無人機低空遙感技術在水文應急演練中的應用

孫振勇 王世平 彭萬兵

(長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020)

無人機低空遙感技術在水文應急演練中的應用

孫振勇 王世平 彭萬兵

(長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020)

在高危復雜環境下，快速有效獲取水文信息是當前水文應急監測能力提升的關鍵。水文部門必須運用先進的儀器設備與技術措施，對水文信息進行快速高效的采集、傳輸和處理，為搶險排險提供準確、可靠的實時數據。無人機系統低空遙感技術以其機動靈活、影像分辨率高、成果豐富多樣、成本低廉等特點,在應急監測中發揮著越來越重要的作用。介紹了無人機航攝遙感系統的基本構成和作業方法，結合2015年全國水文應急演練，對模擬災區進行了應急監測及數據處理。結果表明，基于無人機低空遙感技術進行應急監測，可大幅提高水文監測精度和搶險救災處置效率。

水文應急監測;無人機; 遙控技術；低空遙感

1 研究背景

自然災害或突發事件， 大多具有發生的突然性、 形式的多樣性、 結果的危害性、 處理處置的艱巨性和危害的持續性等特征[1]， 這就要求通過現場應急監測來快速收集翔實的數據信息， 從而為災害、 次生災害的調查及應急指揮決策等提供有效技術支撐。 與常規水文測驗和水文監測相比， 應急監測具有不同的要求和特點。 本文分析了當前水文應急監測技術的基本特點， 闡述了無人機系統的組成及低空遙感技術的作業方法， 結合2015年全國水文應急演練， 對基于無人機低空遙感技術的應急監測技術、 監測精度和搶險救災處置效率進行分析和評價。

2 當前水文應急監測技術的特點

災害應急救援提高效率的關鍵因素是及時獲取災害區域的災情信息。如何快速、準確地獲取相關數據已經成為應急搶險的難題和研究熱點。應急水文監測受特殊災害環境下各種不利因素的制約，對儀器設備的要求更高。經過調研和大量的儀器設備技術指標分析，在唐家山堰塞湖、舟曲泥石流等突發災害處置中的運用實踐表明，當前應急水文監測主要使用免棱鏡全站儀、高精度GPS、電波流速儀、衛星遙感監測等關鍵技術裝備[2]。當前水文應急監測技術管理體系日趨完善，儀器設備先進成熟，具備了以下特點： ①圍繞水文應急預案、水文應急管理體制、機制和法制建設, 水文應急管理體系成熟完善[3]； ②監測技術智能一體，數據獲取實現了多元性、綜合性、大面積的同步觀測；③ 效率和精度高，經濟效益擴大；④大量采用非觸源式作業模式，逐漸擺脫環境制約影響，大大提高了安全性能[4]。

無人機作業方式主要為800 m以下的低空飛行，與傳統航空攝影測量和衛星光學遙感相比，可以不受云層遮擋，是有效的彌補手段[5]。無人機低空遙感系統具有快速機動、影像分辨率高、實時性強、成本低廉的特點，且屬于非觸源式作業方式，能勝任各類高危區域作業，適用于各種災害的應急救援[6]。

3 無人機低空遙感技術

3.1 無人機系統組成

無人機系統航攝遙感平臺可分為飛行器系統、通訊鏈路和地面控制站三大部分，詳見圖1。飛行器系統的主要功能是接收航線規劃并實施飛行計劃。地面控制站主要功能包括任務規劃、飛行實時控制、姿態數據的實時接收和指揮調度。飛行器系統通過通訊鏈路與地面控制站進行飛行數據傳遞,以便工作人員實時監測飛行器的飛行狀態[7]。

圖1 無人機系統航攝遙感平臺構架

3.2 影像數據獲取

無人機低空航攝需要經過航線設計、航線飛行、質量檢查和像控測量等步驟[8]，影像獲取的關鍵是任務規劃，包括航跡規劃、任務分配規劃與系統保障和應急預案規劃等,其中,航跡規劃是任務規劃的主體和核心。影像數據獲取流程如圖2所示。

圖2 無人機系統影像數據獲取流程[9]

4 影像處理

鑒于災害的突發性以及災后環境的復雜性，通常不可能按常規的航空攝影進行設計和飛行航攝。姿態的雜亂以及飛行航線的不規則造成了成像影像像對的旋角、傾角過大，從而加大了影像匹配難度，嚴重影響了影像的重疊度。應急監測核心技術問題就在于航攝數據的快速處理，包括少地面控制甚至無地面控制的影像糾正，航攝影像圖的快速拼接和糾正、影像勻光等。

4.1 畸變差改正

數碼相機由于鏡頭的光學設計原因未進行嚴格的校正，也沒有進行內方位元素準確測定，故拍攝得到的普通影像存在非線性光學畸變誤差。在焦距不變的前提下，鏡頭畸變屬于系統誤差。因此，在處理普通數碼相機影像時，需要在進行空中三角測量前先進行畸變差改正。

畸變差改正通常有兩種方法：①直接改正法，即通過直接計算畸變圖像上每個像素的改正坐標，實現圖像改正；②間接改正法則是通過計算每個改正像素在畸變圖像上的坐標，實現圖像的改正[10]。此次應急監測采用的是直接改正法。

4.2 空中三角測量

空中三角測量時,為了獲取像片上的像點坐標，求解影像的定向元素和測圖所需的控制點坐標數據。常用的方法主要有為航帶法區域網空三測量、獨立模型法區域網空三測量和光速法區域網空三測量[11]。

光束法區域網平差是以投影中心點、像點和相應的地面點三點共線為條件，以單張像片為解算單元，借助像片之間的公共點和野外控制點，把各張像片的光束連成一個區域進行整體平差，解算出加密點坐標?；纠碚摴綖橹行耐队暗墓簿€條件方程式：

(1)

式中：x,y為某像點的像空間坐標，f為攝影機主距；X，Y，Z為該像點對應的地面坐標；XS，YS，ZS為外方位線元素；a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3為外方位角元素表示的方向余弦。由式(1)可知，區域網平差精度主要取決于像控點的外業采集精度。因此，布設像控點時應盡量均勻分布在整個航攝區域，且選擇的地物點地形特征比較明顯[12]。

4.3 快拼圖生成

圖像自動拼接技術是指通過先進的計算機圖形和色彩學技術，將空間上存在一定重疊的兩幅或者多幅圖像進行配準，并融合成一幅完整全新的圖像的技術[13]。鑒于應急監測數據實時性需要,可通過快速拼圖軟件對無人機低空航攝高分辨率影像進行鑲嵌拼，快速得到災區全影像圖[14]。快拼圖無需GPS信息和相機參數，可以自動識別相機焦距，能自動平差和粗差剔除，自動生成快拼圖(DSM)和正射糾正。利用快拼軟件制作，還可以實現DSM編輯和量測功能，從而可以從DSM上進行距離、面積、體積等量算。嚴格意義上看，快拼圖精度上比數字正射影像圖(DOM)要低的多，但是可在2 h左右獲得災區大致信息，在災情分析、決策等方面具有一定的實用性。

5 水文應急演練應用

2015年在重慶舉行的全國水文應急演練現場，模擬了重慶市長江支流木洞河流域內發生特大暴雨洪水，引起河岸坍塌并形成了堰塞湖情況。長江水利委員會水文局應急搶險總隊上游支隊緊急奔赴現場實施水文應急監測，收集災區相關數據資料[15]。演練區域內左右岸人工堆砌了堰塞體壩，沿河兩岸植被茂密，地形起伏較大，沿河岸高差至百米。該處交通不便，僅有一條縣道通往該處，且公路距河邊高差較大，僅有田間泥濘小路下至河邊，儀器設備運送極為困難。演練區整體地勢為河流由西向東地帶低洼，河岸向南北陡增，最低海拔169 m，最高海拔495 m。

應急監測技術人員針對現場環境，啟動應急預案，采用四旋翼無人機系統，搭載索尼A7r相機，相機鏡頭焦距為35 mm，預設飛行的相對航高為330 m，預設航向重疊度70%,旁向重疊度45%。對現場進行航線規劃，檢查無誤后發送至飛行器系統中。飛行器系統啟動后按照預設航線實施影像數據獲取，并將拍攝的數據進行存儲或通過地面微波站實施傳輸。全程中在地面控制站實時監控無人機的飛行。本次低空遙感航攝飛行，沿東西方向飛行了8條航線，共拍攝了200多張影像。另外搭載了高清數碼攝像機實時獲取并向后方指揮中心傳輸影像數據達3.54 G，所獲取的無人機影像地面分辨率達到0.05 m級。圖3為全國水文應急演練木洞河流域模擬災害區無人機快拼DSM圖(數字表面模型圖)。

圖3 全國水文應急演練木洞河流域模擬災害區無人機快拼DSM示意

本次演練采用航天遠景MapMatrix數字正射影像處理軟件進行正射影像糾正與制作。在完成空中三角測量后，就可以進行正射影像生成、數字高程模型獲取等。圖4為無人機航拍制作的全國水文應急演練模擬災害區高分辨率DOM圖(數字正射影像圖)。

圖4 全國水文應急演練模擬災害區高分辨率DOM示意

6 結 論

此次水文應急演練監測顯示，無人機低空遙感技術能快速、有效地應對水文應急監測，起到有力的技術支撐作用，確保處置安全有效。無人機低空遙感影像技術主要表現出以下特點：

(1) 遙感平臺豐富多樣，成果多元化。無人機低空遙感技術搭載數碼相機、攝像機、紅外儀等多種遙感設備，可以同時獲取測區的快拼圖、數字正射影像圖、數字高程模型等各類數據產品。還可獲得測區的地質地貌、地形植被、水文土壤等各類綜合信息。

(2) 機動靈活，降低了作業強度，提高了安全性能。無人機低空航攝航拍，不受高層云霧天氣影響，且無人機本身結構簡便，易搬運和安裝。地面站人員通過通訊鏈路控制飛行器遙感航拍采集數據，無需人員直接到達危險困難區域作業，保障了作業安全。同時依靠人機交互的計算機處理技術，大大減輕了工作強度。

(3) 精度高、效率快。無人機低空遙感技術在災害發生后，可第一時間利用快拼軟件獲取災后全貌圖像，宏觀快速地獲取災情信息，也可進行空三解析獲取高精度高分辨率DOM、DEM等數據產品，實時分析災情。

通過在水文應急演練中成功運用表明，無人機低空遙感技術可在水文應急監測中將發揮較強的優勢，不僅可用于災害區域整體評估、堰塞體幾何特征估算、堰塞湖體面積量算和回水位置確定等領域，還能夠在有效規避人員安全隱患條件下，收集到寶貴的災區水文資料，為搶險救援提供及時的災情數據信息。

[1] 史綿紅,余晶京,劉靜思,等.我國突發環境事件現場應急監測儀器技術現狀及展望[J].化學通報,2015,78(5):414-420.

[2] 陳松生,林偉.唐家山堰塞湖水文應急監測[J].人民長江,2008,39(22):32-35.

[3] 王俊.水文應急管理體系建設[J].人民長江,2011,42(增):1-6.

[4] 孫振勇,馬耀昌,任勇,等.多源空間信息技術在全國水文應急演練中的應用[J].城市勘測,2011(4):87-90.

[5] 周潔萍,龔建華,王濤,等.汶川地震災區無人機遙感影像獲取與可視化管理系統研究[J].遙感學報,2008,12(6):877-884.

[6] 雷添杰,李長春,何孝瑩.無人機航空遙感系統在災害應急救援中的應用[J].自然災害學報,2011,20(1):178-183.

[7] 孫毅.無人機駕駛員航空知識手冊[M].北京:中國民航出版社,2014 .

[8] 張潘,余代俊,索朗江村，等.無人機遙感系統在應急保障中的應用[J].地理空間信息,2016,14(11):27-29.

[9] 孫振勇,馬耀昌.無人機系統KC1600航飛測試報告[R].武漢：長江水利委員會,2015.

[10]國家測繪局人事司.航空攝影測量[M].哈爾濱:哈爾濱地圖出版社,2007.

[11]魯恒,李永樹,李何超,等.無人機影像數字處理及在地震災區重建中的應用[J]. 西南交通大學學報,2010,45(4):533-538．

[12]張祖勛, 張劍清. 數字攝影測量學[M] .武漢: 武漢測繪科技大學出版社, 1997:99-122.

[13]王子維. 無人機遙感圖像的拼接技術研究[D] .大慶：東北石油大學, 2015.

[14]曾濤,楊武年,簡季.無人機低空遙感影像處理在汶川地震地質災害信息快速勘測中的應用[J].2009,測繪科學,34(增)：64-65.

[15]包波.2015年全國應急水文測報演練技術總結[R].武漢：長江水利委員會,2015.

(編輯：李 慧)

2017-03-31

孫振勇，男，長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局，工程師.

1006-0081(2017)06-0032-04

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