無人機(jī)在水利行業(yè)中的應(yīng)用

梁文潔 何香建2

（1.湖南天繪測繪科技有限公司 長沙市 410000；2.湖南省水利水電科學(xué)研究院 長沙市 410007）

在我們常規(guī)的測量當(dāng)中，精度要求不高的數(shù)據(jù)，通常采用人工拿手持式GPS實地采集，位置精度通常是米級。精度稍微高一點的則采用全站儀與GNSS RTK，全站儀的精度高，但采集數(shù)據(jù)時，必須雙人協(xié)作，作業(yè)半徑不到500 m，并且兩人之前必須通視，在野外極為復(fù)雜的情況下，使得作業(yè)效率極低。另外使用GNSS RTK可以單人作業(yè)，作業(yè)半徑可達(dá)（5～15）km，而且使用 CORS（城市差分參考站）技術(shù)，使得作業(yè)范圍可達(dá)全湖南全省（依賴手機(jī)網(wǎng)絡(luò)），這個案例在2014～2015年度的湖南省山洪災(zāi)害調(diào)查評價中，也有非常成功的應(yīng)用。但是野外依然存在大量地區(qū)，是外業(yè)工作人員無人法到達(dá)的，這使得我們的測繪工作存在盲區(qū)。而用無人機(jī)進(jìn)行空中測量，可以不受地形限制，直接從空中捕捉地面影像，采集照片位置信息，再通后無人機(jī)后處理軟件，生成數(shù)字高程模型與正射影像，在室內(nèi)完成最終的特征采集工作。用小型多旋翼無人機(jī)采集1 km2面積的時間約為18 min，僅消耗約0.1 kW·h的電。而人工差不多需要一周的時間才能完成，并且花費也非常高，危險性也比較大。因此，我們先后使用無人機(jī)完成古丈縣泥石流、衡山縣山體滑坡、邵陽漁塘坍方等自然災(zāi)害的現(xiàn)場應(yīng)急測繪，“小農(nóng)水”項目水源周邊的快速測繪、典型小流域面積的統(tǒng)計。

1 無人機(jī)簡介

常用的無人機(jī)有兩種，一種是旋翼，一種是固定翼。旋翼機(jī)幾乎對起降場地沒有要求，垂直起降，而且相對穩(wěn)定，容易上手。缺點是耗電量大，效率稍低，一個起降大約作業(yè)面積為（1～2）km2。非常適用于小型項目，比如“小農(nóng)水”水源地勘測。

以大疆無人機(jī)為例，首先是方便攜帶，整機(jī)約4 kg的重量，起飛重量僅1.25 kg。其次是操作簡單，我們僅需到現(xiàn)場用手機(jī)在谷歌地圖上框選一塊待測范圍，軟件會自動計算航線密度、無人機(jī)飛行速度、拍照時間間隔以及手動調(diào)整走向，每一個航線任務(wù)都是由若干航點組成，由手機(jī)上傳給無人機(jī)后，無人機(jī)自帶的GPS會依次自動導(dǎo)航到這些點，期間自動拍照，以便完成掃描整個測區(qū)的任務(wù)。手機(jī)與飛機(jī)的通訊距離通常在7 km，如果信號斷開，無人機(jī)依然可以根據(jù)飛行控制系統(tǒng)中緩存的航點數(shù)據(jù)，自主完成當(dāng)前任務(wù)后自動返航。在不足以完成當(dāng)前任務(wù)時，無人機(jī)也能夠自動返航，更換電池后重新回到該點繼續(xù)任務(wù)。固定翼無人機(jī)相對多旋翼無人機(jī)主要是對起降場地要求比較高，因為不能垂直起降，所以需要跑道，但是巡航速度快，航時長，適合大面積作業(yè)。

2 操作流程

項目涵蓋郴州、常德4個“小農(nóng)水”項目水源的勘測，項目要求提供1∶2 000正射影像圖，地面分辨率0.08 cm，為了追求更好的效果，我們實際飛行設(shè)置在了0.05的分辨率。之后針對項目具體要求，擬定如下流程（圖1）。

圖1 作業(yè)流程

因為項目本身面積不大，可以提前規(guī)劃，也可以到項目現(xiàn)場以后再進(jìn)行規(guī)劃。得益于智能移動設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可以在手機(jī)上的無人機(jī)航測規(guī)劃軟件直接下載高清影像圖，以獲得更為準(zhǔn)確的信息。規(guī)劃好以后，編號、保存，之后直接上載給無人機(jī)。大疆的小型無人機(jī)設(shè)計極為簡易，安裝螺旋槳后，開機(jī)等待數(shù)秒之后，即可完成航線加載，并一鍵起飛。完成任務(wù)后一鍵返航。

地面像控點是作業(yè)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系與控制整個項目的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要測量出現(xiàn)場的一些特征點（如道路轉(zhuǎn)角、或者人工用石灰標(biāo)寫的L型），像控點應(yīng)當(dāng)均勻布設(shè)在測區(qū)四周，并且中部也有1～3個。

將照片 （照片本身已經(jīng)由無人機(jī)自動寫入POS信息）直接導(dǎo)入PIX4D軟件即可，之后可以一鍵生成DSM與DOM。

3 精度檢驗

《1∶500，1∶1 000，1∶2 000 地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》（GBT 15967-2008）中規(guī)定了地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖工作中，正射影像的精度要求，具體如表1所示。

圖2 常德某村“小農(nóng)水”項目DOM展示（局部）

圖3 常德某村“小農(nóng)水”項目DSM展示（局部）

表1 點位精度要求

成果的精度直接影響了項目質(zhì)量，所以該應(yīng)用將會利用目前比較常見的GNSS RTK進(jìn)行檢查點以及地物特征點的精度復(fù)核。復(fù)核成果匯總?cè)绫?。

從檢驗對比表可見，制的正射影像圖完全滿足《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》（GBT 15967-2008）當(dāng)中的要求，因此可以使用到對水源附近地形勘測的需求當(dāng)中。

表2 精度檢驗表 M

4 補(bǔ)充

大疆的小型無人機(jī)在小范圍測量中有著無可比擬的優(yōu)勢，單人即可攜帶作業(yè)，學(xué)習(xí)成本低，僅數(shù)萬元即可入手，可以迅速上手，取代精度相對要求較低的人工地形測量。其擁有先進(jìn)的計算機(jī)視覺定位技術(shù)，即使在非常復(fù)雜的地形下，也會自主分析地形選擇平整區(qū)域降落。使用智能手機(jī)即可實現(xiàn)操作，與傳統(tǒng)航測終端——筆記本電腦相比，野外更容易充電與獲取網(wǎng)絡(luò)。但是其缺點也非常明顯，僅30 min的續(xù)航，以及需要GNSS RTK進(jìn)行地面布控，而布設(shè)地面像控點，往往占據(jù)外業(yè)的40%～75%甚至更多的時間。而相應(yīng)取代的辦法則是選用固定翼以獲取更長的飛行時間，并且在無人機(jī)上加裝PPK以減少像控點數(shù)量，或者加裝RTK甚至可以做到不使用像控點。目前帶RTK的無人機(jī)，比較成熟的產(chǎn)品要屬美國TOPCON公司生產(chǎn)的天狼星，其已經(jīng)通過國家光電測距儀器檢測中心的測試，滿足1∶500測圖的使用。

不止于測繪，還有防汛水情的勘察，泥石流等突發(fā)性自然災(zāi)害現(xiàn)場的快速建模及面積統(tǒng)計、典型小流域的航測等等。相信無人機(jī)在未來，會在水利行業(yè)擁有更為豐富的應(yīng)用，服務(wù)于水利，服務(wù)于大眾。

[1]劉昌軍，郭良，蘭駟東，趙炎增.無人機(jī)技術(shù)綜述及在水利行業(yè)的應(yīng)用[J].中國防汛抗旱，2016，（03）：34-39.

[2]聶喆，高廣利，郜海濱.無人機(jī)系統(tǒng)在水利上的應(yīng)用[J].東北水利水電，2013，（12）：62.