无人机测绘技术于河道采砂监管中的应用

摘  要：非法河道采砂严重影响防洪、供水、航运和水生态安全。传统河道采砂监管方法面临着监管区域广、专职人员少、证据收集难等困难。文章提出一种基于无人机测绘技术的采砂行为监测方法，通过低空航拍测量快速获取采砂区域影像，制作高精度影像和三维模型，确定疑似非法采砂点的位置、面积、堆沙量等信息，为河道采砂行为的监测和管理提供一种新高效经济的技术手段。

关键词：河道采砂监管;无人机;影像;三维模型

中图分类号：TP79;P237       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）20-0042-05

Application of UAV Mapping Technology in River Sand Mining Supervision

FU Huasheng

（Fujian Provincial Investigation，Design & Research Institute of Water Conservancy & Hydropower，Fuzhou  350001，China）

Abstract：Illegal river sand mining seriously affects flood control，water supply，shipping and water ecological security. The traditional river sand mining supervision methods are faced with many difficulties，such as wide supervision area，few full-time staff and difficult evidence collection. In this paper，a monitoring method of sand mining behavior based on UAV mapping technology is proposed. Through low altitude aerial photogrammetry，the image of sand mining area can be quickly obtained，and the high-precision image and 3D model can be made to determine the location，area and sand accumulation of suspected illegal sand mining points，which provides a new efficient and economic technical means for the monitoring and management of river sand mining behavior.

Keywords：river sand mining supervision;UAV;image;3D model

0  引  言

河道采砂是指在河道管理范圍内采挖砂、石、土等活动。砂石作为工程建设中重要的建筑材料，随着我国和福建省经济发展，其需求量逐渐增加，供需矛盾刺激了河道采砂业的发展。近年来未经许可在河道管理范围内采砂、不按许可要求采砂、在禁采区或禁采期采砂、未经批准在河道管理范围内取土等非法采砂行为常有发生。河道采砂容易破坏河床、河堤和附属水利设施，关系防洪和通航的安全，同时造成河水污染，水环境及水生物环境改变，影响饮水安全和河道生态环境。超范围、超深度、超时限、超量的非法采砂对防洪、供水、航运和水生态安全影响尤为严重，迫切需要对河道采砂进行监管，避免非法开采。然而目前，河道采砂监管工作主要是以执法船只或车辆巡逻的方式进行，面临着监管区域广、专职人员少、证据收集难等困难，采砂现场经常出现采砂量和采砂范围难以控制等问题，急需新的科学技术和监管手段进行河道采砂行为的监测和管理，确保河道采砂行业的绿色发展，故福建省水利厅与本单位合作使用无人机测绘技术辅助河道采砂管理。

无人机测绘技术以无人机为载体，搭载数码相机等设备快速获取高分辨率数字影像和高精度定位数据，能够快速生成数字高程模型、正射影像图、数字地表模型、三维实景模型数据，现已广泛用于国家重大工程建设、灾害应急处理、国土、水利监察等领域。相对于传统人工或卫星遥感监测手段，无人机测绘技术在实际应用中起飞条件较低、装配时间短，能够快速获取监察区域的空间信息，具有高效率、低成本、高精度等优势，为山区等地形复杂区域的采砂监管提供了强有力的技术支撑。为加强河道采砂监管，提升采砂监管技术水平，克服人工发现问题的不足，结合无人机与航空摄影测量技术，通过无人机搭载数码相机实时获取监测区域数字影像，利用摄影测量技术制作该区域数字正射影像图及三维模型，并结合遥感数据分析确定疑似非法采砂点的信息，在保证监测速度的同时保证监测数据的精度，为早发现、早制止、早处置违法采砂活动提供技术和数据支持。

1  基于无人机测绘技术的河道采砂监测方法

作为一种新型测绘技术，无人机测绘技术能在航拍过程中，记录定位和飞机姿态信息，通过空中三角测量解算空间立体模型，建立影像与对应目标之间的几何关系。随着GPS辅助光束法平差技术的进步，使得无人机航空摄影测量可以实现在免像控的基础上保证最终空三平差结果的精度，极大地减少了外业的工作量。对无人机遥感图像即数字正射影像进行判读和解译，并将所获取到的采砂点及堆砂点的位置及相关证据提交给监管部门，有助于监管人员迅速到达采砂现场进行监察和处置。

在河道采砂监管中，无人机测绘技术的主要工作步骤为：

（1）前期准备。依据管理部门公布的河道采砂计划和区域，确定监管河道范围，确定可采区范围及可采期时间，确定所属区域的空域管控要求，办理飞行备案。同时确定该区域的气象条件，视飞行时间和情况确定无人机机型。考察河道区域地形条件，选择平坦、坚固、无遮挡的起降场地，制定飞行计划。

（2）无人机外业测量。根据监管河道范围，按照飞行路线涉及范围内的建筑高度规划航线高度，依据季节和風向确定航线方位角。依据采沙场图斑块大小确定影像分辨率和影像重叠度，设置相机ISO值。飞行过程中确保RTK开启，关注RTK信号、图传信号、电池电量等信息，全程人工监测，随时人工干预确保安全飞行。飞行后检查数据质量。

（3）监测区域正射影像和三维模型制作。将外业获取的影像，利用PhotoScan、ContextCapture Center Master等软件对无人机获取的影像进行空三加密生成数字正射影像，重建监测河道区域内的三维模型。

（4）非法采砂点解析。对内业制作的正射影像和三维模型进行解译，确定采砂点及堆砂点。并测量采砂点的位置、面积、堆沙量等信息，确定疑似非法采砂点及堆砂点信息，交付相应监管部门，用于后续核查。

详细流程如图1所示。

2  实施案例

2.1  监测河道概况

本文以福建省顺昌县无人机河道采砂监察为例。顺昌县位处福建省西北部丘陵区，位于闽江上游富屯溪和金溪汇合处（东经117°30′～118°14′，北纬26°39′～ 27°12′之间），境内山峦起伏连绵，交通纵横交错，河流错综复杂，形成复杂的地形地貌，由于县内溪河遍布，点多面广，常规巡查监管难以及时发现非法盗砂行为。顺昌县现有采砂河段主要集中于富屯溪-金溪流域，现有规划中境内富屯溪-金溪流域的河道采砂可采区有16个，位置如图2所示。为了进一步加强河道采砂监管，整顿河道采砂秩序，打击河道非法采砂行为，故采用无人机巡查等技术手段监测河道采砂行为。

顺昌县内监管河道长度为66千米，平均河宽约200米，平均海拔为120米，航飞区域内高差为150米。为保证覆盖全部河道及河岸周边100米的监管范围，即设定以河道中心线左右外扩250米为此次无人机飞行范围，共计飞行面积约33平方千米。为保证监管范围内采砂点及堆砂点的坐标及面积测量精度，即要求成果数据精度满足1：1 000航测成图规范。

2.2  监测河道影像获取及外业数据采集

考虑到该监测河道的长度和范围，航摄无人机选用大疆精灵4 RTK。该设备为轻型多旋翼无人机，续航时间为30分钟，图传距离达7千米，搭载的影像传感器有效像素达到2 000万像素，可采集满足采砂点监测的高精度遥感影像数据。同时大疆精灵4 RTK搭载了多频多系统高精度RTK GNSS，不仅支持实时差分定位技术，还记录卫星原始观测值及相机曝光文件，支持动态后处理技术，可生成厘米级精度的POS数据，可进行高精度免相控航测任务。

此次监察飞行依据飞行区域的特点，确定沿河流方向为无人机飞行方向，共设计6条航线，飞行高度为250米，地面分辨率为6.85厘米/像素，飞行速度为10米/秒，航向重叠率为80%，旁向重叠率为80%。

在外业飞行测量过程中，该测区使用两台精灵4 RTK作业，外业飞行两天，共计44个架次，获取无人机影像数据8 238张。

在测区范围内均匀选取134个，不同地形地貌条件下的明显地物特征点，分别按外业控制点精度要求量测其实地坐标，用于内业数据检查。

2.3  监测河道影像及模型重建

2.3.1  空三及测绘成果制作

航测内业数据处理使用ContextCapture Center Master软件。

新建项目工程后，导入影像、POS数据及相机参数，设置平面坐标系统（CGCS 2000）及高程系统（国家85高程），使用精准POS选项进行自动空中三角测量。空三结束后，进行重建工作，依次生产三维实景模型（OSGB格式）、DOM、DSM等测绘成果。

2.3.2  快速影像拼接

快速影像拼接流程同常规正摄影像生产流程基本相同。为满足数据快速处理的需求，需要在保证影像之间连续并存在重叠区域的前提下，对影像抽稀，加速计算速率，减少内业生产时间，与此同时测绘成果精度也会显著降低。

本次数据按照获取时间分为四个测区进行内业处理获取完成后，利用无人机自身记录的POS数据，使用PhotoScan软件完成。主要包括工程建立、影像导入、空三加密计算、DEM及DOM生成等步骤，最后将DOM成果导出。以其中一个测区为例：测区面积约8.5平方千米，抽稀后原始影像数量为954幅，在精度最低的要求下，空三时间为5分42秒，密集点云计算时间为19分0秒，DEM处理时间为29秒，DOM处理时间为18分5秒。按照上述作业时间计算，仅需1个小时即可获取测区DEM及DOM数据。

2.3.3  精度分析

在测区范围均匀选取134个不同地形地貌条件下的明显地物特征点，分别按外业控制点精度要求量测其实地坐标作为检查点。与此同时获取按照上述两套作业流程生产的测绘产品的图解坐标并分别与检查点比较：常规航空摄影测量成果中获取到内业加密点对附近野外控制点的平面中误差为0.17米，高程中误差为0.22米，并对DOM影像数学精度进行评价，成果质量满足CH/Z 3003—2010《低空数字航空摄影测量内业规范》精度要求;快速影像拼接由于时效性的原因，导致空三精度降低，内业加密点对附近野外控制点的平面中误差为0.43米，高程中误差为1.23米，且影像边缘存在扭曲、色彩失真、水面有空洞等问题，成果质量虽然不满足CH/Z 3003—2010《低空数字航空摄影测量内业规范》精度要求，但是作为快速影像，能够迅速地为河道采砂监管及执法服务迅速提供地理位置及执法依据。

2.4  正射影像图解译

制作快速影像图的目的为河道采砂监管及执法服务。影像图具有很强的时效性，通过影像解译及人工判读，能够对采砂点及堆砂点等进行准确判别并确定其地理坐標。通过与可采区范围比对，可以判断采砂点是否处于可采取区内，以此来判断是否为非法采砂点;对于开采区外的堆砂点也应调查砂石来源，列为重点监察对象。正射影像图为河道采砂监管提供重要的数据基础和决策分析依据，并为快速执法提供证据。叠加可采区后的部分监管河道正摄影像图如图3所示。

在图3中，谟武（一）、谟武（二）2处可采区，分别位于影像图的左侧及中部河道。对上图遥感影像进行解译，发现上述可采区内均有采砂点及堆砂点各1处，禁采区内采砂点1处，堆砂点1处。如图4（a）所示，该处采砂船位于谟武（一）可采区的可采标线内，图4（b）为该可区附近的堆砂点;图5（a）所示，该处位于可采区外，为疑似非法采砂点，图5（b）为上述采砂点的岸上堆砂点。

2.5  数字正射影像图及三维模型的应用

快速影像图的主要作用是为快速执法提供非法采砂点的地理坐标，对于时效性要求很强，因而会出现部分不足：平面精度不高;无高程数据;部分地区影响会出现扭曲;水面可能会出现无数据的漏洞等。数字正射影像图及三维模型在解决上述问题，并为后期河道采砂监管提供有利的帮助：多次正摄影像图叠加对比，可以用来分析当前监管力度下非法采砂的增长趋势;三维模型可以提供三维信息，通过计算可以堆砂点的位置，占地面积，堆沙量等数据。如图6所示，该处堆砂场占地面积为1 784平方米，堆沙量为2 792立方米。即使砂石被转移，也可以依靠此次航测三维模型提供的数量，为非法采砂取证提供重要帮助。

2.6  小结

通过这次无人机测绘，详细结果如下：在可采区发现采砂点13处，堆砂点16处;在非可采区发现采砂点5处，堆砂点5处，详细统计如表1所示。

3  结  论

本文主要讨论了无人机测绘技术在河道采砂监管中的应用，并以顺昌县为例，讲述了各种测绘成果在河道监管中的应用，提供了一套完整的作业流程。无人机测绘技术作为一种远程监测技术，虽然有许多不足之处，但是用于河道采砂监管能够节省大量人力，同时获取大量证据，提高监管的技术水平。随着信息化技术的进步，无人机测绘技术与地理信息系统等新技术相结合，可实现河道采砂的实时监管。

参考文献：

[1] 国家测绘局.低空数字航空摄影测量内业规范：CH/Z 3003—2010 [S].北京：测绘出版社，2010.

[2] 李德仁，王树根，周月琴.摄影测量与遥感概论：第2版 [M].北京：测绘出版社，2008.

[3] 张伟民.河道采砂管理存在问题及对策初探 [J].中国水利，2017（12）：22-24.

作者简介：付化胜（1982.10—），男，汉族，江苏铜山人，工程师，本科，研究方向：摄影测量及遥感、地理信息系统。