基于無人機數(shù)字高程模型的灌區(qū)渠道測量研究

摘要：深入探討了基于無人機數(shù)字高程模型的灌區(qū)渠道測量方法。無人機通過自主飛行、避障等功能，配合傳感器捕捉地面目標信息，實現(xiàn)了灌區(qū)渠道的精確測量。同時，高程數(shù)據(jù)處理在灌溉渠道測量中發(fā)揮著重要作用，包括平滑算法、插值算法以及DEM構建等方法，為灌溉管理提供了重要依據(jù)。以松古灌區(qū)為例，采用自主研發(fā)無人機進行了詳細的測量研究，成功獲取了高清圖像數(shù)據(jù)，并經(jīng)過軟件處理得到高分辨率的圖像。這些圖像為灌區(qū)的引水能力和運行效率提供了重要依據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供了極大的便利。

關鍵詞：無人機；數(shù)字高程模型；灌區(qū)渠道；測量；精度評估

灌區(qū)渠道傳統(tǒng)的測量方法往往耗時耗力，且精度受限，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。因此，探索新的測量技術以提高灌區(qū)渠道測量的效率和精度成為當前研究的熱點。而無人機技術的快速發(fā)展為灌區(qū)渠道測量提供了新的解決方案。通過無人機搭載的高清相機或激光雷達等傳感器獲取灌區(qū)的航拍數(shù)據(jù)，然后利用相關算法和技術構建數(shù)字高程模型，能夠準確地傳達地形地貌信息，進而呈現(xiàn)灌區(qū)渠道的區(qū)域分布和形態(tài)特征。這種方法不僅提高了測量的精度和效率，還能夠?qū)崿F(xiàn)灌區(qū)的三維可視化，為灌區(qū)的精確管理和決策提供科學依據(jù)。

因此，本文旨在深入研究基于無人機數(shù)字高程模型的灌區(qū)渠道測量方法，通過理論分析和實踐應用相結合的方式，探討該方法的可行性、優(yōu)勢和局限性，為灌區(qū)的精確管理和水資源的合理利用提供技術支持和參考依據(jù)。

1無人機數(shù)字高程模型原理與技術

1.1無人機飛行控制系統(tǒng)的工作原理

無人機飛行控制系統(tǒng)通過接收來自各種傳感器的數(shù)據(jù)，實時獲取無人機的姿態(tài)、位置、速度等關鍵信息?；谶@些信息，飛行控制系統(tǒng)通過算法計算出控制指令，進而調(diào)整無人機的飛行狀態(tài)，確保其按照預定的航線、速度和高度進行飛行。

姿態(tài)控制至關重要。它主要通過調(diào)整無人機的俯仰角、滾轉角和偏航角，來實現(xiàn)對無人機姿態(tài)的精確控制。姿態(tài)角計算公式如下（q0，q1，q2，q3是四元數(shù)的組成部分）：俯仰角（θ）=atan2（2（q0q2+q1q3），

1-2（q2∧2+q3∧2））

滾轉角（）=atan2（2（q0q1-q2q3），

1-2（q1∧2+q2∧2））

偏航角（ψ）=atan2（2（q0q3+q1q2），

1-2（q2∧2+q3∧2））無人機位置控制主要通過GPS等定位設備獲取無人機的實時位置，與預設的航線進行比較，計算出位置偏差，并據(jù)此調(diào)整無人機的飛行方向。速度控制則主要依賴加速度計等傳感器，通過實時監(jiān)測無人機的速度變化，以保持穩(wěn)定的飛行速度。

1.2數(shù)字高程模型構建方法

1.2.1數(shù)據(jù)預處理

在構建DEM之前，通常需要對原始高程數(shù)據(jù)進行預處理，以消除噪聲、異常值或數(shù)據(jù)缺失等問題。預處理步驟包括濾波、平滑、插值等。其中，平滑算法是常用的預處理手段，它旨在減小高程數(shù)據(jù)的波動。移動平均法是一種常用的平滑算法，其公式如下：［＼＼text{新值}=＼＼frac{1}{n}＼＼sum_{i=

1}∧{n}＼＼text{舊值}_i］其中，n是鄰域內(nèi)像素的數(shù)量，舊值是指鄰域內(nèi)的原始高程值。通過計算鄰域內(nèi)像素值的平均值來代替當前像素值，可以有效平滑高程數(shù)據(jù)［1］。

1.2.2插值算法選擇

插值算法是構建DEM的關鍵步驟，它基于已知高程點的坐標和對應高程值，通過建立數(shù)學模型來推算未知點的高程值。常用的插值算法包括三角剖分法、反距離加權法、克里金插值法等。

以三角剖分法為例，它通過連接高程點形成三角形，并利用三角形邊的長度和角度關系來推算未知點的高程值。這種方法在處理噪聲點時可能會出現(xiàn)偏差，因此需要結合數(shù)據(jù)預處理來提高精度，它將已知點構成的數(shù)據(jù)集分割成許多個不重疊的三角形，并在每個三角形內(nèi)部進行插值計算。這種方法適用于地形起伏較大、地形特征復雜的情況。常用的插值方式包括線性插值和三次樣條插值等。

線性插值基于已知點的值和距離，計算出插值點的值。在三角剖分法中，假設三角形三個頂點的高程值分別為Z1、Z2和Z3，對應的權重分別為λ、μ和（1-λ-μ）。插值點的高程值Z可以通過以下公式計算：Z=（1-λ-μ）×Z1+λ×Z2+μ×Z3其中，λ和μ是與插值點在三角形內(nèi)的位置有關的權重。權重λ和μ的計算通?；诓逯迭c的坐標和三角形頂點的坐標。具體來說，可以使用重心坐標法來確定λ和μ的值。重心坐標法基于三角形的面積比來計算權重，確保λ+μ+（1-λ-μ）=1。

2模型構建與優(yōu)化

在選擇了合適的插值算法后，可以開始構建DEM。根據(jù)高程數(shù)據(jù)的分布特點和應用需求，可以選擇不同的建模方法，如規(guī)則格網(wǎng)模型、三角網(wǎng)模型等。以規(guī)則格網(wǎng)模型為例，它將地表劃分為規(guī)則網(wǎng)格，并在每個網(wǎng)格單元內(nèi)賦予一個高程值。這種模型可以通過內(nèi)插法來建立，常用的內(nèi)插方法包括加權平均法、移動曲面擬合法等。內(nèi)插過程中，需要根據(jù)高程數(shù)據(jù)的分布特點選擇合適的搜索半徑和插值算法，以確保模型的精度和連續(xù)性［2］。

2.1灌區(qū)渠道測量實踐與案例分析

松古灌區(qū)位于浙江省麗水市松陽縣，是甌江流域最大的盆地灌區(qū)。自漢代開始，古人因地治水，建造了數(shù)量龐大的堰、渠、塘、井等水利設施。到明末，松陰溪流域已建成完善的灌溉工程體系，總灌溉面積達16.6萬畝。項目充分考慮了灌區(qū)的地理特征、工程布局以及實際運行狀況。具體來說，東、西輸沙渠和東、西沉沙池作為灌區(qū)的核心組成部分，其淤積情況直接影響到灌區(qū)的引水能力和運行效率。東、西輸沙渠作為引水的主要通道，其淤積情況直接關系到引水流量的大小。同時借助GPSRTK高精度定位測量儀和無人機航測等先進技術手段，提高了測量的精度和效率，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供了便利。

2.2數(shù)據(jù)采集過程及質(zhì)量控制

在本次松古灌區(qū)的測量工作中，選用了自主研發(fā)無人機進行數(shù)據(jù)采集，其相機擁有1 in 2 000萬像素的CMOS影像傳感器，以及由7組8片全玻璃鏡片組成的高解析度鏡頭。配置確保拍攝圖像的高清晰度和色彩準確性，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理提供了高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。

其次使用GSPro地面站對測量地點進行了詳細的航線規(guī)劃。無人機按照設定的軌跡勻速自主飛行，確保了數(shù)據(jù)采集的準確性和一致性。設置了5 m低空飛行，飛行速度為1.5 m/s，分辨率設置為1.4 cm/px，確保了圖像的高分辨率和細節(jié)清晰度。航線間圖像重復率設置為90%，主航線上圖像重復率設置為85%，拍照間隔為2.0 s，這一設置能夠確保無人機在飛行過程中均勻拍攝，避免了因拍攝頻率過高或過低導致的數(shù)據(jù)丟失或重復［3］。

3結果與討論

3.1研究結果總結

在本次對松古灌區(qū)的測量研究中，利用自主研發(fā)無人機搭載的高性能相機系統(tǒng)，成功獲取了該區(qū)域的高清圖像數(shù)據(jù)。經(jīng)過精確拼接處理，得到了圖像分辨率高達0.01 m的影像圖，這為后續(xù)的地形分析和高程測量提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎。

根據(jù)圖像高程點信息，進一步生成了等高線圖和DEM高程圖。等高線圖展示了測量區(qū)域的地形起伏變化，而DEM高程圖則提供更為詳細的三維地形信息。這些圖形化數(shù)據(jù)直觀地呈現(xiàn)了測量區(qū)域的地形特征，為后續(xù)的水利工程設計和改造提供了重要的參考依據(jù)。

在斷面測量方面，以渠道左岸為0起點，采用無人機對上游段和下游段的斷面進行精確測量。通過整理測量數(shù)據(jù)，并利用折線圖的形式表達斷面形狀，得到無人機上游斷面測量結果的直觀展示。主要測量內(nèi)容為渠底高程，上游斷面渠底位于起點距15.00～38.39 m段。無人機測量渠底高程的平均值為38.347 9 m，其中在起點距38.896 7 m處測得渠底高程的最大值為38.379 0 m。下游斷面渠底位于起點距14.00～3 765 m段。無人機測量渠底高程的平均值為37.943 5 m，其中在起點距37.643 1 m處測得渠底高程的最大值為36.342 1 m［4］。

3.2結果討論

基于上述研究結果，對松古灌區(qū)東輸沙渠所處的地形特征以及無人機測量技術的應用效果進行了深入的分析。

（1） 從地形特征來看，該區(qū)域雖然整體地形起伏較為平緩，但渠底高程的變化卻不容忽視。特別是在上游斷面的渠底，從起點距15.00 m至38.39 m段，高程值呈現(xiàn)出一定的波動。這種高程差異可能是水流沖刷、泥沙淤積等自然因素長期作用的結果。因此，在灌區(qū)的運行管理過程中，需要密切關注這些區(qū)域的變化，采取措施防止淤積加劇，確保渠道的暢通無阻。

（2） 無人機測量技術在本次研究中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。通過高精度的相機系統(tǒng)和先進的圖像處理軟件，無人機能夠迅速、準確地獲取地形數(shù)據(jù)，并生成高質(zhì)量的影像圖、等高線圖和DEM高程圖。與傳統(tǒng)的測量方法相比，無人機測量不僅提高了工作效率，還降低了人工誤差，為灌區(qū)的地形測量和分析提供了更為可靠的數(shù)據(jù)支持。

（3） 人機測量技術還具有靈活性和便捷性的特點。它不受地形復雜性和天氣條件的限制，能夠在短時間內(nèi)對大面積區(qū)域進行快速測量。這對于松古灌區(qū)這樣的大型水利工程來說，具有重要的實際意義。通過定期的無人機測量，可以及時發(fā)現(xiàn)渠道淤積、地形變化等問題，為灌區(qū)的維護和管理提供有力的技術支撐［5］。

4結語

研究結果表明，基于無人機數(shù)字高程模型的測量方法不僅顯著提高了灌區(qū)渠道測量的精度和效率，更在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)測量方式的局限性。這一創(chuàng)新性的方法使得能夠快速、準確地獲取地形數(shù)據(jù)，進而生成高質(zhì)量的影像圖、等高線圖和DEM高程圖，為灌區(qū)的地形測量和分析提供了前所未有的便利和可靠性。

無人機測量技術的顯著優(yōu)勢在于其高效性、高精度以及靈活性。與傳統(tǒng)的測量方法相比，無人機能夠不受地形復雜性和天氣條件的限制，快速對大面積區(qū)域進行精確測量。這不僅大大提高了工作效率，降低了人工誤差，更為灌區(qū)的維護和管理提供了及時、準確的數(shù)據(jù)支持。此外，定期的無人機測量能夠及時發(fā)現(xiàn)渠道淤積、地形變化等問題，為灌區(qū)的運行管理提供了有力的技術支撐。

參考文獻：

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