無人機低空遙感技術在水利工程運行管理中的應用研究＊

邱俊杰，沈小平，楊 兢，林 杰

（1.湖州市直屬水利工程運行管理所，浙江 湖州 313000；2.浙江云來集科技有限公司，浙江 湖州 313000）

近年來全球氣候變化對人類的生活造成影響，也給水資源和水利工程的管理帶來了挑戰。由于水利工程往往分布范圍廣、距離長、地形地貌非常復雜，在對水利工程尤其是河道堤防工程上的日常長效監管中往往存在大量盲區，許多問題無法及時發現并得到解決。無人機具有體積小且機動性較強，不受時間空間限制，具備數據采集全面、時效性高、精度強、自動化信息化程度高、可重復性強、性價比高等優點，可有效彌補和避免現有水利工程監管方式所存在的不足，帶來監管效能上質的提升。

1 背景

無人機低空遙感技術是集先進的無人駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、遙測遙控技術、通訊技術、GPS差分定位技術和遙感應用技術為一體的新型應用技術，它是繼衛星遙感和常規航空遙感技術之后的新興發展方向，發展潛力巨大。現階段，無人機低空遙感技術主要被應用于國土資源調查、自然災害監測與評估、生態環境保護等方面，而針對水利行業尤其是水利工程運行管理方面的應用研究還較少，尚處于起步階段。李德偉等利用無人機技術，對水域實施動態監測，能夠及時掌握一定范圍內水域的變化情況，通過得到的水域數據來做一些相關分析如水域調查、水域統計及其他管理制度，逐步實現水域信息管理智能化。張君等利用無人機遙感技術，來調查土壤侵蝕程度，從而完成水利工程實施范圍內的水土保持的研究。林順海等將無人機低空遙感技術應用于“河長制”的長效管理中，利用無人機航拍影像，對河湖污染源、水域污染區域、水面漂浮物等情況進行檢查和復核，并對非法占用水域、圍墾湖泊、非法采砂、突發性洪水等現象進行實時動態監控。雖然全國小部分地區及科研院所已經開始將無人機及低空遙感技術試用于水利領域的長效監管中，但均處于探索試點階段，除了無人機低空遙感技術自身不斷提升完善外，如何將其與現有的監管模式體系相結合，取長補短、協同發展，從而讓現代水利工程的長效監管更全面、高效、快捷、準確、智能，是未來智慧水利的重點研究應用方向。

2 無人機低空遙感技術的特點

分析無人機低空遙感技術，其主要包含以下幾方面的特點：①快速機動的系統響應能力。無人機飛行器起落時間較短，操作方便且易于運輸，設備搭載的遙感系統能夠對監測區快速采集數據，對復雜地形和危險區域擁有較強的響應能力。②基于高清影像和精準定位的數據采集能力。影像收集系統能夠拍攝出更加清晰的影像資料，定位更加精準，可對監測目標展開單波或多波等角度拍攝，為水利工程運行管理提供直觀信息。③多項任務兼顧的設備拓展能力。無人機除了擁有低空遙感系統，還搭載了各種小型遙感系統，比如攝像頭、熱成像監測儀以及雷達系統等，這些遙感系統可以進一步優化監測功能。④運行成本低，可以滿足預期測量精度需求。無人機低空遙感系統在應用時具有體積小、材料成本低、系統架構簡單的優勢，與其他遙感系統相比，無人機低空遙感維護成本低廉，操控起來更加便利。除了可以發揮航拍的作用，無人機低空遙感系統還可以達到后期數據處理的精度要求，系統原始相片最高分辨率大約在10 cm以內，影像成果需要達到1∶2 000的成圖精度，可以滿足水利工程建設中重要地形的高精度測量分析[1]。

3 無人機低空遙感技術在水利行業的主要應用范圍

3.1 在水域動態監測方面

隨著國內自然經濟的發展，過去采集到的水系資料和流域信息已經無法反映當前最真實的水系發展情況。采用無人機低空遙感技術，重新對水域作出數據采集，監測水域流域情況，在節約人力、物力的同時，完成資料的變更與更新。針對水域使用情況和邊界劃分狀態，采用無人機低空遙感技術作出全方位測量，經過數據處理生成數字影像水域地形圖，確立不同機構的聯控系統，對水域類型、面積等數據實施信息共享，完成各級數據的自動交換。

3.2 在防災減災方面

無人機低空遙感技術在防災減災方面的應用主要有以下幾個方面：①定期監測老舊或高危水利設施。在水利工程防汛方面，無人機可代替人工穿越高危地區，監測大壩、水庫以及堤防等險工地段，減少人員查看危險，方便水利設施檢測。②提升預警與監測水平。采用航拍正射影響與數字高程模型，結合相應數據生成三維模型，對災害過程作出模擬，確立預警數據庫。比如防洪指揮系統按照假設的水位高程生成淹沒區，計算受災面積。③提供實時災情信息。結合無人機遙感影像了解災情分布情況，防止決策不合理，以便及時制定救災指揮措施，防止災害救助工作過于盲目。④對災害損失作出評估。對比災害發生前后的影像數據，在無人機遙感技術的應用下，對災害作出判斷，以此作為災后重建的參考依據[2]。

3.3 在外業調查調繪方面

一般情況下，應用無人機低空遙感技術進行外業調查的地區多為復雜區域，甚至是無人區，要求區域內相對高差較小。在滿足測量精度的前提下，使用無人機測量技術，通過高分辨率攝像頭拍攝實景照片，再利用影像遙感的形式完成地形圖測繪分析，經過定位系統、單雙鏡頭、激光雷達等測量設備的搭載，實現高精度、高效率測圖任務。而在對水工建筑物進行測量時，受到測量空間、環境等限制常規地面方式無法獲取準確數據和較高精度時，可采用無人機低空遙感技術對工程重要區域作出補測，比如水庫壩頂高層、溢流堰堰頂高層、臨水坡腳高程位置的測量。另一方面為地形圖調繪，應用無人機三維軟件將影像拼接成型，對測量區域展開實地調繪，針對區域內建筑屬性、電力線路、交通設施以及通信線路等特殊地區作出確定，調繪時應用GPS-RTK技術完成管線設施的綜合測量[3]。

3.4 在水利工程建設管理方面

無人機低空遙感技術的應用將有效影響工程建設的勘測設計、決策評估、安全監測等。依靠無人機遙感測得的高清成像，憑借設備機動靈活的特征，為水利工程生態環境提供決策依據，也對區域內植被、土壤、土質、水域作出有效監測。應用空間技術手段，將無人機高分辨率遙感影像與高精度GPS系統充分結合，從而完成大型水庫與堤防工程的建設施工監測。

4 無人機低空遙感技術在水利工程運行管理上的應用

將無人機低空遙感技術應用水利工程的長效運行管理中，利用無人機常態化航拍動態影像可對日常可能存在的涉水違建、水利工程設施破壞、河湖岸線侵占、水面保潔、水質污染、非法采砂等水利工程相關問題進行實時動態監控，對監管與處置情況進行檢查和復核。采用無人機4G、5G圖傳技術，實現無人機遠距離巡檢圖像的實時傳輸至已有的地面監控管理系統，從而可以構建“天地一體化”的水利工程監控體系。通過基于無人機低空遙感技術的多維度重構方法，可建立典型水利工程的二維和三維數字化可視模型，并將其嵌入已有的水利工程標準化運行管理平臺，為后續防災減災、智慧水利建設提供可視化數據支撐。

5 總結

總而言之，無人機低空遙感技術憑借著自身優勢彌補了傳統人工方式在水利工程運行管理中的不足，特別適用于河道堤防等線性水利工程的全方位監管，由其獲得的海量基礎數據，可為后續河湖保護規劃設計、防災減災、工程建設管理、水利智慧平臺系統建設等奠定重要基礎，具有很大的行業市場應用前景。