無人機分層測繪技術在城市河道水環(huán)境治理中的應用

張曉紅

(北票市凌河保護區(qū)管理局，遼寧 北票 122100)

近年來，隨著經濟的快速發(fā)展和人類活動范圍的持續(xù)擴大，沿海、湖泊及河流等水污染問題更加突出[1-2]。對此，我國環(huán)保部門提出了一系列的整治措施和保護對策，而監(jiān)測是水環(huán)境治理的重要依據(jù)，逐漸成為水文水資源領域的研究熱點[3]。

河流具有休閑、抗旱、防洪、供水等重要功能，但河道水環(huán)境因城鎮(zhèn)化的快速推進面臨著嚴峻的形勢，如城市垃圾、工業(yè)廢水和淤積等污染來源較多，對其比較常用的治理方法有微生物治理、自然修復等，這些治理方法重在提升水質，短期內效果明顯而后續(xù)發(fā)力，并且整體監(jiān)測效果較差[4]。鑒于此，本文對城市河道復雜的大范圍測繪問題，利用無人機分層測繪技術進行簡化，通過利用完整的監(jiān)測體系輸出監(jiān)測成果，并針對河道水環(huán)境監(jiān)測重點提出有針對性的預防和治理措施。

對于河道有關資料無人機測繪需要分層次整理和分類，通過分類測繪和輸出為河道治理提供相應的對策。目前，無人機定位和定點測繪已比較成熟，但分層測繪特定區(qū)域還存在許多不足。所以，結合實際測繪項目研究無人機分層測繪技術，可為城市水環(huán)境治理和保護提供一定指導。

1 無人機分層測繪技術

1.1 測繪設備

本文主要是利用TrimbleUX5型無人機測繪設備，系統(tǒng)構成主要有內業(yè)、外業(yè)和硬件3部分，并具有操作流程簡便、系統(tǒng)設計先進、硬軟件兼容性好、天氣環(huán)境依賴小、飛行穩(wěn)定等優(yōu)勢。為保障測繪數(shù)據(jù)的精準度配備了EPS數(shù)據(jù)處理軟件，具體流程如圖1。

1.2 測繪方法

一般地，無人機分層測繪技術需要有地圖配準、遙感影像合成、傾斜攝影3項輔助技術配合，以城市測量規(guī)范作為技術的參考標準，測量影像的合成利用Pix4Dmapper實現(xiàn)。測繪過程中主要利用點云成像算法，測繪流程如下：

步驟一：邊界條件的設定?？紤]實際測繪需求合理劃分測量范圍內待測點的層次，河道兩側構筑物可以劃分成市政、商用或民用建筑。

步驟二：水污染層次的劃分。將水污染劃分成工業(yè)、農業(yè)、生活三類污染或面源和點源兩類污染，并按照劃分的層次測量。

圖1 測繪流程

步驟三：建立測繪電位坐標。合理定位不同層次的測繪對象，以便規(guī)劃無人機測繪路線和點位抓取，利用點位和坐標完成相應的測繪，部分監(jiān)測點高程精度與平面精度如表1。

通過分層測繪能夠輸出不同類別或層次的測繪成果，然后利用Pix4Dmapper軟件疊加各類別或層次的測繪成果，從而生成最終的測繪數(shù)據(jù)。因此，獨立的測量元素保證了不同測繪成果的彼此獨立性，經疊加處理所獲取的測繪圖具有較高的清晰度和精準度。

2 實例應用

2.1 區(qū)域概況

目前，北票市區(qū)各個街道基本實現(xiàn)了垃圾集中堆放集中處理，但部分區(qū)域垃圾的處理不及時，尤其在郊區(qū)，居民生產生活垃圾隨意堆棄于戶外，不但嚴重影響到城市景觀，在暴雨、大風天氣情況下，更會污染河道或是擴散到城區(qū)。

本文以北票市岳家溝河道為例，驗證無人機分層測繪技術的可行性和適用性。研究河段位于北票市城郊五間房鎮(zhèn)境內，地處遼西低山丘陵區(qū)大凌河中游，地形地貌復雜，長期水蝕作用致使地形破碎，河谷、丘陵和山地相間，地面坡度處于5°～20°之間，測繪前準備見圖2，實物測繪見圖3。調查顯示，沿河兩岸排污設施復雜，房屋較多，水污染問題突出，其中工業(yè)污水為河道水污染主要來源，并且富營養(yǎng)化問題日趨突出。因此，有必要精準識別河道及其周邊水質情況，通過明確水污染所造成的影響和具體需要治理的區(qū)域，為下一步河道整治提供一定參考。

表1 高程精度和平面精度

圖2 測繪前準備 圖3 實物測繪圖

沿東南至西北方向利用無人機開展測繪工作，并考慮續(xù)航時間、污染程度、地形條件等因素合理劃分區(qū)域和點位。本次測繪共設置航線26條，搭載索尼NEX5型相機，焦距20 mm，拍攝影像圖近400張，旁向和航向重合度達到85%，以保證測繪精度。根據(jù)有關規(guī)范要求，測繪過程中無人機最高和最低飛行高度為220 m、200 m。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將無人機測繪數(shù)據(jù)利用運算流程直觀、操作簡單的UAS master軟件進行后處理，以此獲取測繪模型和影像等成果?？傮w上，可以將數(shù)據(jù)處理劃分成預處理、空三加密和平差、像控點測量等步驟。首先，創(chuàng)建新工程并在初始界面導入測繪數(shù)據(jù)，經轉換計算等實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的預處理；為了獲取重合影像的連接點利用軟件空三加密處理數(shù)據(jù)，在此基礎上確定各影像的相對位置，然后經自動平差計算實現(xiàn)影像效果較差區(qū)域與連接點的有效匹配；最后，將上述成果利用軟件自帶的像控點做進一步的校正。

2.3 測繪分析

疊加排污口等污染點源的灰度矩陣、影像數(shù)據(jù)、角度、高度、坐標等測繪信息，差異化處理并識別各點污染的測繪結果。污染程度利用顏色的深淺來衡量，即隨著顏色的加深污染程度加重，污染物的影像范圍和排放量利用點位的大小來衡量，即污染物影像范圍和排放量隨點位的增大而增加。

面源測繪與點源測繪相比更加復雜，由于沒有特定的面源半徑和點位，并且以養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)和農業(yè)所造成的污染為主，經水渠或支流污染物匯流至河流，其覆蓋面積、分布范圍更加廣泛，所面臨的情況也更復雜。采用無人機測繪面源污染情況時，首先要保證測繪半徑的合理性，初步測繪邊界條件，在此基礎上識別出主要測繪區(qū)，采用交叉測量的方式確定出重點測繪區(qū)，最后將測繪數(shù)據(jù)利用線性加權內插法處理，從而生成大小不同、顏色深淺差異明顯的測繪點位，對河道污染情況進行精準地判別。點源和面源污染測繪如圖4，根據(jù)測繪點位，可為河道后期治理提供數(shù)據(jù)支持，實踐表明無人機分層測繪具有明顯的效果和應用優(yōu)勢。

圖4 河道污染測繪圖

3 結語

本文探討了城市河道現(xiàn)狀測繪中無人機分層測繪技術的應用，主要結論如下：

(1)無人機分層測繪技術具有較高的測繪精度，合理劃分河道層次和類別，突出強調測繪的重點，在實現(xiàn)水污染現(xiàn)狀精準識別的同時抓取面源、點源污染要素，從而生成高精度測繪成果。

(2)將不同類別和層次的測繪成果利用UAS master軟件疊加得到綜合成果，為河道綜合治理和分析提供數(shù)據(jù)支持。對于城市河道現(xiàn)狀調查，研究成果提供了一種新的途徑，但未來仍需進一步深入研究無人機三維立體化實景展示技術。