基于三维无人机数据的河流维护管理系统

李 强

(沈阳智信佰达科技有限公司，辽宁 沈阳 110014)

1 河道养护工作现状及存在的问题

河道管理线长面广，管理任务重、难度大，填、塞、堵现象以及废弃物沿河排放已经成为一个社会综合治理问题[1]。

1.1 河道维护常规手段

(1)河道设施维护。河流管理设施能稳定河流流量和水位，以防止洪水破坏。图1展示了河流管理设施的基本坡面。设施主要由堤坝、水闸、堤基、水道等部分组成。护岸是防止堤坝和河岸被侵蚀的建筑物，水闸是用于排水和防止倒流的建筑物，堤基结构可防止河床侵蚀。

图1 河流管理设施

(2)河道巡查维护。河道巡查手册是用来准确、高效地维护河流的，河道巡查手册总结了巡视的项目、内容和方法。以地级标准进行河道管理设施的检查和维修。一般情况下，每年通过目测检查一次。检查对象包括堤防、闸门、地基、河道等。如果发现异常或变形，检查员会拍照，测量形状变化和做记录[2]。

1.2 河道维护工作中存在的问题

为了解当前河流检查方法存在的问题，我们采访了信江河流管理处的两名管理人员。采访主要包括以下三方面内容：(1)河流维护工作最重要的方面包括不断监测河势变形，尤其重要的是检查堤防和护岸的泥沙淤积和变形。(2)检查结果记录在纸质文件上。办公室里有记录结果的信息系统，但由于一些问题，这些系统仍未投入使用。(3)检查是根据地图上大致确定的位置进行的。由于检查是使用二维地图进行的，所以识别现场检查点需要相当长的时间。

河道维护工作的检查结果以照片形式记录在二维地图上。通过分析检查手册和采访结果，识别设施变形在维护工作中至关重要。由于目前的河道管理是以二维地图为基础的，很难识别设施的现状形态和变形情况。此外，检查结果没有完全数据化，仅供检查时参考，这也容易产生工作上的失误。

2 利用无人机构建三维数据

实际利用一架无人机来勘察河流管理设施。利用运动构造(SFM)距离成像技术建立了信江的三维数据。测量范围宽约50 m，长约150 m。

2.1 河道管理设施的无人机测量

实际采用的专业无人机是一种体积小、价格便宜、操作简单的无人机。表1给出了该无人机的参数[3]。表2给出了其摄像头的规格。

表1 无人机参数

表2 无人机摄像机规格

由分别位于左右堤坝上的两名观察员警示行人和汽车。操作员将相机向下对准，并从上方拍摄了河流的视频。本次飞行获得了9个视频，总计约40 min。无人机以恒定速度飞行，横向移动约5 m，以保持80%以上的全景覆盖。图2显示了飞行路线。

图2 飞行路线

2.2 利用SFM构建三维数据

SFM是一种距离成像技术，它使用从不同角度拍摄的图像构建物体的三维数据。该软件可以在数据库中构建三维点云数据。照片为psz文件格式。

创建三维数据主要分为以下三个步骤：(1)操作员使用无人机拍摄河流管理设施的视频。(2)使用视频编辑软件从视频中提取图像。(3)使用Photoscan软件从步骤(2)中获得的图像执行距离成像操作。

在步骤(2)中，从约40 min、文件大小为1.6 GB的视频中提取了344幅图像。图3显示了信江河岸和河道的三维点云数据。生成1.01 GB大小具有25 248 632个点的点云数据大约需要10 h。从点的数量来看，使用344幅图像即可生成高精度的点云数据。图4以黑色标注了点云数据。

图3 信江三维点云数据

图4 点云数据位置

3 河流维护系统

3.1 系统目标

当前河道养护工作存在两个问题：巡查成果管理不到位和二维图像的缺点。由此提出了一种基于三维点云数据的河流养护管理系统。检测位置点可以累积形成数据库，并将检测结果与三维数据联系起来[4]。

3.2 系统架构

构建的河流维护管理系统，如图5所示，河流维护管理系统由空间数据基础设施、河流信息数据库、数据模型、模型库、通用系统接口,系统共享功能和应用系统组成。该系统的结构可以通过通用系统接口和数据模型添加新的信息项和系统功能。空间数据基础设施包括基础地图数据，空间属性包括地理信息、位置信息和包括高程在内的三维空间信息。它由三维点云数据组成。河流信息数据库以数据模型的形式表示河流的运行历程。数据模型使参与河流维护的人员能够交换和共享河流信息。通用系统接口提供发送和接收管理系统和模型库、河流数据库和空间数据基础设施的请求，同时还具有发送、接收和显示数据的功能。系统共享功能能在社会基础设施系统间共享信息，并可以执行检索、注册、下载和管理等操作。应用系统具有信息显示等功能。

图5 系统架构

河流维护管理系统的主要用户是河流管理员和检查员。图6显示了系统部署。检查员在现场使用智能设备将结果记录在系统中，并可以在现场使用计算机或数据库来参考检查结果。全球导航卫星系统(GNSS)用于记录检查结果和损坏或变形的位置。该系统以地面控制点为基础，利用GNSS对不同测量时刻的点云数据进行控制并录入数据库。根据以往的研究，GNSS有足够的精度。但是在缺乏GNSS卫星的情况下，该系统不适用。

图6 系统部署

3.3 系统开发

河流维护管理系统是利用TerraDeveloper三维GIS软件包开发的，可以读取三维点云数据。图7显示了TerraDeveloper中的点云数据。

图7 TerraDeveloper中的点云数据

在河流维护管理系统用户界面可以通过三维的角度查看河流属性状态变化。设置了用于操作点云数据的工具(使用鼠标调整三维空间中的查看位置)，以及鸟瞰、移动、全部显示、放大、缩小和属性信息等等工具。

3.4 系统功能

该系统主要有以下四个功能：

(1)信息显示功能。从河流数据库和空间数据基础设施中检索信息，并显示结果。用户可以请求获取三维点云数据信息和河流维护时间信息，并下载检索到的结果，将它们存储在他们的计算机上。

(2)检查结果录入功能。该系统可以在三维数据中的任何点输入河流维护信息。当用户点击三维数据的任意点时，显示输入功能。用户可以输入检查位置点、建筑物异常情况、远景和近景照片以及变形尺度，并以三维数据的形式进行登记。TerraDeveloper可以获得该位置的坐标。因此，用户可以随时查看数据。并将登记的数据在数据库中进行累积。

(3)参考检查结果功能。当输入检查结果时，数据会累积到数据库中，并且标记指示输入数据的位置(图8)。当点击该标记时，会显示在该位置输入的检查位置、建筑物异常情况、远景和近景照片以及变形规模。

图8 显示标记

(4)变形差异的可视化功能。此功能比较不同测量时间的两个三维数据集，将变形可视化。在图9给出的示例中，白色区域阴影部分表示淤积量的变化(增加或减少)，具体结合现场测量确定。

图9 三维数据的可视化

通过功能(1)和(2)，可以将检验位置点快速累计为数据库，将检验结果与三维数据联系起来。通过功能(3)和(4)，可以快速掌握河流的变形情况。

通过实际数据验证了该系统的可行性和可操作性，验证了该系统对实际数据的处理能力，达到了河道养护的预期效果。经确认，该系统能够处理实际数据，并能按照系统架构设计的要求工作，具有实际应用的潜力。该系统可以用来向市民和项目参与者直观地讲解建设项目。河流管理员可以与执行维护操作的工人共享存储在河流数据库中的信息。

4 结 论

本文提出了一种利用三维数据对河流进行高效、准确维护的河流维护管理系统。首先，通过采访实地工作人员，分析并找出了现有维护工作和河流信息系统中存在的问题。进一步利用无人机拍摄研究区实地照片并通过SFM软件构建了信江的三维点云数据库。提出了一个由空间数据基础设施、河流信息数据库、数据模型、模型库、公共系统接口、系统共享和各项应用组成的三维GIS系统。该系统具有河流维护信息显示、检查结果录入、参考检查结果和变形差异的可视化四项功能，经实际数据验证，该系统具有可行性和可操作性，能简化河流维护管理工作并提高工作效率，具有投入实际应用的潜力。