無人機低空遙感技術在水文監測中的應用

龔 敬

(長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010)

0 引言

大部分自然災害和大型災害都具有突發性和多樣性等特點，相關部門與應急搶險人員對于災害的處理存在一定的困難和危險，這就需要結合現場的應急監測，由專業監測人員對危害現場的實際信息數據進行核實與監測，進而為各種災害的調查、分析和指揮做出重要的技術支持。

1 無人機低空遙感技術的相關內容

1.1 無人機內容特點

無人機是一種通過無線電遙控設備或者機載計算機程控系統實施操作與控制的無人飛行器，其結構簡單、成本較低，但是不能夠完成有人機所執行的任務，其更加適用于一些不適合有人機執行的任務，例如危險區域的災害調查、空中救援指揮和環境遙感監測等[1]。結合其系統的組成與分型特點，主要分為固定翼型無人機與無人駕駛直升機兩種。其中，固定翼型無人機主要是通過機翼的滑行與動力系統結合的方式來完成起飛與降落，可以實現遙控與程控飛行，具有較強的抗風能力、種類較多，并且可以同時搭載較多的遙感傳感器。固定翼型無人機起飛前需要比較空曠的場地，適合應用在礦上資源的監測、林業資源與草場監測、海洋環境監測以及土地利用監測等方面。

1.2 無人機遙感

無人機遙感是一種結合先進的無人駕駛飛行技術、遙感傳感器技術、GPS差分定位技術、通信技術以及遙感應用技術的組合技術形式，可以使國土資源的獲取實現自動化、智能化與專業化，并且可以應用于各種自然環境、災區等空間遙感信息的傳遞和處理上[2]。該技術具有機動性高、快速、成本低的優勢，目前已經成為世界各國關注的熱點技術之一，也是未來航空遙感技術的重點研究項目。

2 水文應急監測技術特點分析

2.1 巡測優先、駐巡結合

在目前的水文應急監測方面，水利行業以及社會各界對水文的基礎數據的要求在逐漸提高，水文監測的控制點與斷面的數量在逐漸增加，因此完全依靠水文監測站的監測效果并不理想[2]。在此背景下，無人機低空遙感技術的應用可以全面了解到區域內部的水文信息，例如泥沙、水質以及水流量與流速等，然后在無人機上搭載高清攝像設備，及時獲取區域內部的水文信息，為水文應急監測工作提供重要的數據基礎。

2.2 應急監測、快速響應

我國是自然災害發生較為頻繁的國家之一，尤其是突發性水災造成的損失十分巨大，例如水庫出險、堤防決口、堰塞湖、泥石流、突發性水污染等。在此期間，水文應急監測與無人機遙感技術的應用，可以及時獲取這些突發事件的信息，為相關的政府部門以及水文監測部門提供關鍵的數據支持，進而減少災害的損失。近年來，隨著我國科學技術的發展與“大水文”戰略的實施，各種新技術與新設備正在不斷研發與應用，例如地基雷達監測和航天航空雷達監測以及無人機低空遙感技術等，其中，無人機遙感技術在水文應急演練中的應用較為廣泛，也是未來應用于水文監測工作的主要技術之一。

3 無人機影像處理方式

3.1 矯正畸變差

數碼相機由于鏡頭光學設計方面的影響，未經過科學的校正，也沒有測定內部的方位元素，在正常拍攝期間所獲得的影像一般都具有非線性的光學畸變誤差，在相機焦距不變的情況下，該誤差屬于正常范圍。因此，需要在拍攝之前對數碼相機三角測量的畸變差進行矯正，具體的矯正方式分為兩種，一是直接矯正，通過直接矯正畸變圖像中的像素坐標，進而實現矯正圖像的目的。二是間接矯正，主要通過矯正畸變圖像上面的坐標來實現最終的圖像矯正。在實際應用中，直接矯正比較適合大部分的應急監測，因此較為常用。

3.2 實現空中三角測量工作

為了保證像片上面的像點坐標能夠被精準獲取，需要在空中三角測量工作實施期間，對影像的定位元素以及所需要的控制點坐標數據進行求解處理，一般常見的方式包含航帶法、獨立模型法以及光速法區域網空三測量[3]。其中，光束法是以投影的中心點、像點以及相應的地面點三點共線作為測量的主要條件，以單張像片為計算單元，結合像片之間的公共點與野外的控制點將各個像片之間的光束連接成一個區域，進而實施整體評測作業，最終求解出加密點的坐標。其主要的理論公式共線條件方程為：

其中，x與y代表某個像點的空間坐標；f代表攝像機的主焦距；地面對應的像點坐標用X，Y，Z表示；外方位線元素用XS，YS，ZS表示；方向余弦用a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2、c3表示[3]。

可以看出，像控點的外業采集精度對于整個區域網評測精度有著重要的影響，因此，像控點需要均勻布置在整個航拍范圍，并且設置在地形比較明顯的地區。

3.3 快拼圖的生成

想要實現圖像的拼接，需要結合計算機中的圖形與色彩技術軟件，對空間內部的重疊圖像進行精準的對比，然后將對比之后的圖像進行融合，自動拼接出一種全新的圖像。這種技術可以滿足現實中應急預案檢測數據的需求，可以對無人機低空遙感拍攝的高分辨率圖像進行鑲嵌和拼接，進而快速獲取災區的全影像圖。快拼圖不需要全球定位系統所得到的信息與各種相機參數，其可以自動識別相機的焦距與參數，然后去除其中存在的差值，自動形成矯正之后的拼圖。在進行具體的拼圖制作時，需要將DSM編輯功能與測量功能有效結合，進而從DSM上進行面積、體積與距離的運算，但是從嚴格意義上講，數字正射的影像圖精度要高于快拼圖，但是快拼圖可以在短時間內獲取災區內部的大部分信息，為災區的應急救援和決策制定奠定數據基礎。

4 無人機低空遙感技術在水文應急演練中的具體應用

在實際水文應急演練期間，要想充分利用無人機低空遙感技術，相關監測人員應根據現場的實際情況，制定應急預案，具體的工作流程如下。

4.1 分析地形

對地形條件進行分析，全面規劃無人機的航線，保證河流水文信息監測的準確性。無人機監測具體結合特定的數學模型來獲取相關水文信息，所以需要選擇合適的測流模型。在實際監測中，河流的地理位置、水質等因素都存在較為明顯的差距，因此針對不同的地形條件要使用不同的測流模型。在結合無人機系統進行監測之前，需要搜集當地水文站的相關水文資料，找到相同水面條件下的流速分布函數，例如：拋物線、對數型等，另外，還需要結合模型來選擇合適的測流位置，以獲取更加精準的監測分析結果。

4.2 控制飛行

無人機監測系統主要基于微波雷達等技術來進行水文監測，因此需要無人機有較高的飛行穩定性，這樣其所搭載的攝像機才能夠拍攝出穩定、高清的地質信息畫面，否則地面的河流速度等因素會影響無人機的飛行速度，進而導致檢測結果出現較大誤差。無人機飛行穩定性控制方法主要有以下3點：(1)加速和減速控制。在加速與減速期間一定要控制其平穩性，同時需要將加速與減速的差值控制在較為合理的范圍內。(2)爬升和下降控制。在爬升與下降階段需要保持平穩性，才能夠在無人機拍攝完畢之后將數據信息完整的傳回到地面控制站，同時，還要注意速度與通視條件的控制。

4.3 地面控制

無人機低空遙感監測系統在水文應急演練中，提升了監測的自動化與智能化程度，但是還是需要地面的人力控制。在具體的監測期間加強地面的控制與指揮，可以進一步提升監測的效率與準確性，同時地面的控制人員也需要對監測的全過程進行動態控制，對無人機、攝像以及相關任務數據鏈進行監視與連接，從而保證操作的完整性。

5 結語

本文對無人機低空遙感技術在水文應急演練中的實際應用做出分析，結合遙感平臺的豐富多樣化、成果多元化等特點，利用數碼相機、攝像機以及紅外等器具，可以精準得獲取災區地面情況的數據信息，包含地質地貌、地形植被、水文土壤等，進而為應急團隊救援工作的順利實施奠定良好基礎。