无人机遥感技术在灌区信息化建设中的应用探讨

史源，魏志斌，白美健，章少辉

（1.中国水利水电科学研究院，100048，北京；2.河北省石家庄市冶河灌区引岗管理处，050200，石家庄）

无人机遥感技术在灌区信息化建设中的应用探讨

史源1，魏志斌2，白美健1，章少辉1

（1.中国水利水电科学研究院，100048，北京；2.河北省石家庄市冶河灌区引岗管理处，050200，石家庄）

无人机遥感技术具有数据采集灵活、成本低且可快速获取超高分辨率影像的特点，在我国灌区信息化建设中具有广泛的应用前景。通过介绍无人机遥感系统的组成及特点，从灌区信息化应用的角度，介绍了无人机遥感系统在灌区种植结构快速分类、遥感ET监测、输配水系统优化、摄影测量及水文模型应用等方面的应用前景。关键词：无人机；遥感；灌区信息化；应用

2011年中央1号文件提出，全面推进水利信息化建设，以水利信息化带动水利现代化。在这样的形势下，灌区信息化建设也必将得到快速发展。灌区信息化实现的基础，是灌区管理所需的灌溉面积、输配水网络、种植结构、水情、农情、工情等信息的采集、传输、存储、处理与分析。由于时间的变迁和当时技术水平的限制，灌区上述信息资料已不能及时准确地反映当前实际状况。掌握真实、时效性强的灌区信息数据，是开展灌区信息化建设、提升信息化水平、加强水资源管理的基础需要。

无人机（UAV，Unmanned Aerial Vehicles）遥感技术具有数据采集灵活、成本低且可快速获取超高分辨率影像的特点，是传统航空摄影测量和卫星遥感的重要补充。无人机技术在水利信息化应用方面已经较为成熟，已逐步应用在水利工程监测、重大水体污染事件监测、洪涝灾害及堰塞湖灾情应急监测、江湖和河道信息监测、黄河流域冰凌应急监测等领域。

在灌区信息化领域引入小型无人机技术，既可以弥补传统监测调查和测量手段实时采集难、作业范围小等问题，又可以弥补卫星遥感及航空测量工作成本高、时效性差、精度低、受天气状况影响大等问题，实现对灌区信息数据定量、定性、定位、实时、高精度的获取及分析。

一、无人机遥感系统的组成及特点

1.无人机遥感系统的组成

无人机遥感平台由动力系统、飞行控制系统、遥感系统及地面控制系统组成，各部分的性能和参数直接影响无人机遥感系统的作业范围和应用效果。

动力系统主要指无人机机身，提供无人机起降、空中稳定、完成飞行任务所需要的动力。材质根据机体大小分为泡沫塑料、塑料合成材料、碳纤维等，动力来源分为电动和油动两种，动力装置分为固定翼、单旋翼、多旋翼三种形式。机身具有一定的载荷能力，便于飞行控制系统和遥感系统的安装。

飞行控制系统主要实现无人机空中作业过程，无人机的起降过程由作业人员在地面进行遥控，到达预定高度后的定点控制通过飞行控制系统进行。控制模块包括飞行姿态传感器、飞控计算机、传感器负载及稳定平台、惯性导航系统、无线信号收发装置等，这部分设备固化在无人机动力系统中，能够自主飞行及实时响应地面遥控系统的指令，并实现航路及遥感影像数据的自动回传。

遥感系统包括机载传感器，如可见光传感器（数码相机）、近红外及热红外等多光谱传感器等，以及机载传感器控制系统相关附属装置，主要作用是航摄影像的获取和存储。机载传感器体积小，能够进行定时曝光和定点拍摄，数据采集完成后可以导入计算机进行数据预处理。

地面控制系统主要由无线遥控和通信系统、监控计算机和监控软件等部分构成，负责无人机的航线规划，通过设置遥感系统参数、航向及旁向重叠度、航迹航向等，精细规划飞行任务，还可以进行无人机飞行的姿态、航线等状态的监测和调控。

2.无人机遥感系统的特点

相较于卫星遥感和有人机航空摄影测量，无人机的优势主要体现在以下几个方面：

①飞行高度一般低于1 200m，在大部分地区可以不申请空域直接作业，应急性好，作业周期短，作业时间极为灵活。

②作业高度低，可以获得较高分辨率的影像数据（0.05～0.2m）以及大比例尺的灌区测绘成果（1∶1 000～1∶500）。

③无人机系统集成性较好，体积远远小于传统航空摄影飞机，具有便携性，2～3人即可完成现场作业。

④场地要求低，多旋翼无人机无须特定机场起飞，固定翼无人机只需要一块较平整的空地即可完成起降，如果采用弹射起飞和伞降的方式，对场地基本无要求。

⑤无人机系统的整体投资较小，目前10万元以下的无人机系统基本可以满足航摄要求，且为一次性投资，此外，无人机是遥控飞行，危险性也大大降低。

二、无人机在灌区信息化中的应用

无人机遥感技术的最大优势在于能够在灌区尺度提供宏观的、实时的、精确的连续动态观测成果，在灌区信息化中的应用主要体现在以下几个方面：

1.灌区种植结构快速分类

灌区信息管理中，灌区的基本灌溉面积、种植结构及比例是最重要的信息数据。根据种植结构变化，制定不同种植作物的灌水定额，根据灌溉面积的变化，预测灌溉用水需求和趋势，是实施最严格水资源管理的基础需要。利用无人机遥感的高分辨率、灵活机动的特性，实现灌区点线面相结合的时空监测，及时准确发现灌区人为或自然导致的灌溉面积及种植结构的现状和变化，可以预测不良发展趋势，提供宏观的科学数据和决策依据。田振坤等在北京顺义利用低空无人机遥感平台，以冬小麦和玉米为研究对象，基于农作物波谱特征和NDVI变化阈值，提出了一种农作物快速分类提取方法。试验表明，该方法处理时间短，分类精度高，冬小麦的分类精度达到96.62%，玉米的分类精度达到90.14%，图像分辨率和分类精度较原有卫星影像分类方法有较大的提高。

2.灌区遥感ET监测

ET是作物棵间蒸发（E）和叶面蒸腾（T）的统称，ET可以代表作物的真实耗水量，是灌区水资源管理和作物用水需水评价的一个重要参数，利用ET进行用水控制和水资源分配是目前国内外进行水资源管理的新的有效手段。利用遥感技术监测ET，能够将作物蒸散量在时空上的差别监测出来，目前遥感方法几乎成为监测区域地表蒸散的唯一有效技术手段。卫星遥感监测ET的相关模型所用的波段主要是可见光（VIS）、近红外（NIR）和热红外（TIR），监测卫星包括气象同步卫星GMS、极轨气象卫星NOAA系列、陆地资源卫星Landsat系列等。目前国内外众多学者和机构进行了遥感ET反演方法的研究，开发出很多较为成熟的模型及应用模式。无人机搭载可见光传感器自不必说，近年，随着技术的进步和成本的下降，可用于小型无人机搭载的近红外和热红外传感器也趋于成熟及商用化，基于无人机的遥感ET监测，可以突破卫星遥感平台的过境时间、分辨率、气候条件等因素的限制，极大地提高相关模型的监测和模拟精度。

3.灌区输配水系统优化

随着我国农村土地流转、农业规模化经营发展的需求，灌溉输配水网络的规模化、标准化和信息化已然成为节水灌溉的主要发展方向。灌区的输配水网络包括引水渠系/管网、排水沟/河网、湖泊和塘坝等，他们组成了整个灌溉系统。既有灌排水网络的分布图是通过测量得出，时效性和准确性差，相当一部分灌区甚至停留在示意图阶段。水体在中红外波段的光谱特征非常明显，无人机搭载红外波段传感器获取的高分辨率遥感影像可以轻易地识别灌溉系统网络，此外，应用相关解译模型，结合灌区地形、水文资料，可以模拟灌区的水资源量。基于无人机系统同期采集的灌区地形地貌数据、灌区面积及种植结构数据，结合灌区灌溉输配水网络数据，借助已有的水动力学模型和智能优化模型，能快速自动地开展灌区输配水系统和农田布置模式的优化和管理，极大地节约人力和物力，提高灌区的智能管理水平和水资源配置能力，达到最大限度节地、节水和节能的目的。

4.灌区摄影测量及水文模型应用

基于无人机遥感的低空摄影测量是目前无人机应用中最为成熟的领域之一。应用无人机遥感平台，在作业范围内设置航线规划，以及相关的航向重叠度、旁向重叠度，进行航空数字摄影测量，并对数字影像进行检校批处理及影像拼接和排序、空中三角测量等处理，结合相关的软件产品和航摄仪器，可以生成灌区的大比例地形图及4D数字影像图，即DRG（数字栅格地图）、DLG（数字线化图）、DEM（数字高程模型）、DOM（数字正射影像图）。4D数字影像产品是开展灌区尺度下的降雨产汇流分析、灌溉排水模拟以及灌溉水资源优化配置的基础性数据，结合相关水文模型或水动力学模型，利用无人机系统通过摄影测量生成的4D数字影像产品，为灌区尺度水文循环模拟和水资源优化配置等问题的解决提供了途径。

三、结语

《全国水利信息化规划纲要》提出“充分利用现代信息技术，深入开发和广泛利用水利信息资源，包括水利信息的采集、传输、存储、处理和服务，全面提升水利事业活动的效率和效能”。无人机以其自主、灵活、机动的起降形式和飞行方式，快速及低成本的数据获取能力，在我国水利信息管理中具有巨大的应用前景。灌区信息化建设应以多源水利信息快速获取、处理和融合技术为主要内容，把无人机的应用纳入灌区信息化建设体系中，将大大提高灌区信息采集的准确性及传输的时效性，对其发展趋势做出准确及时的预测和预报，为灌区灌溉管理提供科学依据和决策支持。■

［1］冯家莉，刘凯，朱远辉，等.无人机遥感在红树林资源调查中的应用［J］.热带地理，2015（1）.

［2］聂喆，高广利，郜海滨.无人机系统在水利上的应用［J］.东北水利水电，2013（12）.［3］贾鹏宇，冯江，于立宝，等.小型无人机在农情监测中的应用研究［J］.农机化研究，2015（4）.

责任编辑杨轶

App lication of UAV remote sensing technology in information construction for irrigation district s

//Shi Yuan，Wei Zhibin，BaiMeijian，Zhang Shaohui

UAV（Unmanned Aerial Vehicle）remote sensing technology，featured as high flexibility for data acquisition and obtaining ultrahigh resolution image in a high speed and low cost，has a wide application in information construction for irrigation districts in China.By introducing composition and features of UAV remote sensing system，prospects of adopting UAV remote sensing system for quick sorting of planting pattern，ETmonitoring，optimization of water transmission and distribution system and operation of photogrammetry and hydrological model in irrigation districts are evaluated from the point of extension of information technology.

UAV；remote sensing；informatization for irrigation district；application

TP393+TV

B

1000-1123（2016）09-0043-02

2016-03-03

史源，工程师，主要从事灌溉水资源信息化应用研究。

国家科技支撑计划课题（2015BAD24B02），国家自然科学基金青年项目（51509269）。