基于無人機技術的水利工程應用探討

曹帥帥，米鴻燕，楊潤江

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

基于無人機技術的水利工程應用探討

曹帥帥，米鴻燕，楊潤江

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

無人機技術能夠在低空獲取地址地形圖像、光學圖像，在水利工程中有較高的應用價值和較好的發展前景。以某市水利項目作為應用實例，結合無人機技術近年的發展情況，以及我國水利工程的發展動向，研究先進無人機技術在水利項目中的具體應用及其優點。

無人機技術； 水利工程； Pix4d； 航空攝影

我國干旱和洪澇災害多發，近幾年國家增大了水利建設投入力度，規劃建設多項中小型抗旱項目，新建鄉鎮連通工程、抗旱水源應急工程，以及其他配套工程。這些工程都離不開最基本的項目測量工作，尤其是征地移民測量、水庫淹沒范圍測量、壩址控制測量等，與老百姓的切身利益密不可分；因此亟須提高測量的速度和精度，并盡可能地縮減成本。近年來，無人機在水利監測領域的應用技術相對成熟起來，主要用于洪澇災害監測、水利工程監測、水環境污染監測、干旱缺水監測、內陸湖泊及水庫監測、農田灌溉監測和河床河道監測等。

1 關于無人機

1.1 無人機簡介

無人機技術是一種無人駕駛的飛行器飛行平臺技術，由機載計算機或者無線電遙控控制，搭載了小型的高分辨率數碼相機，利用衛星慣性導航和無線電通信技術完成低空飛行，快速獲取地面影像數據。無人機航空攝影系統包括軟硬件兩個部分：硬件部分主要是機載和地面監控系統；軟件部分主要有飛行控制、航線設計、航攝檢查、數據預處理等系統。

無人機是一種不載人的飛行器，它主要受內置程序的控制，可以自己完成預設的飛行任務。早在第二次世界大戰前就出現了無人機的雛形，即軍事訓練的靶機。到了20世紀90年代，無人機隨通信和信號處理技術的進步而有所發展，尤其是自動駕駛儀的問世，大大推動了無人機技術的發展。到今天，無人機在航拍領域已經近乎形成一門綜合性的技術。無人機已經成為一個搭載遙感設備獲取信息的平臺，例如通過搭載激光傳感器、微型單反、高分辨率航空相機等來獲取信息，然后用計算機處理獲得的影像信息，并可以按要求做成相應的多維效果圖，這是航空攝影測量、遙控遙測、視頻影像傳輸以及三維電子影像處理技術相結合的新型應用技術。

1.2 無人機的優點

無人機的低空飛行可以獲取較高分辨率的影像，這項技術解決了大飛機航拍和衛星由于云層遮擋導致目標區域遺漏的問題，彌補了遙感航拍機動性不足以及耗時長等缺點。傳統的航空遙感技術受到傳感器、目標空域以及航空平臺等很多因素的影響，在采集小面積遙感影像成果方面有著時間和經濟成本較高的缺陷。小型無人機的優點在于成本低、無人駕駛、結構簡單等，可以在小范圍內低空快速獲取高清遙感成果，有助于補充傳統的大范圍航空遙感的細節。總的來講，無人機技術的優點主要有以下方面：貼近目標區域，遙感影像分辨率較高；超低空工作，不受云層影響，云下飛行；成果多樣化，不局限于大飛機和衛星的正射影像等常規產品，可多航次多角度全面采集地貌地形數據，還可以支持構建三維景觀模型、數字地表模型等；對起降場地要求小，起降方便靈活，準備程序簡單，不受地形限制；對人員無傷害，可以實現對危險或交通不便區域的監測和探測，旋翼無人機可對特定地物進行懸停航測，或對固定區域進行重點航測；工作效率和應急能力較強，并且耗時短；生產成本較低，保養較簡單，維護費用低，培養操作員相對簡單。

1.3 無人機的應用

洪澇災害。2012年6月，臺灣行政部門派遣無人機前往洪災地區監測災情，并把獲得的資料實時傳往救援隊總部，以便對災情惡化區域采取應急措施。

水污染。2007年5月無錫太湖藍藻暴發，污染了自來水水源，對人民飲用水安全構成威脅。國家氣象總局使用無人機對太湖敏感地帶進行連續空中拍照，掌握了藍藻蔓延情況，為下一步整治取得了重要參考資料。2010年8月，吉林環保廳采用自動站和手工監測相結合的數據監測方案，利用無人機遙感資料進行決策，保障了河道安全和清污治理。

冰凌應急。無人機可以及時、精準把握黃河內蒙古段凌情、冰壩方位和轟炸成效，為解除黃河凌汛危險帶來技術支撐。2011年3月，無人機在三湖河口至昭君墳河段飛行時，采集了大量高新影像。

堰塞湖等應急。堰塞湖多發生在交通不便地區，給監測帶來困難。無人機具有使用成本低、機動快速、維護操作簡單等優點，可及時監測堰塞湖的分布及變化等情況，為救援和消除隱患提供第一手信息和科學決策依據。如2008年5月，汶川震后堰塞湖便使用了無人機進行拍攝。

江湖及河道。無人機搭載遙感數據采集處理等軟硬件，通過地理信息系統、虛擬現實、遙感等技術的集成應用，可迅速獲取河流河道、湖泊水庫的相關信息，為環保及水利部門帶來快捷多角度的監控信息。

2 無人機在水利工程中的應用實例

2.1 作業流程

首先確定測區范圍，然后制定航拍任務。確定天氣狀況：觀察云層厚度、光照和空氣能見度，到現場測定現場風速。選擇場地架設電臺：起飛點事先進行考察，做到現場平坦，無電線、高層建筑等，提前確定航拍架次及順序，姿態角度調整。磁偏角校準：無人機配備磁校準、電子羅盤等設備確保飛機在飛行過程中的自我姿態控制。放置彈射架：安裝時要檢查各部件連接是否緊密，彈射架供電接線連接是否正確，電力是否充足。手動遙控測試：將飛行模式調至手動遙控飛行狀態，測試機頭、機身、尾翼是否能按指令操作。起飛前要檢查航拍相機與飛控系統是否連接，降落傘包是否處于待命狀態，是否與風向平行，有無人員車輛走動等。

各項準備工作完畢后便可起飛。操作手應持手動操作桿待命，觀察現場狀況，根據需要手動調整飛機姿態及高度。飛行監測過程主要做3方面工作：1)對航高、航速、飛行軌跡的監測；2)對發動機轉速和空速、地速的監控；3)隨時檢查照片拍攝數量。無人機降落：無人機按設定路線飛行航拍完畢后，降落在指定地點。手動遙控操作手到指定地點待命，在降落現場突發大風、人員走動等情況時及時調整降落地點。數據導出檢查：降落后，對照片數據及飛機整體進行檢查評估，結合貼線率和姿態角判斷是否復飛，繼續完成附近區域的航拍任務或轉場。

2.2 技術特點

Pix4d采用計算機視覺匹配算法，自動計算原始影像外方位元素，自動校準影像生成相機檢校文件。全自動一鍵操作，僅需少量人機交互處理；原生64位軟件現場快拼，自動生成精度報告，快速評估外業質量。同一工程中可處理來自不同相機的數據，多航次數據無縫合并。自動點云分類和DTM抽取，進行點云濾波和平滑，大幅提高DSM數據精度。成果包含DOM、DSM、DEM，并支持標準格式TIFF輸出，無縫兼容行業軟件。

Pips一站式內業解決方案具有多模塊，高集成，全流程內業處理，多源數據生產，多源數據聯動，超高精度，大比例尺測圖，云計劃管理計劃，精度高(1∶500)的特點，還有其獨創功能，如多立體，無縫測圖，扣房檐等。

2.3 成果

運用P700E對某市水利項目做應用實例，P700E有高精度、超長航時、大比例尺、雙冗余工業級飛控系統、生成質量報告、模塊化載荷布局、支持多種文件格式輸出、軍工級地面站控制系統、勘測級光電載荷等一系列優勢。針對該地的基本信息可以從生成的質量報告總結中得出。

無人機針對相應的問題可以做二次開發，以滿足不同需求。無人機測繪可以為站址的選擇提供詳細的基礎資料和清晰的影像資料，可提高規劃效率，某種程度起到保護國家財產的作用，在水利維護和巡查方面也有其優勢所在。圖1～2是對該市河道航拍后以及經Pix4d處理后得到的總體瀏覽圖，可以清晰地看到河道的流經路線和地理位置信息。

圖1 某河道航拍的正射影像

圖2 線劃圖DLG

3 小結

本研究展示了無人機技術在水利工程中的應用優勢。水利工程的建設是發展現代農業、提升農業綜合生產能力、保障糧食生產的重要根基，還是確保人民用水安全、提升人們生活水準和質量的重要措施。對于農村用水困難、水資源保護、防洪等重大議題，運用先進的無人機獲取準確、及時的第一手資料正是使這些問題得以妥善處理解決的基礎。相信隨著無人機技術的進一步發展，其在水利管理方面必將展示出更加廣闊的應用前景。

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(責任編輯：高 峻)

2016- 10- 25

曹帥帥(1990—)，女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為三維空間建模與數字礦山，E- mail：1462472169@qq.com。

10.16178/j.issn.0528- 9017.20170346

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0528- 9017(2017)03- 0511- 03

文獻著錄格式：曹帥帥，米鴻燕，楊潤江. 基于無人機技術的水利工程應用探討[J].浙江農業科學，2017，58(3)：511- 513.