遥感技术在涉河建设项目监测中的应用

周 宇 ，陈亮雄 ，秦 雁 ，杨静学 ，孙秀峰

（1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省水安全科技协同创新中心，广东 广州 510635；3.广东省山洪灾害防治工程技术研究中心，广东 广州 510635）

0 引言

涉河建设项目指在河道管理范围内新建、扩建、改建的建设项目，包括开发水利（水电）、防治水害、整治河道的各类工程，跨河、穿河、穿堤、临河的桥梁，码头，道路，渡口，管道，缆线，取水口，排污口等建筑物，厂房、仓库、工业和民用建筑及其它公共设施。涉河建设项目直接关系公共安全、生态环境保护，其开工、建设、完工全流程须进行跟踪监察。随着广东省西江沿岸经济社会快速发展，流域内涉河建设项目日益增多，管理部门巡查监督工作也日益繁重，亟需引入遥感技术提升效率。

目前遥感技术在水利水政监察方面的应用越来越广泛。王炼[1]总结了无人机航拍技术在河道划界工作中的具体应用方式与方法。羊海东等[2]利用无人机技术进行河道巡查。鲁佳隽[3]创建了基于无人机的河道巡检智能数字图像处理系统，实现了巡检图像的拼接及智能比对、问题流程的闭环处理、巡检数据的智能分析等功能。陈黎等[4]利用无人机遥感技术对河流岸线点、线、面状分布目标（如植被栽植）等进行了核查监管。赵克华等[5]进行了基于无人机正射影像的河道水域动态监测模型的研究，根据动态监测模型，通过机器识别改善现存问题。喻静敏等[6]基于无人机遥感技术的地面目标变化监测方法，以涉河建设项目监测为实例，验证了该方法的实用性。杨静学等[7]在水库水政监察中应用无人机航测和多源卫星遥感技术，划定水库监管区范围，解译违法违章嫌疑区。陈亮雄等[8]结合“互联网 +”技术研发了一套完整的水库水政监管系统。此外，方留杨等[9]研究无人机三维建模技术的桥梁检测方法，秦玉刚等[10]研究高精度无人机影像空三处理方法，以及周吕等[11]无人机倾斜摄影测量在构建实景三维模型的精度。

卫星遥感具有监测范围广、数据动态更新等优点，无人机遥感具有机动、灵活、超高分辨率等优点，两者结合可有效解决涉河建设项目监管任务重、时效性差、定量化取证难等问题。目前，综合利用卫星及无人机遥感技术监测涉河建设项目的研究应用较少，且数据自动化处理能力较低。本研究以广东省西江流域为实验区，采用遥感技术对流域内 43 个涉河建设项目进行监察，建立了一套遥感图像更新、专题制图、报告编制的自动化流程，从而高效实现高空间、高时间分辨率的涉河建设项目遥感业务监察应用。

1 实现步骤

本研究主要技术步骤如下：

1）调研项目背景、基础资料的收集。包括搜集涉水工程防洪评价、设计资料、审批文件等基本资料，进行河道管理范围的确认。

2）根据涉河建设项目工程进度，确定遥感影像的收集方案。由于涉河建设项目是一个长期且不断变化的过程，因此对于涉河建设项目的监测工作也要分阶段进行：a.对于已审批、尚未开工的涉河建设项目，下载收集工程用地范围的最新高清卫片资料；b.对于已审批、正在施工或已完工的涉河建设项目，收集工程用地范围前后多期高清卫片资料；c.对于重点涉河建设项目，为满足监测时效性要求，须实地开展无人机航测及航拍，RTK 点位及高程测量，像控点采集，制作 0.05 m 分辨率的数字正射影像图（DOM）及带有高程信息的数字表面模型（DSM）。

3）对卫星遥感影像进行数据融合、正射纠正等处理，对无人机航拍影像进行 DOM 及 DSM 的制作，并生成三维模型。

4）根据各涉河建设项目工程进度情况，在ArcGIS 软件中标绘工程建设用地范围，标识地物类型及参数，制作各项目的 MXD 制图模板；同时根据 Python 语言 Jinjia2 模板引擎格式，制作 Word 报告模板，以便自动插入专题图。

5）利用 Arcpy 编写程序实现自动制图，导出成果专题图。基于 Python 语言调用 docxtpl 第三方库，根据 Word 模板实现自动插入专题图生成监测报告。

6）最后分析各涉河建设项目的具体用地情况，实现对涉河项目的遥感监测。

2 技术方法

2.1 卫星遥感数据自动处理

本研究主要收集了 2019 年度广东省西江流域范围内的国产高分二号遥感卫星影像，空间分辨率为全色 1 m、多光谱 4 m，全色和多光谱的融合数据既保持光谱信息又具有高分辨纹理信息的数据，满足涉河建设项目监测需求。前期基于哨兵 2 号卫星影像，制作了空间分辨率为 10 m 的西江流域正射遥感底图，以及广东省 DEM 数据作为参考数据，用于影像正射纠正。Python API 是 Geomatica PCI 软件平台提供的对数据集及其包含的信息进行访问等功能的应用程序接口，具有以下功能：1）以每幅影像的名称为唯一标识名，基于 Python 语言调用 Python API 编写程序，实现卫星数据和头文件信息读取，读入影像数据；2）无参考影像的正射纠正，用几何模型对影像进行粗纠正；3）多光谱和全色波段融合，通过融合黑白全色和多光谱彩色图像创建高分辨率彩色图像；4）有参考影像的正射纠正，控制点自动选取，生成有理函数模型，对影像进行精纠正；5）图像拉伸、构建金字塔，为数据进行下一步处理做准备。

2.2 无人机航测数据处理

规模及对行洪影响较大的重点涉河项目，采用无人机航测进行施工监测。具体工作包括：现场情况勘查、航线规划与设计；无人机摄影测量、高空摄影录像；采用广东省连续运行参考站系统（CORS）作为测区控制系统参考，使用 RTK 设备进行像控点测量；采用 Pix4Dmapper 软件对影像进行空三加密和正射校正等内业处理。无人机飞行高度根据实际情况选取，本次监测项目高度均选取为120 m，以达到 0.05 m 分辨率。平面坐标系统采用采用 2000 国家大地坐标系，地图投影采用高斯-克吕格投影，投影带选择 3 度分带，高程坐标系统采用 1985 国家高程基准。经内业数据处理，获得各工程用地高分辨率正射影像图和数字高程模型。正射影像图和数字表面模型可在 Pix4Dmapper 软件中进一步操作生成空间三维模型，帮助量测分析涉河建设项目的具体情况。

2.3 专题图及监测报告自动制作

各涉河建设项目的 MXD 制图模板以批复文件号加影像名称作为唯一标识名，输入影像为经处理的卫星遥感及无人机正射影像图。ArcPy 是 ArcGIS软件提供的 Python 站点包，可以实用高效的方式通过 Python 执行地理数据的分析、转换、管理和地图自动化。基于 Python 语言调用 ArcPy 编写程序，实现 MXD 制图模板的加载、影像与 MXD 地理范围匹配、专题图渲染、专题图导出，最后得到以批复文件号加影像名称为标识名的成果专题图。

涉河建设项目动态监测工作需要持续进行，制作报告模板可实现监测成果自动更新。按 Jinjia2 语法“{{val}}”插入占位符标识，制作 Word 文档模板。占位符标识中 val 变量以影像类型（遥感影像用 RS 表示，无人机正射影像用 UAV 表示，现场拍摄的普通照片用 PIC 表示等）加批复文件号作为唯一标识名，这样可以将同一涉河工程项目相同类型的专题图都指定插入同一个占位符标记中。基于Python 语言调用 Wordtpl 库，实现 Word 模板打开、占位符标识与专题图匹配、占位符处自动插图、Word 结果文档保存功能，从而实现监测报告的自动制作。

3 应用分析

3.1 卫星遥感结果分析

结合卫星遥感监测周期长、无人机遥感空间分辨率高等优点，选取典型涉河建设项目进行结果分析。广州南沙港铁路洪奇沥水道特大桥跨洪奇沥水道工程高分二号卫星遥感图像如图1 所示。如图1 a所示，左岸发现阻水建筑物，大桥主墩已施工完毕，但大桥两侧均已架设水下施工平台，未按批复文件要求错时分期施工。如图1 b 所示，该大桥工程正在铺设桥面，左岸阻水建筑物依旧存在。该工程在 2 幅影像所处时间段内均在施工，但未错时分期施工，加上阻水建筑物的存在，增加了工程阻水情况，影响行洪安全。

3.2 无人机遥感结果分析

图2 为 2019 年 12 月 4 日的无人机航测正射图像，图3 为正射影像左岸及右岸的局部放大图。从图中不仅能看到目前的施工状态，还能关注工程大桥两岸穿堤段的具体情况。除左岸阻水建筑物外，在右岸也发现了临时建筑物，危害堤防安全，建议工程完工后拆除。此外桥址处及左、右岸桥址上游100 m 和下游 150 m 范围均有抛石护脚措施。

图1 高分二号卫星遥感图像

图2 无人机航测正射图像

图3 正射影像局部放大图

图4 a 为该工程三维模型图全景。图4 b 所示河道管理范围内，右岸至左岸 238，239，241，241，242，243# 各桥墩两两之间的距离分别为 55.45，138.88，359.38，359.32，138.60 m，238 和 243# 桥墩跨度总计为 1 051.64 m。图4 c 所示为 242 和 243#桥墩，分别位于左岸土堤临水侧和背水侧，左岸路面至桥面的高度约为 30.65 m。由航拍图显示左岸堤岸建有临时建筑，且堆放有建筑材料。图4 d 所示为 238 和 239# 桥墩跨越右岸横石围堤防，桥墩中心距离堤防背水侧坡脚和临水侧坡脚分别约为 22.78和 7.91 m，右岸堤顶至桥面的高度约为 29.23 m。由无人机三维模型量测的工程各项特征参数与批复文件中的要求一致，无明显出入。

图4 三维模型图

监测结果表明：卫星及无人机遥感技术在涉河建设项目监测中的应用效果显著，不仅能快速自动地对基础影像进行处理生成成果专题图，同时高分辨的专题图中能直接反映涉河建设项目的施工进度与工程用地情况，此外在三维模型里也能对具体位置进行定量的量测，对水政管理部门高效、直观、动态地掌握工程建设情况大有裨益。

4 结语

本研究在卫星和无人机提供的影像资料基础上，建立了影像处理，专题图制作，监测报告生成等自动化流程，为涉河建设项目监测提供了一种更高效快捷的技术手段。该自动化处理流程大大节省了传统涉河监测中间步骤的处理时间，提高了工作效率，也提高了水政监察的准确性、及时性和可靠性。同时本研究创建的技术流程同样适用于其他类型的监测工作，如对水面养殖箱、水浮莲、黑臭水体等的监测。

本研究流程也有待进一步改进：可将适用数据扩展向其他型号的卫星；可将已有遥感数据建立数据库，更好地管理和更新数据；可以对有多时相影像的工程项目进行变化监测等，更好、更精确地对涉河建设项目进行监测。