基于无人机技术的水利工程应用探讨

曹帅帅，米鸿燕，杨润江

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

基于无人机技术的水利工程应用探讨

曹帅帅，米鸿燕，杨润江

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

无人机技术能够在低空获取地址地形图像、光学图像，在水利工程中有较高的应用价值和较好的发展前景。以某市水利项目作为应用实例，结合无人机技术近年的发展情况，以及我国水利工程的发展动向，研究先进无人机技术在水利项目中的具体应用及其优点。

无人机技术； 水利工程； Pix4d； 航空摄影

我国干旱和洪涝灾害多发，近几年国家增大了水利建设投入力度，规划建设多项中小型抗旱项目，新建乡镇连通工程、抗旱水源应急工程，以及其他配套工程。这些工程都离不开最基本的项目测量工作，尤其是征地移民测量、水库淹没范围测量、坝址控制测量等，与老百姓的切身利益密不可分；因此亟须提高测量的速度和精度，并尽可能地缩减成本。近年来，无人机在水利监测领域的应用技术相对成熟起来，主要用于洪涝灾害监测、水利工程监测、水环境污染监测、干旱缺水监测、内陆湖泊及水库监测、农田灌溉监测和河床河道监测等。

1 关于无人机

1.1 无人机简介

无人机技术是一种无人驾驶的飞行器飞行平台技术，由机载计算机或者无线电遥控控制，搭载了小型的高分辨率数码相机，利用卫星惯性导航和无线电通信技术完成低空飞行，快速获取地面影像数据。无人机航空摄影系统包括软硬件两个部分：硬件部分主要是机载和地面监控系统；软件部分主要有飞行控制、航线设计、航摄检查、数据预处理等系统。

无人机是一种不载人的飞行器，它主要受内置程序的控制，可以自己完成预设的飞行任务。早在第二次世界大战前就出现了无人机的雏形，即军事训练的靶机。到了20世纪90年代，无人机随通信和信号处理技术的进步而有所发展，尤其是自动驾驶仪的问世，大大推动了无人机技术的发展。到今天，无人机在航拍领域已经近乎形成一门综合性的技术。无人机已经成为一个搭载遥感设备获取信息的平台，例如通过搭载激光传感器、微型单反、高分辨率航空相机等来获取信息，然后用计算机处理获得的影像信息，并可以按要求做成相应的多维效果图，这是航空摄影测量、遥控遥测、视频影像传输以及三维电子影像处理技术相结合的新型应用技术。

1.2 无人机的优点

无人机的低空飞行可以获取较高分辨率的影像，这项技术解决了大飞机航拍和卫星由于云层遮挡导致目标区域遗漏的问题，弥补了遥感航拍机动性不足以及耗时长等缺点。传统的航空遥感技术受到传感器、目标空域以及航空平台等很多因素的影响，在采集小面积遥感影像成果方面有着时间和经济成本较高的缺陷。小型无人机的优点在于成本低、无人驾驶、结构简单等，可以在小范围内低空快速获取高清遥感成果，有助于补充传统的大范围航空遥感的细节。总的来讲，无人机技术的优点主要有以下方面：贴近目标区域，遥感影像分辨率较高；超低空工作，不受云层影响，云下飞行；成果多样化，不局限于大飞机和卫星的正射影像等常规产品，可多航次多角度全面采集地貌地形数据，还可以支持构建三维景观模型、数字地表模型等；对起降场地要求小，起降方便灵活，准备程序简单，不受地形限制；对人员无伤害，可以实现对危险或交通不便区域的监测和探测，旋翼无人机可对特定地物进行悬停航测，或对固定区域进行重点航测；工作效率和应急能力较强，并且耗时短；生产成本较低，保养较简单，维护费用低，培养操作员相对简单。

1.3 无人机的应用

洪涝灾害。2012年6月，台湾行政部门派遣无人机前往洪灾地区监测灾情，并把获得的资料实时传往救援队总部，以便对灾情恶化区域采取应急措施。

水污染。2007年5月无锡太湖蓝藻暴发，污染了自来水水源，对人民饮用水安全构成威胁。国家气象总局使用无人机对太湖敏感地带进行连续空中拍照，掌握了蓝藻蔓延情况，为下一步整治取得了重要参考资料。2010年8月，吉林环保厅采用自动站和手工监测相结合的数据监测方案，利用无人机遥感资料进行决策，保障了河道安全和清污治理。

冰凌应急。无人机可以及时、精准把握黄河内蒙古段凌情、冰坝方位和轰炸成效，为解除黄河凌汛危险带来技术支撑。2011年3月，无人机在三湖河口至昭君坟河段飞行时，采集了大量高新影像。

堰塞湖等应急。堰塞湖多发生在交通不便地区，给监测带来困难。无人机具有使用成本低、机动快速、维护操作简单等优点，可及时监测堰塞湖的分布及变化等情况，为救援和消除隐患提供第一手信息和科学决策依据。如2008年5月，汶川震后堰塞湖便使用了无人机进行拍摄。

江湖及河道。无人机搭载遥感数据采集处理等软硬件，通过地理信息系统、虚拟现实、遥感等技术的集成应用，可迅速获取河流河道、湖泊水库的相关信息，为环保及水利部门带来快捷多角度的监控信息。

2 无人机在水利工程中的应用实例

2.1 作业流程

首先确定测区范围，然后制定航拍任务。确定天气状况：观察云层厚度、光照和空气能见度，到现场测定现场风速。选择场地架设电台：起飞点事先进行考察，做到现场平坦，无电线、高层建筑等，提前确定航拍架次及顺序，姿态角度调整。磁偏角校准：无人机配备磁校准、电子罗盘等设备确保飞机在飞行过程中的自我姿态控制。放置弹射架：安装时要检查各部件连接是否紧密，弹射架供电接线连接是否正确，电力是否充足。手动遥控测试：将飞行模式调至手动遥控飞行状态，测试机头、机身、尾翼是否能按指令操作。起飞前要检查航拍相机与飞控系统是否连接，降落伞包是否处于待命状态，是否与风向平行，有无人员车辆走动等。

各项准备工作完毕后便可起飞。操作手应持手动操作杆待命，观察现场状况，根据需要手动调整飞机姿态及高度。飞行监测过程主要做3方面工作：1)对航高、航速、飞行轨迹的监测；2)对发动机转速和空速、地速的监控；3)随时检查照片拍摄数量。无人机降落：无人机按设定路线飞行航拍完毕后，降落在指定地点。手动遥控操作手到指定地点待命，在降落现场突发大风、人员走动等情况时及时调整降落地点。数据导出检查：降落后，对照片数据及飞机整体进行检查评估，结合贴线率和姿态角判断是否复飞，继续完成附近区域的航拍任务或转场。

2.2 技术特点

Pix4d采用计算机视觉匹配算法，自动计算原始影像外方位元素，自动校准影像生成相机检校文件。全自动一键操作，仅需少量人机交互处理；原生64位软件现场快拼，自动生成精度报告，快速评估外业质量。同一工程中可处理来自不同相机的数据，多航次数据无缝合并。自动点云分类和DTM抽取，进行点云滤波和平滑，大幅提高DSM数据精度。成果包含DOM、DSM、DEM，并支持标准格式TIFF输出，无缝兼容行业软件。

Pips一站式内业解决方案具有多模块，高集成，全流程内业处理，多源数据生产，多源数据联动，超高精度，大比例尺测图，云计划管理计划，精度高(1∶500)的特点，还有其独创功能，如多立体，无缝测图，扣房檐等。

2.3 成果

运用P700E对某市水利项目做应用实例，P700E有高精度、超长航时、大比例尺、双冗余工业级飞控系统、生成质量报告、模块化载荷布局、支持多种文件格式输出、军工级地面站控制系统、勘测级光电载荷等一系列优势。针对该地的基本信息可以从生成的质量报告总结中得出。

无人机针对相应的问题可以做二次开发，以满足不同需求。无人机测绘可以为站址的选择提供详细的基础资料和清晰的影像资料，可提高规划效率，某种程度起到保护国家财产的作用，在水利维护和巡查方面也有其优势所在。图1～2是对该市河道航拍后以及经Pix4d处理后得到的总体浏览图，可以清晰地看到河道的流经路线和地理位置信息。

图1 某河道航拍的正射影像

图2 线划图DLG

3 小结

本研究展示了无人机技术在水利工程中的应用优势。水利工程的建设是发展现代农业、提升农业综合生产能力、保障粮食生产的重要根基，还是确保人民用水安全、提升人们生活水准和质量的重要措施。对于农村用水困难、水资源保护、防洪等重大议题，运用先进的无人机获取准确、及时的第一手资料正是使这些问题得以妥善处理解决的基础。相信随着无人机技术的进一步发展，其在水利管理方面必将展示出更加广阔的应用前景。

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(责任编辑：高 峻)

2016- 10- 25

曹帅帅(1990—)，女，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向为三维空间建模与数字矿山，E- mail：1462472169@qq.com。

10.16178/j.issn.0528- 9017.20170346

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0528- 9017(2017)03- 0511- 03

文献著录格式：曹帅帅，米鸿燕，杨润江. 基于无人机技术的水利工程应用探讨[J].浙江农业科学，2017，58(3)：511- 513.