無人機遙感技術在水資源監測中的應用

朱可　趙云輝　汪翡翠　閆浩

本文介紹了無人機遙感系統的組成及作業流程，首先利用無人機遙感系統的特點結合實際流域水資源監測任務的需求，并通過實際案例凸顯無人機在流域水源監測上的優勢，最后對無人機遙感系統在流域水資源監測上的應用前景進行探索。

無人機作為新興的航空遙感平臺，具有高效率、低成本等特點。無人機技術經過了幾年的飛速發展，飛行穩定性、起降環境、載重、飛行時間、飛行控制系統都取得了很大的進步。利用無人機搭載可見光相機配備專業的飛行控制軟件，組成無人機遙感系統。利用無人機遙感系統開展河流監測，充分發揮無人機大航時的特點，可以快速獲取流域兩岸高分辨影像數據，極大程度上降低流域水資源調查成本。對無人機航空遙感成果進行專題分析，并將普查成果與實際應用相結合，提高流域普查和流域管理能力。

該流域水資源監測的特點

該流域河水主要由冰雪融水補給，流域在每年冬季處于干枯狀態，每年5-6月隨著冰雪融化河流水位逐漸上升。此次監測區域河流兩岸主要以從事農業為主。流域遙感監測目的主要為流域管理部門獲取河流兩岸農業用水情況的普查。獲取流域內引流渠、固定泵房、大河引水口、臨時水泵等用水設施的坐標位置，繪制通往調查點的道路，提取河道右側1km范圍內的農田分布、面積及坐標位置同時構建流域信息數據庫，為流域管理部門進行水資源管理提供信息數據。

無人機航攝系統

設備選型

進行無人機航空遙感監測時，根據任務區域的地理環境進行無人機系統的選擇。此次航空遙感監測的任務區域內建筑無較少、人員活動較少，同時由于此次監測時機選擇流域枯水期，可在干枯河道內進行無人機起降。由于流域監測區域和監測時間的要求，任務區域風力較大，不適合選用小型電動固定翼。綜合考慮監測區域現場環境、監測效率、無人機起降場地等因素，此次任務選擇采用大白固定翼無人機航攝系統，系統由無人機、航攝相機、飛行控制系統、地面站軟件、任務載荷等幾部分組成。固定翼無人機及主要參數如圖1和表1所示：

任務載荷為佳能5D MARK S相機，最大有效像素5060萬，采用35mm定焦鏡頭，搭配大白固定翼無人機，可適用于大比例正射影像快速數據采集。相機及主要參數如圖2和表2所示：

航線參數設計

本次任務的主要目的是進行流域兩岸偷水、排水情況的普查，需能從影像中分辨出偷水排水管道、水泵等設施，顧本次航攝要求影像分辨率優于10cm。根據飛行高度、航攝相機焦距、航攝相機傳感器尺寸以及傳感器分辨率的關系在分辨率需求確定的情況下進行飛行高度計算。

計算公式如下：

f/H=ab/AB

（1）

m=AB/k

（2）

其中，廠為相機焦距;

H為航高;

ab為傳感器寬度;

AB為地面覆蓋寬度;

m為像元分辨率;

k為地面覆蓋寬度對應的像元數量;

像點位移計算如公式3所示：

c=w/m

（3）

其中，v為飛行速度;

t 為相機快門時間;

m為像元分辨率;

c為像點位移量;

根據航攝任務的實際目的及《低空數字航空攝影測量外業規范 》航線規劃設計應按照以下原則：

（1）相片分辨率能夠優于10cm;

（2）相片航向重疊度滿足不低于60%，旁向重疊度滿足不低于30%;

（3）全部有效相片中，滾轉角可滿足不大于12。，除轉彎區域外，最大氣象影響幅度下滾轉滿足不大于15。，出現超過8°的片數不多于總數的10%;

（4）同一航線上相鄰像片的航高差可滿足不大于30m，航線高度容差可優于5m：

（5）影像能夠清晰，原始相片或自動處理后的相片可辨認出與地面分辨率相適應的細小地物影像;影像上無大面積反光、污點等缺陷;

（6）因飛機地速的影響，在曝光瞬間造成的像點位移最大不超過1.5個像素;

（7）航線方向與測區長邊方向平行，以減少飛行航線數量;

（8）為保證測區內完整的覆蓋度和成圖精度，航向覆蓋超出航攝邊界不少于2條基線，旁向覆蓋超出測區界限不少于像幅的30%;

無人機遙感監測流程

無人機航攝作業過程分為前期準備階段、作業準備階段、飛行作業階段、數據處理階段和交付驗收階段。航攝任務的整體流程如圖4所示：

無人機遙感系統監測特點

使用成本低

大白無人機遙感監測系統采用模塊化組裝，操作簡單，運輸方便。無人機采用滑跑起飛及降落，在緊急情況下可進行散降，起降距離小于50m，無人機飛行高度最高不超過3000m，無人機機組人員標配為3人。

作業效率高

大白固定翼無人機系統翼展3m，載重5kg，有效作業時長3h，巡航速度100km/h。搭載佳能5D MARK S相機時，獲取優于10cm分辨率的原始影像數據時，單架次覆蓋面積可達50kIT12，對于大面積流域監測具有獨特優勢。

系統穩定性強

大白無人機遙感監測系統配合專業的地面站軟件，抗風能力優于6級，無人機姿態穩定，從而保障航測作業中獲取的無人機原始影像質量。可滿足大比例尺正射影像圖的航測需求。

無人機遙感系統在流域水資源監測中的應用情況

利用無人機遙感監測系統作業效率高的優點，在枯水期特別是流域主管部門關心的農田灌溉前期進行流域遙感監測，快速獲取流域內的無人機遙感影像數據。無人機可以實現20km河流流域兩岸各1000m范圍內一天內快速覆蓋且成果分辨率優于8cm。通過處理后獲得高分辨率的遙感影像圖，對遙感影像圖進行專題分析，提取流域主管部門關系的大河內引流渠、固定泵房、大河引水口、臨時水泵等用水設施及兩岸農田及道路信息并構建專題信息數據庫。為流域主管部門執法排查提供詳細的數據支持。

數據成果

針對此次項目的具體需求，2017年4月利用固定翼無人機遙感系統快速獲取該流域區段內15km河流及河流兩岸各1km范圍內無人機遙感影像數據，影像分辨率為7cm，成果照片數量4619張。根據河流主管部門需求，該獲取時間段為農田種植密集區。通過處理獲取的無人機遙感影像數據制作了分辨率為7cm的1：1000高分辨率正射影像圖（ DigitalOrthophoto Map，DOM）。根據該區段流域主管部門的需求，對獲取的正射影像數據進行專題分析。獲取流域內引流渠、固定泵房、大河引水口、臨時水泵、農田以及通往用水設施的道路等信息進行專題提取。建立專題分析數據庫，生成監測區域專題信息圖（圖5）。此次共提取得到用水設施93個，其中臨時水泵5處、固定泵房14處、固定水泵53處、大河引水口9處、水管12處、提取兩岸農田信息總塊數627塊、農田總面積45881.98畝并繪制該區域內交通路線圖。

成果應用及完善

將無人機遙感系統獲取的流域水資源監測數據庫進行格式轉換加載到手機導航軟件戶外助手當中，流域管理部門執法人員根據水資源監測數據庫中標注的信息進行逐一排查并將所標注信息的權屬信息添加到水資源監測數據庫中，對數據庫進行完善。構建最終的水資源監測數據庫，為水資源管理合理調配，用水情況實施掌握提供有力的數據支持。

在實際現場核查的過程中，核查人員根據標注信息進行核查，核查準確性和完整性得到了質的提高。通過實際核查，現場核查人員以前通過人眼核查，無法發現的隱蔽偷水排水口被準確發現、依法取證。同時借助于無人機遙感成果數據準確的定位精度，取代了以往的手持GPS較低的定位精度，使得用水設施點位精度的準確性得到了較大的提升。以往測量成果的位置不準、面積不準的問題得到了根本性的解決。

通過流域主管部門的實際檢驗，無人機遙感系統在流域水資源監測上的應用得到了充分的肯定，建立了初步的流域用水設施數據庫，流域兩岸農田信息數據庫，流域兩岸道路信息數據庫。推動該區域流域水資源管理由電子表格向二維電子地圖數據庫轉變，提高了流域水資源管理的綜合能力。

總結及展望

通過此次任務充分驗證了無人機遙感系統在流域水資源監測中的實際價值。通過無人機遙感監測系統獲取的數據建立的水資源監測管理數據庫極大提高了水資源管理的綜合能力。通過此次項目驗證有利于流域管理單位建立整條流域的水資源管理數據庫，通過無人機定期巡檢、定期數據更新、快速應急響應等，構建完整的可變的水資源管理數據庫。該數據庫后期可接入網絡智能水流監測設備、智能水泵、智能電表等設備，可實現用水的實時掌控。流域水資源管制水平將得到質的提升。

（參考文獻：略。如有需要，請聯系編輯部。）