无人机和GIS技术在河道巡查中的应用

羊海东 ，邹宏亮

（1.浙江省河海测绘院，浙江 杭州 310008；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

近年来，在浙江省政府实施“五水共治”战略、全面实施“河长制”的大背景下，浙江省水利厅开展“无违建河道”创建工作。为了推进无违建河道的创建，河道管理部门需要对河道进行摸底调查、掌握违建信息，传统调查方法主要有2种:①采用人工巡查方式进行调查，需要投入大量的人力、物力、财力，且存在效率低下、实施周期长等问题，不能很好地达到预期目标；②利用卫星遥感影像进行调查，虽然具有效率高、覆盖全面等特点，但由于河道曲折、范围广，卫星遥感影像获取成本高、更新不及时，在实际应用中有一定限制。

随着无人机技术日渐成熟，在低空数据采集方面作用越来越重要，能够为低空卫星遥感数据和航空卫星遥感数据提供有效的补充[1]。本文探讨利用无人机技术进行河道巡查，拍摄河道流域视频和重点区域照片，根据河道管理范围提取疑似违建信息，并基于GIS技术开发河道违建巡查系统，实现河道违建管理的信息化。

2 河道巡查中无人机数据采集与处理

2.1 无人机数据采集和处理

2.1.1 前期准备

无人机数据采集前，需充分收集与巡查河道有关的地形图、影像等资料数据，了解巡查区域河流走向、堤防（护岸）、地形地貌、气象条件以及机场重要设施等情况，规划巡查路线、根据气象条件确定巡查日期。到达现场后，对可能影响飞行安全的危险因素进行排查，包括环境风险、人力风险、质量及技术风险[2]，标注飞行航路上的高层建筑、电力线路，跨越的大型建筑、桥梁、高速公路、铁路，尤其是电气化高铁，移动通信塔等对数据链信号有干扰设施；以及探明有无机场、军用设施等敏感区域。

2.1.2 视频拍摄与处理

无人机进行河道巡查拍摄时，尽量选取天气晴朗时进行，能见度5 km以上；飞行高度一般控制在相对高度50 ～150 m，以确保足够分辨率，并具体根据现场河流宽度进行调整，保证覆盖范围；无人机飞行过程中，避免急转弯和剧烈抖动。视频拍摄时，利用GPS等定位设备同步采集飞行路径。

视频成果使用非线性视频编辑软件如EDIUS、AfterEffects等，进行部分剪辑，去除无关部分，保留主要航摄目标部分。对原始素材进行初剪、精剪完毕后，确认视频无遗漏，保证发布格式视频的质量，通过视频能够比较明显的分清地物，在保证播放流畅的条件下提高清晰度与真实性。对排查到的疑似违法建筑物（判别方法见本文“2.2河道疑似违建信息判别和提取”）进行视频截取，并在视频中对疑似违法建筑物进行跟踪标注处理。

2.1.3 空中全景拍摄与处理

无人机对重点区域进行全景拍摄时，飞行高度依据实际航摄地点地形确定，保证覆盖全部区域；相机航摄参数应依据光线、天气等环境进行适当调整，以画面曝光均匀、无噪点、无焦距偏移为准则，多幅影像航摄参数应保持一致。现场拍摄时，应及时检验航摄数据，若存有数据质量不佳，应重新调整航摄参数，直到符合要求为止。具体方法为:无人机稳定在一定的高度上空悬停，操作人员注视监控器，遵循每张平面照片至少30%的重合部分，拍摄5圈共33张照片，即前4圈为云台向天空30°、水平0°、向地30°、向地60°三个方向，间隔45°自转拍摄8张照片；最后云台向地90°方向拍摄1张拍照。

使用Kolor AutopanoGiga、Pano2vr等软件制作全景图，再用Photoshop对全景照片进行色温、色调、曝光、对比度、阴影、亮光、饱和度等一系列参数的调整，使得全景图的清晰度、色彩等达到较好的效果[3-4]。图片拼接时应对拼接结果进行预览和实时调整，要求无拼接缝、无重影等。对于无法拍摄到天顶部分，需要在地面对天空补拍，或后期找天空素材合成。

2.2 河道疑似违建信息判别和提取

2012年1月1日起施行的《浙江省河道管理条例》第十八条[5]对河道管理范围作了明确要求。根据该要求，判别疑似违法建筑物可分为3类:一是现状堤脚线清晰，以堤脚线为基准，在堤脚线以内的排查为疑似违法建筑物；二是现状堤脚线无法判别的，临河而建的建筑物视为疑似违法建筑物；三是现状堤脚线无法判别的，临河一定距离（一般是7 m）而建的独立建筑物视为疑似违法建筑物。3种疑似违法建筑物类型见图1。

图 1 3 种疑似违法建筑物类型图

对于疑似违法建筑物，根据视频资料截取关键图片，在图片中划出相关疑似违法建筑物，同时在Google Earth中提取相关坐标信息，通过ArcGIS软件进行坐标提取和面积计算，对疑似违法建筑物的坐落位置进行调查，并填写疑似违法建筑物信息表（见图2），标明违法信息名称、位置描述信息、坐标信息、面积、备注和位置图。

图2 疑似违法建筑物信息表示例图

3 基于GIS的河道巡查系统开发

3.1 系统设计与关键技术

河道巡查管理系统在计算机软硬件的支持下，基于GIS技术实现河道疑似违建信息在地图上的空间显示，实现疑似违建对象属性信息、视频、全景成果统一管理和快速查询、定位，有助于督查河道的拆违控违。系统采用B/S架构，利用数据库存储巡查河道、疑似违建、飞行路径等信息，网页端采用JavaScript、JSON等技术进行功能开发，系统设计见图3。

图 3 系统组织结构图

河道巡查视频与地图联动是本系统的一项关键技术，即视频中河道巡查到特定位置时，在地图上能够动态定位，实现联动更新。为实现视频、地图联动功能，需要对巡查视频进行地理空间位置解析，根据时间轴制作字幕文件，存储地理空间位置信息。系统在播放河道巡查视频时，利用流媒体插件Ckplayer的监听函数获取当前播放时间，读取地理空间位置，动态刷新地图位置。监听函数关键代码如下:

var xmlDoc = loadXML(strXml)；

var arr = parseXml(xmlDoc，t)；

if (t ＞ -1) {

CKobject._K_(‘nowTime’).innerHTML = ‘当前播放的时间点是:’ + t + arr[0] + arr[1]；

DituRefresh(arr[0]，arr[1])；}；

系统基于Krpano进行全景展示时，可利用Krpano与客户端的相互调用机制，通过Krpano.call（“loadscene（“+sceneName+”，null，MERGE）”）等接口，实现地图位置与全景场景的联动。

3.2 系统实现与展示

河道巡查系统数据库采用Microsoft SQL Server2008，GIS服务器为Super Map iServer8C。系统引用浙江天地图的网络切片服务作为地理底图，可在矢量地图与影像地图间进行切换，具备基础地理信息操作功能。河道巡查成果展示功能具体包括:

（1）巡查河流完整无人机空中视频，采用流媒体技术播放多旋翼无人机采集的沿河道上空线性采集的视频，视角能清晰覆盖河流两岸及周围规定范围内的建筑情况，直观地反映河流概貌。

（2）河流定位功能，将河流的矢量图形发布成网络地图服务，采用GIS的空间分析功能，通过河流的名字查询定位到河流图形的具体位置。

（3）违章详情查看，以表格形式展示河流的违章详情，包括违章点列表、特征点坐标、违章点二级定位，通过定位到的违章建筑标记，可以打开违章段视频、全景、图片的展示界面。

系统界面见图4。

图 4 浙江省河道巡查管理系统图

4 结论和展望

利用无人机技术高效、机动灵活、低成本的优点，获取河道高清视频和重点区域全景照片，开展疑似涉水违法建筑物排查，提取河道疑似违建对象的地理位置、特征坐标、视频、全景等数据，并基于GIS技术开发河道违建管理系统，实现疑似违建对象成果的信息化管理，为河道管理部门提供宏观辅助决策支持。本技术相较于传统方法，其效率有了很大的提升，在后续应用中，若突破无人机性能限制，其效率还有进一步提升的空间。此外，本技术已在浙江省级河道巡查中成功应用，并得到河道管理部门、水政执法部门的肯定，有助于开展“无违建河道”创建工作，值得进一步推广和应用。

目前，无人机技术已得到广泛的发展和应用，GIS技术也在各行各业发挥着积极的作用。两者的结合，也能在水利行业更好地为防灾减灾、流域调查、水利工程管理等方面提供更加高效、快捷、优质的服务，助力浙江省水利事业的发展。