基于无人机航拍技术的河道生态修复治理研究

赛 硕，丁国栋，周连兄，杨之恒，李丹雄，武亚南

(1.北京林业大学 水土保持学院，北京 100083；2.北京林丰源生态环境规划设计院有限公司，北京 100083)

河道是生态环境的重要组成部分，在满足其过流、排洪要求的同时，能够适度补充地下水，通过水流的多样性实现水生物的多样化[1]。河道生态修复是使河道生态系统恢复到被破坏前的近似状态，且能够实现自我维持动态平衡的复杂过程，既有利于保护河道水生态环境、保持河道的自然特征，又有利于促进人水和谐相处[2-3]。然而，河流生态具有涉及范围广、影响因素多、破坏程度不一等特点[4-5]。河道生态治理工程属于线性工程，传统的设计前勘测现场需要利用地形图结合卫星遥感图像、现场拍照等一系列手段，虽然通过卫星遥感图像能做到对整个项目的宏观了解，但是其精度低、图像实时更新慢，仅能识别河道大致轮廓，不能对河道做详细的规划，使用范围十分有限[6-7]，而单纯的相机拍照只能做到点状影像记录测量，精度不高[8]。无人机航测技术在河道水环境治理中的应用，可弥补传统测量方法测量点位混乱、精度较差的问题[9-10]。相比于传统的测量方式，无人机具有自动化、智能化、专题化、成果直观、适用范围广等特点，能很好地满足当前水利水电工程地形地貌测量的需求[11-13]。

鉴于地形地貌是河道生态修复治理工程中的重要参数，本研究以滦平县两间房川美丽乡村生态治理工程为例，利用无人机对现状河道的航拍及后期航片信息进行提取，分析河道地形地貌特征，为制定合理的生态修复方案提供参考依据。

1 研究材料与技术准备

1.1 研究材料

本研究选用深圳大疆科技(DJI)Phantom 4 Pro V2.0四旋翼无人机，由飞行器、遥控器、云台相机，以及配套使用的DJI GO 4 APP组成。该无人机能稳定拍摄4K超高清视频与2 000万像素照片；抗干扰能力强，能提供高效稳定的高清图像并传输；具有较高的飞行航拍成像效果；可及时探测并主动躲避障碍物，并具备降落保护功能。

1.2 技术准备

(1)确定航拍环境。起飞前先在谷歌或奥维地球上查看航测地区的大致地形及需要航测的大致距离或面积,初步估计最佳的起飞地点、飞行时间，以及最佳的飞行路线，同时查看飞行区是否在禁飞范围内。

(2)环境预判。需提前进行气象测定，防止温度、风速、云雾等对无人机拍摄影像的影响；无人机的起飞、降落平台选择在平坦、四周宽阔区域，避免磁场、雷达站等干扰无人机通信信号。

(3)设备检查。检查无人机组装、无人机和遥控器电量、卫星信号等情况；检查遥控器是否与无人机正常连接，遥控器控制无人机的飞行航线是否精确，确保信息及时传递到移动设备端；检查客户端DJI GO 4 APP是否为最新版本，避免飞行过程中出现软件闪退或卡顿等现象。

2 工程概况与数据处理

2.1 研究区域概况

滦平县位于河北省承德市，属半湿润向半干旱气候的过渡区，多年平均降水量615 mm，多年平均径流深85 mm，多年平均径流量3 216 m3，降水和径流时空分布不均，呈现出汛期汇集河谷地带，区域变化由南向北逐步递减，年际、年内变化较大等特点。

本研究选择的河流为滦平县两间房川，属海河水系北系、潮河的一级支流，河长31.6 km，流域面积192.8 km2，河道坡降12.6‰。两间房川属季节性河流，非雨季时常年无水，局部淤积严重，现状景观较差，河道上下游宽窄不一，局部排水不畅，汛期易发生洪涝灾害。为改善两间房川河道生态环境、促进河道两岸和谐发展，依据《滦平县水务发展“十三五”规划》设计滦平县两间房川美丽乡村生态治理工程，对两间房川河道进行生态修复，主要包括河道疏挖、堤防建设、生态景观打造等内容。实施中需要使用无人机高效提取现状河道数据并分析存在的问题，从而制定合理的规划设计方案。工程位置和航拍设计示意见图1。

图1 两间房川美丽乡村生态治理工程位置示意

2.2 航拍过程

为了得到更清晰的正射影像，本研究将无人机飞行高度设定为120 m，采用正射影像拍摄，视野范围正好囊括河道及河道两岸。鉴于本项目属于带状工程，并非全线治理，具有间断性，如果利用航线规划设计无人机飞行航线，反而会耗费无人机电量且需要多次重复操作，因此本次航拍没有采用预先设置的航线，而是全程采用手动控制无人机的速度与航线。

2.3 数据处理

无人机航拍照片选用Agisoft PhotoScan Professional处理，照片排列不均匀处可手动进行修正，确保航线连续，中间无断点。无人机影像自带高程点及相应的坐标点，将图片导入Agisoft PhotoScan Professional建立密集点云，添加纹理，直接由点构成面，由面生成立体模型。根据项目所需，选择不同的成像质量要求，本项目选用的质量要求为“中”。由Agisoft PhotoScan Professional导出正射影像可以获取JPEG/TIFF/PNG和Google Earth KMZ(*.kmz)等多种格式文件，将后期拼接影像导入Google Earth可更直观反映两间房川河道现状。

3 河道生态治理研究

3.1 生态修复前河道影像及问题

根据拍摄影像，两间房川基本断流，河道内杂草丛生，生态功能遭到破坏，生活、建筑垃圾堆积较为明显，影响河道景观。除下湾子和下游巴克什营部分区域因河道深挖之后产生的水面外，基本常年无水。农耕地和主要道路均分布于河道两侧，污水直接排入河道，影响河道水环境和生物多样性。

在京津冀协同发展的背景下，两间房川作为潮河一级支流，需充分发挥其水源涵养功能。以两间房川生态治理为契机，通过工程、植物措施维护生物多样性，改善周边环境，促进河道两岸和谐发展，增加流域物种的丰富度和抗逆能力，满足居民的休闲娱乐、景观美学等人文需要，使生态环境得到较大提升。

3.2 生态修复后河道影像

为了实现河流生态安全、河流水质达标、河岸带景观优美的目标，工程对滦平县巴克什营镇和两间房乡境内的两间房川河段(桩号K0+000～K23+000)进行治理。治理总长度为21.2 km，该段河流河面宽50～150 m，10年一遇洪峰流量607 m3/s。河道治理工程原则上不改变河流现状走向，设计河道中心线与现状河道中心线基本一致，现状河道上开口基本不变。整治后的河道平面曲线流畅、宜弯则弯、宜宽则宽。

3.3 无人机航拍影像检验

为检验航拍影像与实际工程量的偏差，提取项目现场修建完善的41座跌水坝实际长度与Google Earth中无人机影像的长度进行对比，精度超96%，最高精度可达100%，详细结果如表1所示。

表1 Google Earth中无人机影像测量长度与实际长度比较

为了减小误差，采用的跌水坝间隔多大于100 m，且坝长多在20 m以上，除去现场测量的人为干扰因素，以及Google Earth测量带来的不稳定因素等所引起的误差，无人机航拍影像的精度大约在98.32%。

4 结 论

无人机在滦平县两间房川河道治理中的应用，不仅为河道设计工作者前期的方案规划和后期方案的变更提供了极大帮助，而且提高了工作质量和效率，节约了成本。无人机具有抗干扰能力强、提供高效稳定的高清图像传输功能、能够呈现出较高的飞行航拍成像效果等优点，在河道生态修复治理工程中应用广泛，包括工程规划阶段、可研阶段、设计阶段、施工阶段、竣工验收阶段。应用无人机可直观查看施工进度，监测工程措施。在数据处理阶段，利用无人机航拍技术获取带有坐标等信息的照片，通过Agisoft PhotoScan Professional软件将图片拼接成完整的带有地理信息的影像，不但处理过程全自动，而且在数据处理的精度方面得到大大提升；同时，无人机影像可以较高的分辨率呈现出河道复杂的地形。