河道采砂监管中无人机测绘技术的应用

索 然

(朝阳市水务工程质量与安全监督站，辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

一般地，将采挖河道管理范围内有关砂、土、石等活动统称为河道采砂。砂石是重要的工程建筑材料，随着经济社会的发展以及城市建设速度的加快，对砂石的需求量急剧增大，激烈的供需矛盾进一步推进了采砂业的发展。近年来，未经批准或许可在河道管理范围内取土、采砂，在禁采期或禁采区采砂以及不按许可要求采砂等行为时有发生。河道采砂不仅对附属水利设施、堤防护岸和河床造成破坏，直接关系着通航和防洪安全，而且易引起水体污染，改变水生物和水域环境，对河流生态环境以及饮水安全造成威胁，特别是超量、超时限、超深度、超范围的非法采砂对航运、供水、防洪和水生态安全的影响更加严重，为了防止非法开采必须严格监管河道采砂。目前，以车辆或者执法船只巡逻仍为河道采砂监管的主要工作方式，该过程普遍存在证据收集难度大、专职人员少、监管区域广等问题，难以及时有效的控制采砂范围和采砂量，对于河道采砂行为监管迫切需要引入新的技术手段，保证采砂行业的绿色健康发展。对此，朝阳市水利局积极探索河道采砂监管手段，尝试应用了无人机测绘技术[1-3]。

无人机测绘技术是搭载数码相机等设备，以无人机为载体快速获取高精度定位数据以及高分辨率数字影像，快速生成正射影像图、三维实景模型、数字地表模型、数字高程模型的新型技术，在水利监察、国土、灾害应急处理、国家重大工程建设等领域均已得到广泛应用。无人机测绘技术与卫星遥感或传统人工监测手段相比，其装配时间短且起飞条件较低，能够对监察区域内的空间信息及时快速的获取，具有精度高、成本低、效率高等明显优势，对于地形复杂区域，尤其是对山区的采砂监管具有较强的实用性。将航空摄影测量与无人机技术相结合，通过利用摄影测量技术和无人机搭载数码相机，可以实时获取监测区域数字影像、生成三维模型及数字正射影像图，在全面分析遥感数据的基础上及时提取疑似非法采砂点的信息，既能保证监测数据的精度又能确保较快的监测速度，可从根本上解决人工发现不足、采砂监管能力低下等问题，为实现违法采砂活动早发现、早制止、早处置以及加强河道采砂监管提供强有力的技术支持[4-6]。

1 河道采砂监管中无人机测绘技术的应用

无人机测绘技术属于一种新型测绘技术，在航拍过程中能够定位和记录飞机姿态信息，通过空间立体模型解算及空中三角测量建立目标与影像之间的几何关系。GPS辅助光束法平差技术的应用极大地减少了外业工作量，在实现免像控的情况下无人机航空摄影测量还能确保空三平差结果最终的精度。通过解译和判读数字正射影像即无人机遥感影像，并将获取的相关证据、堆砂点及采砂点位置提交给监管部门，有利于监管人员快速达到现场实时处置和监察。总体上，河道采砂监管中无人机测绘技术的应用流程见图1。

图1 无人机测绘作业流程

步骤1：前期准备。以河道采砂区域、计划等管理部门公布的文件为依据明确河道监管范围，在确定所属区域气候条件、空域管控要求、可采期时间及可采取范围的情况下，考虑飞行情况和时间合理选定机型，并办理飞行备案。结合待测区地形条件制定飞行计划，起降场地要符合无遮挡、坚固、平坦等要求。

步骤2：无人机外业测量。依据河道监管范围以及飞行覆盖区内建筑物的高度，对航线高度合理规划。此外，航线方位角的确定应考虑风向、季节等因素，影像重叠度和分辨率要按照采沙场图斑块大小合理设定，然后对相机的ISO值合理设置。飞行过程中应关注电池电量、图传信号、RTK信号等信息，并确保RTK的全程开启，坚持随时人工干预、全程人工监测的原则保证飞行安全，完成飞行后还要对数据质量进行检查。

步骤3：制作三维模型和正射影像。将无人机野外获取的影像利用Contest Capture、Photo Scan等软件进行空三加密处理，从而生成监测区内的数字正射影像和三维模型。

步骤4：解析非法采砂点。通过解译业内制作的三维模型和正射影像确定堆砂点、采砂点，并测量堆砂量、采砂点的面积和位置等信息，然后将疑似非法堆砂点及采砂点信息提交给相应的监管部门，为后续核查提供数据资料。

2 实例应用

2.1 河道概况监测

朝阳市境内江河湖库分属于大凌河、小凌河等水系，河流纵横交错，地貌形态复杂。受河网密布、溪河点多面广等条件限制，对河道非法盗砂行为利用常规监管巡查手段已难以及时发现[7]。朝阳市现有采砂河段多集中大凌河和小凌河流域，境内现有规划可采砂区有17个。为了进一步整顿河道采砂秩序，严厉打击非法采砂行为以及加强河道采砂监管，有必要引入无人机监测等巡查技术手段。

朝阳市小凌河河道采砂某监管段总长68km，海拔110m，干流段河宽210m，航飞高差150m。为确保监管范围的全面覆盖，即河岸周边100m以及全部河道，设定此次无人机飞行范围为河道中心线左右外扩250m，飞行面积共计35km2。为保证堆砂点及采砂点面积、坐标测量精度，监管范围内的航测数据精度要符合1：1000的成图规范要求。

2.2 外业数据采集

采用大疆精灵4RTK型航摄无人机，以满足监测范围和长度要求。该设备的图传距离可达到7km，最大续航时间30min，这是一台搭载2000万有效像素影像传感器的轻型多旋翼无人机，其采集的高精度影像数据能够满足采砂点监测要求。此外，搭载高精度多系统多频RTK GNSS的大疆精灵4RTK，不仅能够记录相机曝光文件及原始卫星观测值，还支持实时差分定位技术及动态后处理技术，生成的POS数据精度能够达到厘米级，从而完成免像控高精度航测任务。

根据飞行区域的特点确定无人机飞行方向为沿河流方向，此次监察飞行设定6条航线，设计航向与旁向重叠率均为80%，飞行速度和飞行高度为10m/s、250m，以6.85cm/像素为地面分辨率。该测区野外飞行测量作业共使用两台4RTK无人机，起飞架次共46次，测量飞行时间2d，共获取8616张高精度航拍影像。

考虑测区范围内的地貌形态特征，均匀选取168个明显地区特征点，并按照业外控制点精度要求分别对其实地坐标进行量测，为内业检查提供数据支持。

2.3 河道影像监测

1)制作测绘成果。采用Context Capture软件处理航测内业数据，对新建工程导入相机参数、POS数据和影像，合理确定国家85高程系统及平面坐标CGCS2000系统，空中三角自动测量应用精准POS选项实现。完成空三作业后进行模型重建，从而生成DESM、DOM、OSGB格式的三维实景模型等测绘成果[8-9]。

2)快速影像拼接。常规正射影像生成流程与快速影像拼接流程基本相同，在影像存在重叠区域且确保影像之间连续的条件下，为实现数据的快速处理需要对影像进行抽稀，通过加快计算速率减少内业生成时间，该过程也会显著降低测绘成果精度。

根据不同的获取时间将监测数据划分成四个测区，并完成相应的内业处理，其主要使用到Photo Scan软件和无人机记录的POS数据。该过程主要有DOM及DEM生成、空三加密计算、影像导入、模型建立、DOM成果导出等步骤，以某一测区为例简要说明获取过程：测区范围为9.0km2，原始影像抽稀后成为961幅，在最低精度要求下空三时间为5分48秒，DEM处理、DOM处理和密集点云计算时间为18分20秒、30秒、19分5秒。以此为基准，可以估算出测区内DOM数据及DEM数据获取时间约为1h。

3)精度分析。考虑测区范围内的地貌形态特征，合理选取168个明显地区特征点，并按照业外控制点精度要求分别对其实地坐标进行量测，作为检查点。根据以上作业流程生成测绘产品的图解坐标，并与检查点进行对比分析：以附近野外控制点为基准，获取内业加密点在常规航空摄影测量成果中的高程中误差为0.21m、平面中误差为0.18m，通过评价分析DOM影像数学精度发现，其成果质量符合内业规范精度要求；由于时效性原因快速影像拼接降低了空三精度，以附近野外控制点为基准，获取内业加密点在快速影像成果中的高程中误差为1.22m、平面中误差为0.48m，且存在水面有孔洞、色彩失真、影像边缘扭曲等问题，虽然成果质量不符合内业规范精度要求，但作为快速影像可以为执法服务及采砂监管迅速的提供执法依据、地理位置等信息。

2.4 正射影像图解译

为河道采砂监管及执法提供服务是制作快速影像图的主要目的，因其时效性较强，通过人工判读及影像解译可以准确地判别堆砂点、采砂点以及明确其地理坐标。通过与可采取范围的对比能够判断采砂点是否处于该范围，并以此作为非法采砂点的判断依据；另外，还可将开采区外的堆砂点列为重点监察对象，并对砂石来源进行深入调查。正射影像图可以为快速执法提供证据，为河道采砂监管提供鞠策分析依据以及重要的数据基础。

2.5 三维模型应用

将非法采砂点的地理坐标快速的提供给监管部门是快速影像图的主要作用，对于具有较强时效性要求的会出现一定的不足，例如无高程数据、平面精度低、水面出现无数据漏洞以及部分地区受影响出现扭曲等。在解决以上问题上三维模型及数字正射影像图具有较强适用性，并为后期采砂监管提供了条件：通过多次叠加对比正射影像图能够分析非法采砂，在现状监管力度下的发展趋势；三维模型能够提供堆砂量、占地面积、堆砂点位置等数据信息。例如，即使堆砂场地后期实施了转移，但通过三维模型提供的数据可以为非法采砂取证提供信息[10-11]。

2.6 成果分析

通过无人机侧航分析总结河道采砂监测成果，结果发现可采取有堆砂点16处、采砂点14处，非可采取堆砂点4处、采砂点4处，详见表1。

表1 无人机监测堆砂点及采砂点统计表

3 结 论

以朝阳市为例，深入探讨了河道采砂监管中无人机测绘技术的应用要点及其作业流程，并以柳河流域为案例分析总结河道采砂监测成果，结果显示监测范围内采取有堆砂点16处、采砂点14处，非可采取堆砂点4处、采砂点4处。实际应用过程中无人机测绘技术虽然还有诸多不足之处，但作为一种远程监测技术用于河道采砂监管能够获取大量的证据，大大降低野外作业的时间和人力投入，有利于采砂监管水平的提升。随着科技的不断发展，未来将地理信息系统与无人机测绘技术结合可实现河道采砂实时监管。