無人機技術在灌區實時數字化管理中的應用

于 明，許 坤，張紅芳

（聊城市位山灌區管理處，山東 聊城 252000）

傳統測繪系統通常采用有人駕駛的飛機和衛星采集獲取地理信息，具有速度慢、不及時、采集信息不全面等缺點。無人機常應用于航空拍攝，具有機動靈活、實時傳輸的特點，可以有效彌補傳統測繪系統的缺點，因此將無人機技術應用于測繪領域成為行內研究熱點，這是測繪技術與航空平臺技術、信息技術的高度集成[1]。配備無人機的遙感測繪系統具有靈活、機動性強、實時傳輸、適合高危現場作業、影像分辨率高等特點，是衛星遙感測繪系統的重要補充[2]。其可快速獲取地理、資源、環境等空間遙感信息，完成遙感數據采集、處理和應用分析[3]。位山灌區地形復雜，有東西輸沙渠、沉沙池、3條干渠等骨干工程，為了加強對骨干工程的監督管理，采用配有無人機的低空遙感測繪系統，實現對位山灌區的工程測繪、水利動態監測以及洪澇災害的監測等。

1 配有無人機的遙感測繪系統優點

配有無人機的遙感測繪系統具有極高的測量精度，在測繪工作時可以實現精確的測量，并且可以保持數據完整，提升測量工程的整體水平。

（1）響應迅速。無人機系統操作簡單快速，并且容易實現運輸功能，可以在短時間的操作下迅速到達既定的測繪目的地。另外，其可以實現長達1～2h的高精度遙感載荷控制工作[4]。

（2）在測繪工作中可以大幅度提升圖像的分辨率，可以實現1∶500或是更大的放大比例；具有垂直或者傾斜測繪成像模式，能滿足不同的遙感測繪工作需求，并且監測的范圍更廣、更全面，可以實現全方位覆蓋。

（3）具有完備的數據分析體系和數據整合控制體系，并且可以實現分析和控制體系的完美整合，有極強的自主性。無人機的飛行航線有非常高的控制精度，無人機低空飛行可以到50m，高空飛行高度可達4000m，在這樣廣闊的飛行空間還可以實現自主飛行和測繪拍攝工作，且對高度的控制精度也很精細。此外，無人機飛行速度低速可達70km/h，高速可達160km/h，飛行平穩，可以很好地完成遙感任務。

（4）操作簡單、便利且操作效率高，可以在測繪工作中實時進行測量分析。其還是一個智能化程度很高的系統，可以實現自動化飛行操作，帶有故障自動診斷和顯示功能，有效維護了工作的正常進行，提升了操作效能。另外，一旦無人機在在測量工作中出現故障，它可以自己巡航回到出發點并盤旋在上空等待檢修。

2 灌區測繪無人機系統組成及其特點

文章所用灌區測繪無人機系統主要包括一個小型的無人機飛行平臺，同時配有無人機飛行的操縱控制系統，當無人機采集信息后需要有獲取測繪影像的設備，還要具備與無人機通信的設備，最后還要有信息的接收處理設備。

灌區測繪使用固定翼無人機，其具有超高的飛行效率，可以抵抗大風干擾，在惡劣的環境依然可以保持穩定飛行，作業效率很高。固定翼無人機可以實現無動力滑翔，有較長的續航時間和續航里程，可以連續工作幾個小時，最遠可以飛行100km左右，非常適合用于大范圍、遠距離的水利工程的航拍、航測等領域。

硬件和軟件系統的結合構成了無人機測繪系統，其中硬件包括無人機承載系統和監察地面的監控系統；軟件則包括進行航線規劃設計的系統、無人機飛行操作控制系統、進行遠程監測的遠程監控系統、進行航空拍攝的檢查系統以及獲得數據之后進行處理的數據預處理系統。無人機測繪系統軟硬件各個系統緊密配合，形成了及時、反應迅速的工作模式。電動裝置是無人機測繪系統的動力核心。測繪系統是整個系統的核心部分，是能夠完成測繪攝影工作的關鍵一步。無人機測繪系統采用多種先進技術融合在一起，體現了諸多技術的優勢，具體反映在系統有小巧的體積、輕快的質量，具有較高的測繪工作精度且反應靈敏，能適應各種惡劣的環境等方面[5]。

采用面網布設的方法對照片的控制點進行測量，在拍攝前現場選定控制點，在拍攝航拍后現場選取視地物點。在水利工程中，圖像控制點布置在兩側在公路上或河邊的平地上。由于淹沒問題，在平坦的耕地上設置了更多的圖像控制點。

航線網絡布置保證航線末端和下方的控制點被布置在直線通過主點和垂直于方向線的垂直點上，確保上方和下方的點在相同的3個尺寸相對位置上。確保在測量區域之間存在著重疊，垂直航線重疊度一般設為60%～70%，而旁向的重疊度為30%～50%。選擇無風、無云、大氣透明且良好的攝影天氣。

3 無人機系統測繪灌區要求情況及在灌區的應用

3.1 灌區要求情況

位山灌區管理范圍內的東西輸沙渠、沉沙池、3條干渠等骨干工程在應用中的目標要求主要有以下幾點：

（1）水利工程測繪中的應用：配備無人機技術的水域動態監測系統能夠實時觀測水域狀態，及時地傳輸、處理數據；與此同時，測繪遙感系統可以從無人機采集處理的數據中快速獲取高分辨率圖像信息，根據要求完成高清攝像、數字正攝影像圖的繪制，為工程建設提供重要信息。

（2）水利工程動態監測：利用無人機技術，實時觀測水域狀態，檢查灌區內水域的發展變化，將采集到的水域信息數據作為水域調查統計的依據，最終實現水域的現代化管理以及滿足當前社會經濟發展的需求；根據實時數據監測到的水域情況，建立包含水域動態變化和有違法占用水域情況記錄的檔案，為水域實時現代化管理提供資料信息。

（3）洪澇災害監測：利用無人機在發生洪災的地區進行災情的監測，并把實時搜集的資料發回指揮部，為做出應急措施提供及時有效的資料。

（4）對以上管理范圍內存在的違法事項進行巡查并定位，保證違法事項拍攝清晰可辨認，按照地面分辨率不低于1∶1000測圖精度進行拍攝。

3.2 無人機系統測繪在灌區的應用

此次的航空拍攝儀器使用Sonya7R，焦距為35mm，相位幅度為7360×4192，像素分辨率為4.88um。由GPS數據計算出無人機相對地面的飛行高度為400m，地面的分辨率達到0.07m。飛行平穩，成像質量良好，可以看出圖像有很高的清晰圖，色彩均勻飽滿，能將地面信息真實地表述出來。垂直航向航線重疊75%，側向重疊50%。

（1）像控測量。確保測量成像在像控點的布設范圍之內，布設的控制范圍包括測繪區的四周和中心位置。為了保證適應測試區的狀況，相控布設的控制點在每個測繪區都應不少于20個，并且都要設置為平高點。相控布設控制點以及測量應遵循的原則包括如下幾個方面：①像控點選在線狀地物的交叉點、明顯地物拐角頂點處、影像大于0.2mm點狀地物中心，交角良好；②像控點所在位置高程變化不大，像控點刺點目標的影像必須清晰、明顯；③有開闊的對空視野，沒有較大的遮擋干擾GPS觀測，應為接收設備預留位置，還要便于操作；④在進行觀測之后需要對近遠景進行拍攝，以便后續進行糾正，確保準確測量。

（2）空中三角測量。項目采用SVS軟件進行空三加密，根據航空飛行及影像分布情況，將空三區域分為兩個加密區域網采用自動與手動相結合的方式進行空三加密，即采用自動匹配進行像點量測，剔除粗差。手動調整直到連接點符合規格要求，并確保在2/3像素內。增加現場圖像控制點，計算并檢查區域的大地方位，最終加密結果滿足1∶1000數據采集要求。

（3）數據采集。數據采集由內業作業人員根據航攝像片上的信息和參照可用的輔助材料，在Mapmatrix軟件下，利用立體圖像模型對地形要素進行解釋。特征實體通過點、線、面和筆記收集、存儲。室外作業需對室內解讀過程中出現的錯誤、無法解釋的地形要素進行補充調查。

（4）調繪采用綜合判讀調繪法，也就是先室內判讀調繪，后野外檢核、調查和定性，最后室內清繪整飾的方法。調繪的內容包括居民地、獨立地物、道路及附屬設施、管線及垣柵、水系及附屬設施、植被等。

項目實施過程中，對項目巡查渠道進行了高清影像拍攝；對項目巡查渠道進行了數字正射影像圖繪制；對項目重點建筑物進行了三維全景拍攝。針對河道管理需求，通過飛行采集的高清圖像，進行河道、河堤破損情況查看；對重點建筑物的完好狀態實施查看。針對河道非法作業信息收集需求，通過無人機高空高清圖像，可以實現高清實時記錄存在的違法行為，同時提高人員的工作效率與安全性。針對可能存在的河道沿岸違章建筑的信息采集需求目標，利用無人機高空作業，航道拍照，通過影像軟件及原始測量數據，可直接查詢圖上違法建筑位置及坐標，并可以查詢違法建筑長度及面積。

4 結束語

配有無人機的遙感測繪系統可以彌補傳統測繪系統采用有人駕駛的飛機和衛星采集獲取地理信息速度慢、不及時、采集信息不全面等方面的缺點。文中位山灌區的實時數字化管理采用配有無人機的遙感測繪系統，根據當地復雜的地理環境充分發揮了配有系統的優勢，實現對位山灌區骨干工程的全覆蓋監管，能夠實現迅速、實時、在線持續的監控。配有無人機的遙感測繪系統操作簡單、便捷，成本低廉，智能化程度高，解放了勞動力，節省了開支，提升了現代信息化水平，真正實現了現代化智能監管。