛盾，探索GIS 技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)信息化的具體表現(xiàn)方式，將其技術(shù)投入到河道巡查工作當(dāng)中，能夠使其工作的范圍變得更大，同時(shí)應(yīng)用的深度也會(huì)變得越來越深。當(dāng)前，我國河道巡查的使用方式已經(jīng)能夠由原本的單一性可視化使用過度發(fā)展為將預(yù)測、模擬等多項(xiàng)功能整合在一起的復(fù)雜性使用，并且其功能也會(huì)變得更加的豐富，能夠分析比較各類地理信息變化，統(tǒng)一打包使用空間分析以及數(shù)據(jù)收集等多項(xiàng)功能。合理的應(yīng)用GIS 和無人機(jī)系統(tǒng)，能夠幫助河道巡查人員開展項(xiàng)目的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，同時(shí)還可以對河道工作的過程以及質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的管控，整體工作的效率會(huì)比較高，可以促進(jìn)我國河道巡查工作的開展。該河道巡查系統(tǒng)會(huì)將網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)當(dāng)作地理的底圖，在影像地圖以及矢量地圖之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其帶有較強(qiáng)的基礎(chǔ)地理信息操作性能，河道巡查的成果展示功能會(huì)比較豐富。

首先，其能夠巡查河流，完善無人機(jī)空中的視頻，并借助流媒體等多項(xiàng)技術(shù)去播放。多旋翼無人機(jī)采集的河道上，空線性收集整合的視頻資料，其視角的應(yīng)用可以較為清晰且完整的覆蓋規(guī)定范圍當(dāng)中的建筑設(shè)施狀況，同時(shí)還可以較為直觀的反饋出河流的概貌。

其次，河道巡查具備河流定位的功能，可以把河流的矢量圖形發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)，應(yīng)用GIS 的空間分析功能，查詢河流的名字，精確河流圖形的具體位置點(diǎn)，對其進(jìn)行定位的處理。

最后，河道巡查能夠查看違章的詳情狀況，應(yīng)用表格的方式，將河流的違章詳細(xì)情況完整的展示出來，其會(huì)涵蓋違章點(diǎn)的違章建筑標(biāo)記、違章點(diǎn)二級定位等各項(xiàng)信息，方便觀看違章段的視頻以及相應(yīng)的展示界面。

4 結(jié)語

河道巡查是水務(wù)管理工作的一項(xiàng)重要任務(wù)，目前國內(nèi)外在這方面的信息系統(tǒng)都較為缺乏，國家也沒有提供相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范，水務(wù)行業(yè)其他信息系統(tǒng)建設(shè)也較為不足，通過建設(shè)該系統(tǒng)可以對原有數(shù)據(jù)資源進(jìn)行有效整合，建立起標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、格式一致、查詢檢索便捷、擴(kuò)充性強(qiáng)的河道GIS 平臺，為后繼的其他相關(guān)業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一入口，也為目前的河道管理工作提供技術(shù)支持，提高工作效率。我國無人機(jī)技術(shù)的使用范圍以及應(yīng)用頻率比較高，同時(shí)GIS 技術(shù)也會(huì)在其領(lǐng)域當(dāng)中彰顯出其技術(shù)自身的作用，將GIS 技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)整合在一起，能夠進(jìn)一步推動(dòng)我國水利行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，幫助水利行業(yè)調(diào)查流域、減災(zāi)、防災(zāi)等，同時(shí)提供給水利工程管理工作更為優(yōu)質(zhì)、高效的服務(wù)。