无人机与无人船在水环境综合治理中的应用

引言

水是人们赖以生存的必要条件^［1-2］。水环境受到自然因素和社会因素影响，逐渐产生恶化现象，水环境遭到破坏直接影响到人们的生产和生活，甚至危及生命安全^［3-4］。随着国家对水环境的重视，各地区也逐渐对人们赖以生存的水环境进行监测和治理^［4-6］。测绘技术的发展给水环境监测和治理工作带来了极大的便利。河道水环境综合治理基础资料的获取，可以采用无人机或无人船来完成，可大大地减少外业的测量工作量^［7-8］。张晓庆等^［9］构建河道水上水下一体化测量系统，为河道水环境治理快速获取基础图纸资料提供一种思路。王利军等^［10-12］利用无人机航摄技术对河道进行大比例尺测图，获得了较好的精度。马博等^［13-14］采用了无人机和无人船的测量方法，对重点河段河道（江）道进行测量，为河道治理工程提供了基础图纸资料，获得了满足水运工程测量技术需要的地形资料，解决了传统河道测量作业效率低，以及作业人员涉水风险高等问题。王淼^［15-16］针对信阳市浉河的水环境综合治理存在的问题，提出了治理方案，解决了浉河的河道水环境恶化、提升了沿岸景观，同时提高了浉河的防洪能力。河道水环境治理前的测量工作效率低、成本高、周期长，已经严重影响河道水环境治理工作的顺利开展，采用现代测量技术，实现高效、快捷、精确地获取河道基础地形和数据势在必行。

本文采用无人机航摄获得研究区河道的数字正射影像图（digital orthophoto map，DOM），航空摄影测量处理得到数字高程模型（digital elevation model，DEM），结合无人船搭载测深仪获得的水下DEM，然后将上述两种DEM 融合处理，构建实景三维模型，获得河道内及周围现势性较好的完整DEM，为河道断面图以及数字线划图（digital line graphic，DLG）绘制提供基础数据，能够解决河道水环境治理前期获取数据难问题，解决了河道的纵横断面图不能按照需要快速绘制问题，为河道水环境综合治理提供基础的数据和影像资料。本文通过试验分析，评价这两种方法结合的成果精度以及适用性。

研究方法与试验区

1.1 试验区

试验区选取河南省信阳市城区的东南部，属于城乡结合部的浉河，位于东经114°06′，北纬31°125′。其地势为南高北低，岗川相间，形态多样的阶梯地貌。试验区以浉河河道为中心，沿浉河南路和浉河北路向外延伸，河道长度约26 km。测区范围内的浉河河道、浉河南路与浉河北路之间的水塘等水体，都要进行水下地形测绘，其面积约2.3 km²。

1.2 研究方法

1.2.1 无人机航空摄影测量

利用无人机航空摄影测量方法获取河道以及周边现势性较好的实景三维模型、DOM、DEM以及DLG。无人机航空摄影测量的技术流程主要包括确定作业任务与范围、准备工作、外业航摄以及像控点布测、内业数据处理，最后，根据工程需要生产实景三维模型、DOM、DEM、DLG 以及河道断面图等资料。

1.2.2 无人船河道水地形图测绘

利用无人船搭载单波束测深仪的方法，测绘河道内以及周边水塘的水下地形图。无人船搭载测深仪主要技术流程包括外业作业准备、无人船测深仪参数调整与设置、水上测量作业、内容数据处理、水下地形绘制等工作。为了能够将航空摄影测量成果与河道水下地形图测绘数据进行融合，还需要进行水下地形图的DEM制作以及水下地形图的DLG绘制。

1.2.3 成果的融合

为了获得河道完整的地形图与水下地形图，还需要将无人船单波束测深仪的测量结果，通过坐标转换处理后，转换为河道水下地形的DEM，利用GIS 数据处理软件将两种方法获得的DEM成果进行裁剪和镶嵌处理，得到河道以及周边完整的DEM 成果。将无人机航摄得到的实景三维模型以及DOM 导入数字化测图软件可以完成测区全要素的三维实景测图，生产DLG 以及河道断面图等产品，为河道水环境治理提供基础资料。

1.2.4 质量检查与评价

最终测绘产品的质量通常是采用成图精度来评价，对比计算图上量取数据与实测数据偏差，根据误差传播定律，计算成果的精度。计算检查点的两次量测值的偏差，再根据采样点的偏差值计算中误差，公式为

式中，m 为地物点中误差（成图的精度）；x 为偏差值；xˉ为偏差值的平均值；n表示检查点的数量。

数据处理

2.1 航空摄影测量

本次试验选择飞马F300固定翼无人机，飞行高度设计为300 m，飞行速度60 km/h。无人机搭载了SONYDSC-RX1RII 数码相机，固定焦距35 mm，有效像素4 200 万，航摄地面分辨率优于5 cm。试验区共计设计飞行19架次，相片的航向重叠度大于80%，旁向重叠度优于70%，相片倾角均小于5°，旋角均小于10°，飞行质量良好。航测内业分为定位测姿系统（position and orientation system，POS）的解析空中三角测量和内业全要素DLG 采集两部分。POS 系统是为航摄提供位置以及拍摄瞬间姿态数据，即航摄曝光瞬间航摄仪摄站的三维坐标（X，Y，H）和姿态角（φ，ω，κ）。利用自动化空三解算软件，实现基于POS系统的光束法区域网平差，获取高精度的定向点，为建立测区模型及内业数据采集提供准确的数学基础。内业数据采集则是根据1∶1 000 地形图成图规范，利用三维成图软件加载DEM 和DOM 影像，进行全要素地物采集，并绘制测区范围DLG。

2.2 无人船测绘河道地形图

本试验选择iBoatBS2 智能无人测量船，搭载单波束测深仪和声速仪。波束开角在5°±0.5°范围，能够测量深度范围为0.15～300 m，测量船的平面定位精度固定为8 mm，比例误差为1 mm/km，高程定位精度固定为15 mm，比例误差为1 mm/km。测量船采用垂直水流方向进行航线布置，航行速度设置为2.5 m/s。水下地形图测量结束后，及时检查水深测量效果。若出现航线过宽等遗漏现象，及时补测。

2.3 河道断面图绘制

绘制河道断面图是河道水环境综合治理的最重要基础图件资料。本文通过数据处理得到河道以及水下的DEM，根据河道工程治理的具体设计的横断面位置，自动生产相应里程的横断面图以及整个河道的纵断面图，如图1所示。

图1 河道横断面图（部分）

成果精度分析

3.1 控制网精度

平面控制网采用全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）静态测量方法，通过对控制点间的25 条重复基线偏差的统计分析，控制网重复基线的最大偏差为21 mm，最小偏差为2 mm，平均偏差约为12 mm，其方差约为13 mm。复测基线较差限差的平均值为32 mm，各条重复基线的偏差均小于限差，控制网的精度较好。高程控制采用水准测量方法，经过水准网平差计算，得到每千米高差全中误差为9.6 mm，符合规范中限差15 mm的要求。

3.2 成果质量评价

外业航空摄影成图影像的分辨率较高，色彩明晰，反差合理，对比度适中，没有发暗或过曝情况；影像拼接自然、合理，无明显裂缝、接缝错位、漏洞等情况出现。如图2 所示，内业生产的DEM融合效果较好，无明接边痕迹，同时DLG 成图质量也较好。

图2 数据融合后的DEM成果（局部）

3.3 地物点的成图精度

选择178个代表性地物点（路灯、房角、井盖、墙角，水深等典型地物点）作为检查点评定成图精度，经过统计分析，得到最大偏差48 cm，最小偏差15.6 cm，平均偏差29.2 cm，根据式（1）计算得到地物点的中误差（成图精度）平面为21.3 cm，高程中误差为20.8 cm，均符合规范要求。

3.4 工作效率分析

传统方法测绘河道基础资料过程烦琐，周期长，通过对比分析本文方法以及目前常用的方法，主要从人员配置，外业占比，作业周期、测量方式，成本、产品以及用途等几个方面对比，如表1所示。

表1 作业方法对比分析

通过对比分析，本文方法具有高效，成本低周期短，产品成果多，用途广等特点。本文研究的方法，在水环境质量工程、河道清淤工程、河道质量工程以及河道环境美化等工程的前期测绘中具有较好的应用价值以及前景。

结束语

本文通过无人机低空航空摄影测量和无人船搭载测深仪测量方法的结合，为丘陵地带、地形复杂、植被茂密、灌木丛生、河滩湿地水洼密布的河道测绘工作提供一种高效、安全的解决方案。同时经过验证，成图的精度较好，完全能够满足水运工程测量的精度要求。但是浅水区（水深小于15 cm）受到无人船吃水以及测量方法本身的局限性，无法较好地测量水深。

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