无人机航测技术在河道采砂及生态治理工程中的应用

许龙星，张兵兵，韩 振

（宏大爆破工程集团有限责任公司，广东 广州 510623）

无人机航测具有速度快、精度较高、数据处理流程简单等优势，相比于传统的RTK、全站仪，显著提高了工作效率和降低了劳动强度，已成功应用在城市测绘[1-2]、露天矿山测量、河道测绘、土地勘查、森林植被复绿统计[3-6]等方面，取得了较好的应用效果。目前针对河道治理问题，许多专家学者进行了很多有价值的研究工作。杨玉川[7]分析了无人机在工程全生命周期中的优势及应用前景，实现了勘查、施工监管及成果展示等目的。李涛等[8-9]将无人机航测用于河道边界测定，快速准确地获取了边界信息，很大程度避免了纠纷事件。陈桥驿[10]认为河道水环境影响因素多，涉及范围广，无人机航测可应用在水污染处理、生态修复等领域，为科学诊断河道难题提供了参考。洪运富[11]采用无人机实现了河道污染源的监控，确定了其分布范围及状态，有助于分析水源质量的好坏与消除污染来源。刘建良[12]针对河道资源工程量和洪水等安全问题，采用无人机航测技术较快地估算了河道资源量及预防了安全隐患的发生。

目前无人机航测技术在河道领域的研究与应用，大多是针对河道的隐患治理方面，而河道内储存着大量的砂石资源，如何在有效开采资源的同时，实现河道生态治理，相关研究较少。为此，以大沙河生态治理为背景，采用无人机航测技术进行河道采砂与生态治理的协同作业。

1 大沙河河道治理工程现状

大沙河河道治理工程是河北省邢台市的重点项目，治理区域的河道宽度为1.5 km，长度约为10 km，覆盖范围较大。在每年7 月和8 月的汛期，河道区域受上流水体不断冲刷，并携带大量的不同规格的砂石，最终在河道内淤积，使得河床不断抬高，蓄水能力明显下降，对于河床的稳定性及蓄水能力提出了较大的考验。基于这一现状，首先采出部分砂石，提高河道蓄水能力；同时进行护坡、复绿等工作，计划建成休闲、旅游观光为一体的市民休闲场所。通过现场勘查调研，认为本工程的重难点主要体现在以下几个方面：

1）河道范围过大，如何快速有效了解河道的整体情况是前提。传统的RTK、全站仪等需要人工进行现场测点，耗时太长，且由于河道内砂石堆积情况复杂，存在较多的砂石堆，人员难以有效测量。砂石间的空隙较大，存在不断滑落的现象，贸然登上石堆测量，难以保证测量人员的生命安全。

2）河道内砂石储量大，在进行前期规划设计时，需要有效估算工程量大小；而河道在汛期时禁止开采，工期短，导致前期开采工程量较大，对生产计划的有效执行提出了考验。此外，砂石的规格差异性较大，在挖运及筛选阶段，需要保证不同区域的砂石在规格上较为一致，故需要高效的现场调度监管。

3）河道内砂石的分布区域难以有效确定，且缺乏统一规划和统一组织，前期任意开采、任意堆放弃料现象较多，影响了河道行洪，同时反复开采使河道植被遭受严重破坏；盗采及民采现象十分严重，对施工与现场管理提出了较大的挑战。既存在填方区域，也存在挖方区域，如何有效确定这些区域，进而安排车辆及时施工，将河道平整到设计标准，是河道生态治理的重要方面。

2 无人机航测的外业作业及内业处理

随着无人机航测技术的不断发展，其为非接触性测量，航测耗时短、操作简单易行、可视化效果好、精度较高，可有效生成河道的三维模型及现状图，为河道治理提供了新的思路。基于大沙河河道治理难度较大的现状，在河道采砂及生态治理阶段采用了无人机航测技术。本次航测采用的是华鹞P310 型轻小型无人机搭载单镜头高清数码相机，需要在前期进行一定的准备工作，即外业作业。在此基础上，收集得到的航测数据，进行航测数据的内业处理，进而得到航测成果。无人机航测流程图如图1。

图1 无人机航测流程图

2.1 外业作业流程

外业作业阶段，首先需要勘查地形与分析河道的现状图，从而进行像控点布置。按照每3 km2布置5 个点的原则，结合河道高程落差的变化，最终制定了像控点布置方案[13]，像控点布置及航线规划如图2。像控点坐标测定时，采用RTK 对像控布中心位置连续测量10 次，汇总整理后，用于飞行计划制定及后期图像精度的校核。

图2 像控点布置及航线规划

在飞行航线规划阶段，首先将像控点坐标导入地面站软件，在做像控点规划时，考虑到了地形的影响，同时在现场布置像控点时也根据现场实际地形进行了些许调整，尽量做到高程控制和平面控制。确保覆盖河道治理区域和满足飞行安全要求，此次航测的相对航高为200 m，旁向重叠率为75%，航向重叠率为70%，航测地形图比例尺设定为1∶1 000。现场实施飞行前，必须进行飞前检查，包括机务检查、常规检查与航电检查，采用笔记本实时监控无人机的飞行状态，确保安全飞行。根据河道范围及电池的飞行效率，共布置了6 个架次，每次航测结束时，及时回收航测数据，包括POS 数据、移动站数据、基站数据、航拍照片。

2.2 内业处理

选择晴天且风力较小的时候进行河道航测，6个架次共获取了1 580 张高清带有色彩信息的相片，首选将获取的航测数据按照格式要求分次合并，输入至PPS 后处理软件进行一键解算，将结算后的航测数据按照Pix4D 软件的要求输入。对Pix4D 软件而言，航测数据的处理共分为3 个步骤，即初始化处理、点云及纹理、DSM 和正射影像图及指数。

在初始化处理阶段，首先进行无控制点生成影像，运行完成后，导入像控点坐标，在生成的模型中找到对应的像控点进行刺点，用于分析航测精度。刺点结束后，重新优化运行一段时间则可生成相应的质量报告，并得到像控点的误差范围。同时，河道内布置了一些特征鲜明的检查点，进行精度对比后发现，平均中误差在0.15 m 左右，高程差较小，可以发现像控点匹配情况较好，在精度分析中，通过现场选取的一些检查点和像控点误差情况，综合分析认为满足航测1：1 000 的要求。

生成的河道正射影像和三维数字模型，自带三维坐标，可较好地反映河道现状。同时，通过设置也生成了等高线间距为2 m 的河道二维现状图；将得到的正射影像输入到Global Mapper 软件中进行高程显示，清晰地显示河道内砂石堆场分布及高度信息，有利于指导砂石堆场及时整治和装运工作。

3 航测成果的应用

航测得到的正射影像、三维数字表面模型及数字线划图可应用在分析河道的地形地貌信息、生态环境、砂石积聚地、水源方向及水坑范围、生产计划规划设计及潜在安全隐患来源等方面。

3.1 河道境界圈定及生态环境普查

航测得到的河道三维模型，包含了河道内砂石资源分布状态、道路走向分布、植被生长状态、建构筑物分布区域、水坑分布等信息，自带三维坐标可较好地对区域进行定位，三维可视化效果好。可及时了解河道的开采现状，确定河道砂石资源的开采境界，防止出现越界开采，造成资源的不必要浪费。根据生产需要，进行定期的航测，可及时更新河道开采状态，降低安全隐患，极大地节省了测量周期。在生态环境普查方面，主要集中在植被生长范围及河道污染源存在情况；通过无人机航测得出的模型及高清图像信息来看，河道内植被高度较小，分布范围与河道内水源的分布有着密切的关系。同时，发现河道内存在村民占用河道资源种植农作物，一定程度上阻碍了河道的通行能力，造成了河道阻塞。河道内也存在一些建构筑物及临时砂石筛选厂，存在排放的人工垃圾，可能会对河道造成污染。无人机航测确定了植被生长范围及河道污染源存在情况，为河道周边复绿及河道环境治理奠定了基础。

现场勘查发现，河道内分布着众多的水坑，且分布位置并不确定，而水坑分布范围若依靠人工测量，则导致劳动强度过大，一定程度上制约了生产有序进行。通过查看三维模型，可清晰地了解水坑分布状态，利用Pix4D 软件中的量测功能，可有效确定水坑的长度、宽度、面积及体积大小，进而参考设计方案，确定水坑处是填方区还是挖方区以及具体的工程量，为后期河道平整奠定基础。

3.2 砂石资源储量的估算

河道三维模型较好地显示了砂石资源的分布情况，为后期安排车辆进行集中挖装提供了条件，可较好地提高工作效率，避免了车辆的窝工现象。运用Pix4D 软件中的工程量计算功能，通过圈定一定范围的砂石积聚位置，则可快速地估算出该区域的储量，相比较于传统基于CAD 的三角网算法，极大地降低了计算量和人工劳动强度。砂石存在分布不均匀的情况，采用无人机的测量数据可较好估算砂石资源储量，按照5 m 的设计开挖深度，设计院给出的估算储量为3 293.9 万m3，无人机的测量数据得到的估算储量为3 458.6 万m3，两者误差仅为5%，故认为其储量估算具备一定的可行性。无人机航测估算得到的工程量有利于合理配置车辆作业和保证车辆的高强度精准化施工，加快了河道隐患资源的有效开采，为河道淤积治理工作提供了便利。

3.3 采砂生产计划的制定与安全监管

依据航测成果分析河道内运输道路的分布状态，按照施工要求不断优化道路布置。确定合理的运输路线，有助于减少车辆运距，提高了运输效率，保证砂石资源的及时高效挖装。将治理区域划分为多个采区，通过砂石资源储量的估算，进而制定生产规划，按5 m 的设计开挖深度进行分区域施工，结合无人机航测得到的高程点数据，可在CAD 中作出相应的采砂工期规划，如1 年规划、3 年规划及5 年规划。同时，依据三维模型确定砂石堆料场位置，进行砂石粒径规格的筛选处理，将符合规格要求的砂石进行统筹管理与调度。利用可视化效果好的特点，现场管理者可准确了解施工安排和执行生产指令，确保资源的高效有序开采，达到河道平整和控制危险源等目标。

4 结语

1）分析了大沙河治理的难点所在，河道范围过大，难以有效及时了解开采现状，在河道干涸期，淤积的砂石严重妨碍了河道的通行能力；砂石资源开采规划难度较大，需要进行有效的治理工作。

2）无人机航测技术为非接触式测量，测量效率高、成本低，其优势在于集数据采集、数据分析、调度指挥、安全监控为一体，使得调度和管控指令更加科学合理和精准可靠。分析了无人机航测外业作业和内业处理阶段的流程，现场共布置了6 个架次，获取了河道的正射影像、三维数字模型及数字线划图。且经过对像控点和现场特定点的坐标误差综合分析，满足1∶1 000 地形图的要求，可用于河道的采砂和生态治理方面。

3）实践表明，航测成果应用在河道领域，有助于了解河道资源开采和生态环境的现状；利用Pix4D软件的功能，获取了砂石堆场的储量和水坑分布范围，有利于合理配置车辆进行挖装。优化了道路设计，合理地安排了阶段性的生产规划任务。无人机航测技术后期可用于生产调度指挥和专家远程诊断，保证了资源开采与生态环境的协调进行。一定程度上，实现了PDCA 循环，可对生产管理的各个环节进行设计与优化，确保了测量-规划-应用-改进全过程的高效运转。