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河道水环境治理中无人机的运用

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[摘要]本文论述了无人机测绘技术的基本原理及操作方法,并以CX河道水环境治理项目为例,研究了无人机测绘技术在识别河道水环境问题、水污染情况、岸线防洪情况中的应用,并运用无人机梯级测绘技术,分别对河道点源污染、面源污染、防洪影响区进行了测绘分析,对各层级测绘成果叠加合成最终测绘成果,论证了无人机测绘技术在各类别测绘要素分类研究、梯级测绘成果综合研究中具有很好的应用效果与研究价值。

[关键词]无人机(UAV);梯级测绘;河道

引言

随着我国水环境保护理念的不断推广,河、湖治理工作不断深化,针对河道水资源问题、水环境问题、水污染问题、水生态问题、水域岸线规划管理与防洪问题的监测与治理手段不断更新。与此同时,针对河道监测的测绘手段也在不断加强。河道测绘工作与传统测绘工作相比,对测绘方向、精度等的要求更高,测绘难度更大,测绘方法更加复杂[1-2]。随着“一河一策”、“一湖一策”、“海绵城市”、“水环境综合治理”等理念的提出,水域测绘的应用要求也进一步加深。针对我国河、湖治理等方面对测绘技术要求的不断加强[3],本文将研究如何根据不同的测绘重点、测绘范围展开河道测绘工作,将复杂的流域河道测绘问题简单化,将繁琐的测绘工作体系化,通过点位抓取完成河道梯级测绘,输出河道综合测绘成果。

1基本理论

无人机水环境测绘需要按照河道分层次、分类目的土地(水域)资料整理要求,对河道两岸情况进行分类测绘、分类出图,以满足河道资料输出的不同需求,便于河道治理过程中针对单一变量具体分析,也可使河道图层叠加与分类工作更加便捷。无人机测绘分层技术是在原有遥感信息或航测信息基础上运用无人机对待测绘点位进行实地航拍与分层测量的技术手段,无人机梯级测绘可以根据需要进行特定类别、特定项目、特定点位的测绘,相比于传统的大面域测绘方法更加准确[4]。现阶段,定点测绘技术、点位航拍技术等都已相对成熟,但是针对河道特定类别点位进行分层级测绘的技术手段尚不健全,本文针对河道水环境治理工作中的测绘任务需要,提出将无人机测绘方法应用于河道水环境治理工作当中,以满足不同图层的出图要求与河道测绘的类目划分需求[5]。

2技术手段

无人机梯级测绘技术需要运用倾斜摄影技术和地图配准技术,技术标准采用《中华人民共和国行业标准(CJJ/T8-2011):城市测量规范》,并运用Pix4Dmapper无人机遥感影像合成技术,采用点云成像算法对待航测区域进行测绘,具体方法为:首先对待测绘面域设定边界条件,针对限定面域范围内的待测绘点位进行层次划分,划分依据可根据测绘需求选定。如:对河道两岸建筑物进行梯级测绘,则可以分别对民用建筑、商用建筑、市政建筑或砖混结构、草木结构、钢混结构等进行分类;对河道水污染情况进行梯级测绘,则可以分别对点源污染、面源污染或生活污染、农业污染、工业污染等进行分别抓取。完成层次分类后则需对梯级测绘点位进行坐标拟定,即对各个不同的测绘内容进行分别定位,以便测绘无人机在测绘域内进行点位识别与测绘路线规划,并根据测绘点位坐标对测绘域内点位进行检索与航测[6-7]。如图1所示,通过梯级测绘,将实现不同点位测绘成果输出,各阶段测绘成果可通过Pix4Dmapper矢量叠加生成最终的梯级测绘成果影像,各个元素清晰独立,每种测绘元素都具有独立的测绘成果模块,最终的分层叠加测绘结果也只针对各类点位的测绘元素展开,测绘精度高,层次清晰,可以满足不同分层的测绘成果的综合需求。

3应用案例

为了说明无人机梯级测绘技术在河道测绘工作中的操作方法与应用效果,本文以CX河道水环境项目为例进行说明,CX河道为市控河道的一级支流,河道沿岸聚居区域较多,排污结构复杂,水环境问题突出,该流域2018年初已启动了“一河一策”方案编制,但CX河道由于沿岸交通条件差,植被茂密不便于人工踏勘,故采用了无人机航测技术。无人机航测技术大大解决了上述问题,同时针对不同测绘对象、不同测绘点位的航测数据可以分层处理,测绘效果明显优于传统测绘手段。如图2所示,为CX河道整体流域范围示意图,该项目旨在识别河道水环境问题、河道水污染情况、河道岸线防洪情况,以确定水污染严重、水环境问题突出、存在洪涝隐患的区位,并明确上述问题给流域带来的影响,以便于河道水环境治理、流域水资源规划、沿岸产业布局等工作的顺利展开。图2河道点源污染示意图图2中CX河道点源污染的点位抓取测绘成果,该测绘成果由排污口及其他污染源点位坐标、测绘高度及角度、测绘影像数据、水污染影像范围灰度矩阵等数据叠加合成,并通过对各个点源污染进行测绘识别,最终将各污染点差异化处理。图2中点位灰度的深浅表示污染程度,深色点位代表污染程度较重,浅色点位表示污染程度较轻;点位大小表示点源污染的污染物排放量或影响范围大小,半径大的点表示污染物排放量大或污染影响范围大,半径小的点表示污染物排放量小或污染影响范围小[8]。那么,通过对点源污染点位抓取,并根据实际情况分析处理,可以更直观的完成河道点源污染辅助分析任务。图3面源污染测绘示意图针对面源污染的测绘工作相对复杂,面源污染没有特定的测绘点位与辐射半径,面源污染往往为种植业、养殖业等农业污染,其污染物往往由支流或渠系进入河道干流,即污染主体沿河分布,且分布范围广,覆盖面积大,污染情况复杂。那么针对面源污染的点位抓取过程则分三个阶段。首先确立测绘范围,沿河划定测绘带[9],如图3中两条沿河长虚线内的区域即为本文案例中的面源污染测绘带。其次,沿测绘带边界对测绘域内进行初步航测,识别核心影响区域,在本文案例中,分别以CX河道左、右岸为初测路径,自东南向西北进行初步航测。最后,通过初步航测结果,识别面源污染影响区域,针对重点区域进行交叉测量,该案例中交叉测量轨迹如图3中跨河短虚线所示。通过面源污染点位抓取与加权线性内插法进行测绘分析,加权线性内插法运算原理如下:式中,L(Ro)为Ro点的预测值,即插值;n为Ro点周围已知点的数目;λi为参与预测的已知点的权重,L(Ri)为已知样本点Ri的测量值。式中权重值λi可表示为:式中,di0为己知样本点Ri到插值点Ro的距离。这种插值方法属于准确插值,比较适合站点数据相当密集并分布均匀的情况。通过对面源污染点位抓取,运用加权线性内插法进行分析计算,可以更好的突出重点测绘区域与其他地区的差异,并对重点面源测绘域插值细化处理,便于着重分析研究,最终完成面源污染综合测绘分析成果[10]。图中灰度的深浅表示污染程度,深色点位代表污染程度较重,浅色表示污染程度较轻;区域面积大小表示面源污染的影响范围,面积大的区域表示污染影响范围大,面积小的区域表示污染影响范围小。那么,通过对面源污染点、线、带状区域抓取并根据实际情况分析处理,可以更准确、高效的完成河道面源污染辅助分析任务。针对河道岸线防洪情况的测绘域抓取相对简单,在本文所述案例中,不涉及水利枢纽、淹没影响区等,河道防洪影响区和防洪工程主要沿河分布,根据河岸高程即可对河道两岸进行面域划定,准确的确定防洪测绘域[11-12],河道防洪测绘域测绘相对简单,在此不再赘述。那么,本文所述案例CX河道水环境项目,针对河道水环境问题、水污染情况、岸线防洪情况等内容,通过对点源污染、面源污染、河岸防洪等方面分别进行无人机梯级测绘[13],完成的河道梯级测绘成果最终可叠加生成河道水环境梯级测绘综合成果,如图4所示:图4河道水环境梯级测绘综合成果示意图图4为CX河道水环境梯级测绘综合成果图,由各类点位抓取测绘成果叠加合成[14],在该河道水环境梯级测绘成果图中可以清晰地识别出点源污染、面源污染、河道防洪岸线等信息[15]。该无人机测绘成果中,沿河带状色域为河道防洪影响区;河道两岸点状、面状色域为点源污染和面源污染影响区,灰度的深浅表示污染程度,深色代表污染程度较重,浅色污染程度较轻;区域面积大小表示面源污染的影响范围大小。除此之外,测绘成果分析图上只显示河道、路网等主要区位信息。最终呈现的河道测绘成果清晰简明,各测绘元素准确具体。

4结论与展望

通过本文所研究的无人机梯级测绘方法可以清晰的梳理出河道测绘工作所涉及不同测绘类别,明确各测绘类别的测绘要点,便于在测绘工作的开展过程中具体的分析研究,突出重点,精准测绘。在本文所述CX河道水环境项目中,通过对河道水环境问题、河道水污染情况、河道岸线防洪情况的识别,锁定了水污染严重、水环境问题突出、存在洪涝隐患的区位,并分别抓取了点源污染、面源污染、防洪岸线等方面的测绘要素。根据各测绘类目中测绘要素的特点输出测绘成果,便于针对每个测绘类目分别分析。最终,通过无人机梯级测绘成果叠加,输出河道水环境、水域岸线综合测绘成果图,以便各个类测绘要素联合分析及河道整体问题的综合研究。整体测绘成果效果较好,测绘过程更加清晰简明,通过明确测绘内容,筛分测绘元素;通过分析测绘需求,梳理测绘逻辑;最终提高了测绘的质量与效率,无人机梯级测绘技术在河道水环境治理工作中具有很高的研究意义与应用前景。

作者:张晓明 单位:辽宁省测绘产品质量监督检验站

河道水环境治理中无人机的运用责任编辑:张雨    阅读:人次