现代化无人机技术在河湖划界方面的应用

崔怀森 李向新 郭晓乐

摘  要： 基于国家政策影响和巨大的河湖体量，河湖划界测绘显然已经成为当前测绘行业的一大热点。采用传统测绘手段无论工作效率还是成果展现形式，都难以满足当前信息化需求和严峻的工期要求。本文以“先锋”垂直起降无人机航测为例，为河湖划界勘测提供一种快速、高效的解决办法，该方法主要是利用“先锋”无人机进行外业航飞拍摄照片，内业经过无人机后处理软件TBC&UASMASTER进行空三加密，为后期河道管理范围线和保护范围线的规划提供可靠的底图，使得河湖划界工作更加有效的开展，跟上信息数据化时代的步伐。

关键词： 河湖划界;无人机;空三加密

中图分类号： TP391.72    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.048

本文著录格式：崔怀森，李向新，郭晓乐. 现代化无人机技术在河湖划界方面的应用[J]. 软件，2020，41（10）：187190

【Abstract】： Based on the influence of national policies and the huge volume of rivers and lakes， river and lake demarcation mapping has obviously become a hot spot in the current surveying and mapping industry. Traditional surveying and mapping methods can hardly meet the current information needs and the severe requirements of time limit. In vtol UAV aerial “pioneer”， for example， for the demarcation of lakes survey provides a quick and efficient solution， the method is mainly the use of “pioneer” unmanned aerial vehicle （UAV） for field aerial photograph， in the industry by unmanned aerial vehicle （UAV） post-processing software TBC&UASMASTER empty three encryption， late for range of line and line of the scope of protection planning of river channel management to provide reliable， reproduction makes rivers demarcation work more effectively， keep up with the pace of the digital information age.

【Key words】： River and lake delimitation; UAV; Air three encryption

0  引言

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等[1-3]。

随着时代的发展，无人机也被广泛推广，目前来说主要分为军用型和民用型两种：军事方面主要用来军事侦测、火力打击等等;民用无人机应用于摄影测量、抗争救灾、农林业、环境檢测、土地测绘、快递行业、通信等等。

1  无人机的发展

1.1  民用无人机的发展现状

我国民用无人机的发展大致可分为三个阶段：

第一阶段为上世纪80年代初，西北工业大学研制出D-4固定翼无人机为地形测绘和地质勘测做出了初次尝试;

第二阶段为上世纪90年代至本世纪初，一部分企业开始对无人机的市场进行探索，市场向民用“渗透”，渐渐出现了低端民用小型无人机。其中1998年，南航在珠海航展中展出的“翔鸟”无人直升机，这种无人机的用途就包含有森林火警探测和渔场巡逻[4]。

第三个阶段就是当前社会，军用无人机市场饱和的同时，民用无人机领域遍地开花。目前，我国民用无人机共有130余家研制单位和15000架使用量，民用无人机的种类也逐渐丰富，包括固定翼无人机、旋翼无人机、飞艇无人机等。而上述成果，在很大程度上是高空、高速、中远程、长航时、大载荷等军用无人机技术逐渐向民用“渗透”的结果[5]。

经过十几年的发展，当前无人机的应用范围已涉及国土资源调查、环境监测、水情监测、救灾等多个领域。据不完全统计，目前国内无人机仅民用市场大概有几亿元的量级。面对这一正在兴起的市场，相关企业和科研机构也纷纷进驻民用无人机领域[5]。

1.2  无人机系统介绍

无人机系统主要有三个方面组成：飞机飞行平台、数据采集系统以及地面控制系统[6]。

飞机飞行平台主要包括机身、动力装置、飞行控制装置;机身主要是对整个系统起到保护作用，固定翼无人机多采用epp（聚丙烯塑料发泡材料）、epo（发泡聚苯乙烯聚乙烯混合体）、玻璃钢、木材等高强度低质量的材质;多旋翼无人机一般是由碳纤维材料作为主要材质。动力装置主要是提供飞行动力，常见的是锂电池供电，由于锂电池储存电量有限，导致续航问题仍然是制约无人机大力发展的一个难题;飞行控制装置是整个飞行平台最重要的地方，主要是用来控制飞行轨迹。

数据采集系统一般是相机为主体组成，通过无人机自带相机或者外接相机进行拍照完成相片信息的采集;

地面控制系统主要包括显示系统、控制系统和数据传输系统三部分;在显示系统中可以直观的了解到无人机的飞行状态，包括：飞行高度、飞行速度、飞行姿态、飞行时间、电池电量等等;控制系统主要是用来控制无人机按照规划好的航线飞行或者手动控制飞行;数据传输系统主要是将无人机飞行的数据实时传送到显示系统中，以便更好地了解飞行状态。

1.3  无人机的用途

（1）农业领域

在农业方面无人机可以用来判断某片区域农作物生长情况、喷洒药物治理虫害等等;尤其是拥有大范围农田的管理者，无人机可以帮助他们节约时间、减少农药化肥的损耗，也能通过地面观测系统随时观测农作物生长情况。

（2）公共环境管理方面

无人机也被用来做空中警察，可以用来追踪犯罪分子、侦察犯罪分子的窝藏地等等;由于无人机可通过数据传输系统能将地面画面实时传送到地面监测平台中，所以也被交通警察用来指挥交通。

（3）救灾抢险方面

在天灾面前人的力量还是很渺小的，如何在天灾发生后及时侦察灾难现场、快速解救被困人员是个很大的问题，而无人机给我们提供了便利，无人机不惧怕任何艰苦环境，可以快速的侦察灾难现场，找出前往灾区最快、最近的道路，也可为受困人员运送物资等等。

（4）测绘领域

无人机在测绘领域主要运用于地形测量，通过机载相机拍摄像片，通过正射投影后期处理等工作可以建立测区三维模型;相比传统测量，这种作业模式大大减少了工作时间，为测绘外业工作者减轻了很多负担，也为危险地区的测绘提供了便利[6]。

2  工作背景

2.1  河湖划界工作的内容及要求

河湖划界勘测工作的重点在于确定管理范围线和保护范围线的位置，然后通过埋设界桩明确边界。按照《陕西省河道管理条例》（2010年修正）、《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）以及陕西省水利厅关于印发《河湖和水利工程管理范围及保护范围划界技术指南（试行）》的通知（陕水河湖发〔2019〕12号）相关规定，确定嘉陵江干流河道管理范围和保护范围。

2.2  河湖划界工作的难点

作为新兴业务，河湖划界方面可借鉴的成功案例资料和工作经验较少，而且各个测区的情况也不竟相同，不同测区需要采用不同的方案和要求，工作协调难度较大[7]。嘉陵江（略阳段）测区资料及特点：

（1）由于1981年特大洪水破坏性较大，经过30年来的演变，两岸农田耕作以及河道规划项目的开展，使得原有的边界线失去作用。

（2）确权工作涉及国家及地方政策较多，与地方部门有着密切接触，协调难度和工作难度较大[8]。

3  “先峰”固定翼无人机的介绍

“先锋”固定翼无人飞行系统是天茂空间科技有限公司为河湖划界特意推出的一套系统，该系统加装PPK，使得平面和高程精度都有保证，而且大大减少了像控点的布设数量，提高工作效率。设备的基本配置包括：无人机系统、地面监控站、GPS基站等。

与其他品牌的无人机相比，“先锋”固定翼无人机的显著优势包括：

起降方便，环境适应能力强。起降点选取简单，无需滑跑，也不用借助伞降，可以认为操作降落点，也可设置降落点自主降落。

数据传播方案更加可靠，无惧山体遮挡，避免了飞机信号时有时无，使得飞行状态实时掌控，大大提高安全系数。

飞行效率极高，单架次续航时间可达70分钟，里程数可达70-80公里。

4  工程实施

4.1  测区概况

嘉陵江在略阳县境内长92.8 km（其中左岸长度92.8 km，右岸长度86.7 km），由甘肃省徽县鱼关石土地庙进入县境，河床宽60余米，由北而南，过白水江、徐家坪、略阳县城、乐素河等区镇。汇流甘溪沟、小河、青泥河、麻柳塘沟、乔井沟、水银沟、周家山沟、史家庄沟、西汉水、石沟、秦家坝河、金家河、石庄沟、八渡河、东渡河。城区段河床宽度150余米，岸宽200余米。其下又汇入夹门子沟、一里沟、青白石河、贤草沟、乐素河、中坝子河、石瓮子河等主要河道。下游岸宽200余米，于石瓮子乡登蹬垭出境，流入宁强。在县境内集水面积2014.6平方千米，占全县总面积2831平方千米的71%。嘉陵江测区地形较为复杂，为典型长条形状，还附带有“S”形和“V”形路线，婉转曲折。

4.2  工作要求

采用无人机低空摄影测量方法绘制甘陕省界白水江镇大沙坝村至略宁县界巨亭镇鸳鸯池村1∶2000地形图，在1∶2000正射影像图及地形图上初步设计管理范围线、界桩、公告牌。用红色实线绘制河道管理范围线，线宽为0.6 mm。河道管理范围线城市段按100 m间距布设界桩，非城市段按200m间距布設界桩，按1000 m间距布设公告牌，在近村镇处或工程交叉点、拐点处可适当加密。

4.3  工作实施方案

河湖划界项目往往往往涉及区域较多，范围较大，而且地形复杂，蜿蜒曲折，河面宽度不一等。根据嘉陵江地形及实际情况，我们选择“先锋”无人机航测作为第一方案。工作大概思路为：首先通过“先锋”无人机获得测区的高分辨率影像图和数字高程模型，为外业调绘和规划范围线提供底图，然后通过内业采集和编辑，通过三维建模进行界桩位置预设和管理范围线以及保护范围线定线;最后进行外业调绘并根据调回情况适当调整规划管理范围线以及保护范围线。

4.3.1  外业航拍

首先每隔500米在河岸两边布设像控点，然后通过“先锋”无人机进行航空摄影测量，在此次航拍中，以测量范围扩宽河道两岸各150米进行航线规划，而且航线平行于河道，保证河道上空有5条航线以上;这样可以满足后期管理范围线和保护线的规划。本次航飞共飞行10个架次，每个架次飞行时间60分钟—70分钟，飞行公里数大约70公里，实测河道长度为10—15公里。

4.3.2  内业处理

此次数据处理采用的是无人机后处理软件TBC&UASMASTER，UASMASTER把易用性且功能全面又强大的摄影测量工作站结合在一起，该软件在非摄影测量专业人员接近黑匣子的简单工作与摄影测量专家的工作交流之间架起了桥梁，填补了他们之间的空缺。

UASMASTER软件的优势：

（1）集成了inpho软件的空三加密、DTM/DSM提取和编辑以及正射校正和镶嵌匀色的所有模块;

（2）全像素DSM提取，支持3D彩色点云数据提取，也可全角度无死角查看点云立体模型;

（3）强大的滤波功能以及“黑匣子”处理模式，可以去除植被、房屋等相关地物信息，获得真实的DEM数据;

4.4  成果展示

以下展示了部分經过无人机后处理软件TBC& UASMASTER处理航拍图片得到的DSM、DLG以及DOM成果图片：

5  结语

通过低空无人机摄影测量得到的嘉陵江河段地形图精度基本符合要求，为后续嘉陵江管理范围线以及保护范围线的规划提供了相对准确的底图，改革了传统测绘数据采集方法，大大减少了外业工作者的工作难度和强度，不仅为河湖划界提供了一种行之有效的方法，也为地形图测量提供了一种便利，通过运用不同型号的无人机和照相机可以实现各种比例尺的地形图测量。通过三维建模，可很大程度的还原现场，也为后续相关工作提供便利，例如：河道治理、河道规划、修建河堤等等，实现一次航测成果，多次利用。

参考文献

[1]吴洒洒. 测绘工程中无人机的运用[J]. 信息系统工程， 2019（12）： 80-81.

[2]李涛， 高波， 张允涛， 等. 天狼星无人机航测技术在河湖划界中的应用[J]. 测绘通报， 2019（03）： 151-154.

[3]戚国香， 孔德博， 蒋志强. 分析天狼星无人机航测技术在河湖划界中的应用[J]. 工程建设与设计， 2020（4）： 260-261.

[4]吴宏丽， 冯海建， 殷丽红. 民用无人机发展趋势的研究[A]. 中国航空学会. 飞机机电系统理论与实践——第二届民用飞机机电系统国际论坛论文集[C]. 中国航空学会： 中国航空学会， 2015： 3.

[5]王明珠， 王璠， 王剑. 民用无人机的应用现状和前景[A]. 中国航空学会. 2016（第六届）中国国际无人驾驶航空器系统大会论文集[C]. 中国航空学会： 中国航空学会， 2016： 5.

[6]袁晓鑫. 无人机大比例尺测图技术及应用研究[D]. 安徽理工大学， 2019.

[7]赵巨伟. 无堤段河道管理范围划界技术研究与实例分析[J]. 水利发展研， 2018， 18（11）： 60-62.

[8]曾晓春， 吴明艳. 河湖及水利工程划界确权中存在的问题与对策[J]. 农业科技与信息， 2019（17）： 91-92.