无人机低空遥感技术在水文监测中的应用

龚 敬

(长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010)

0 引言

大部分自然灾害和大型灾害都具有突发性和多样性等特点，相关部门与应急抢险人员对于灾害的处理存在一定的困难和危险，这就需要结合现场的应急监测，由专业监测人员对危害现场的实际信息数据进行核实与监测，进而为各种灾害的调查、分析和指挥做出重要的技术支持。

1 无人机低空遥感技术的相关内容

1.1 无人机内容特点

无人机是一种通过无线电遥控设备或者机载计算机程控系统实施操作与控制的无人飞行器，其结构简单、成本较低，但是不能够完成有人机所执行的任务，其更加适用于一些不适合有人机执行的任务，例如危险区域的灾害调查、空中救援指挥和环境遥感监测等[1]。结合其系统的组成与分型特点，主要分为固定翼型无人机与无人驾驶直升机两种。其中，固定翼型无人机主要是通过机翼的滑行与动力系统结合的方式来完成起飞与降落，可以实现遥控与程控飞行，具有较强的抗风能力、种类较多，并且可以同时搭载较多的遥感传感器。固定翼型无人机起飞前需要比较空旷的场地，适合应用在矿上资源的监测、林业资源与草场监测、海洋环境监测以及土地利用监测等方面。

1.2 无人机遥感

无人机遥感是一种结合先进的无人驾驶飞行技术、遥感传感器技术、GPS差分定位技术、通信技术以及遥感应用技术的组合技术形式，可以使国土资源的获取实现自动化、智能化与专业化，并且可以应用于各种自然环境、灾区等空间遥感信息的传递和处理上[2]。该技术具有机动性高、快速、成本低的优势，目前已经成为世界各国关注的热点技术之一，也是未来航空遥感技术的重点研究项目。

2 水文应急监测技术特点分析

2.1 巡测优先、驻巡结合

在目前的水文应急监测方面，水利行业以及社会各界对水文的基础数据的要求在逐渐提高，水文监测的控制点与断面的数量在逐渐增加，因此完全依靠水文监测站的监测效果并不理想[2]。在此背景下，无人机低空遥感技术的应用可以全面了解到区域内部的水文信息，例如泥沙、水质以及水流量与流速等，然后在无人机上搭载高清摄像设备，及时获取区域内部的水文信息，为水文应急监测工作提供重要的数据基础。

2.2 应急监测、快速响应

我国是自然灾害发生较为频繁的国家之一，尤其是突发性水灾造成的损失十分巨大，例如水库出险、堤防决口、堰塞湖、泥石流、突发性水污染等。在此期间，水文应急监测与无人机遥感技术的应用，可以及时获取这些突发事件的信息，为相关的政府部门以及水文监测部门提供关键的数据支持，进而减少灾害的损失。近年来，随着我国科学技术的发展与“大水文”战略的实施，各种新技术与新设备正在不断研发与应用，例如地基雷达监测和航天航空雷达监测以及无人机低空遥感技术等，其中，无人机遥感技术在水文应急演练中的应用较为广泛，也是未来应用于水文监测工作的主要技术之一。

3 无人机影像处理方式

3.1 矫正畸变差

数码相机由于镜头光学设计方面的影响，未经过科学的校正，也没有测定内部的方位元素，在正常拍摄期间所获得的影像一般都具有非线性的光学畸变误差，在相机焦距不变的情况下，该误差属于正常范围。因此，需要在拍摄之前对数码相机三角测量的畸变差进行矫正，具体的矫正方式分为两种，一是直接矫正，通过直接矫正畸变图像中的像素坐标，进而实现矫正图像的目的。二是间接矫正，主要通过矫正畸变图像上面的坐标来实现最终的图像矫正。在实际应用中，直接矫正比较适合大部分的应急监测，因此较为常用。

3.2 实现空中三角测量工作

为了保证像片上面的像点坐标能够被精准获取，需要在空中三角测量工作实施期间，对影像的定位元素以及所需要的控制点坐标数据进行求解处理，一般常见的方式包含航带法、独立模型法以及光速法区域网空三测量[3]。其中，光束法是以投影的中心点、像点以及相应的地面点三点共线作为测量的主要条件，以单张像片为计算单元，结合像片之间的公共点与野外的控制点将各个像片之间的光束连接成一个区域，进而实施整体评测作业，最终求解出加密点的坐标。其主要的理论公式共线条件方程为：

其中，x与y代表某个像点的空间坐标；f代表摄像机的主焦距；地面对应的像点坐标用X，Y，Z表示；外方位线元素用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，像控点的外业采集精度对于整个区域网评测精度有着重要的影响，因此，像控点需要均匀布置在整个航拍范围，并且设置在地形比较明显的地区。

3.3 快拼图的生成

想要实现图像的拼接，需要结合计算机中的图形与色彩技术软件，对空间内部的重叠图像进行精准的对比，然后将对比之后的图像进行融合，自动拼接出一种全新的图像。这种技术可以满足现实中应急预案检测数据的需求，可以对无人机低空遥感拍摄的高分辨率图像进行镶嵌和拼接，进而快速获取灾区的全影像图。快拼图不需要全球定位系统所得到的信息与各种相机参数，其可以自动识别相机的焦距与参数，然后去除其中存在的差值，自动形成矫正之后的拼图。在进行具体的拼图制作时，需要将DSM编辑功能与测量功能有效结合，进而从DSM上进行面积、体积与距离的运算，但是从严格意义上讲，数字正射的影像图精度要高于快拼图，但是快拼图可以在短时间内获取灾区内部的大部分信息，为灾区的应急救援和决策制定奠定数据基础。

4 无人机低空遥感技术在水文应急演练中的具体应用

在实际水文应急演练期间，要想充分利用无人机低空遥感技术，相关监测人员应根据现场的实际情况，制定应急预案，具体的工作流程如下。

4.1 分析地形

对地形条件进行分析，全面规划无人机的航线，保证河流水文信息监测的准确性。无人机监测具体结合特定的数学模型来获取相关水文信息，所以需要选择合适的测流模型。在实际监测中，河流的地理位置、水质等因素都存在较为明显的差距，因此针对不同的地形条件要使用不同的测流模型。在结合无人机系统进行监测之前，需要搜集当地水文站的相关水文资料，找到相同水面条件下的流速分布函数，例如：抛物线、对数型等，另外，还需要结合模型来选择合适的测流位置，以获取更加精准的监测分析结果。

4.2 控制飞行

无人机监测系统主要基于微波雷达等技术来进行水文监测，因此需要无人机有较高的飞行稳定性，这样其所搭载的摄像机才能够拍摄出稳定、高清的地质信息画面，否则地面的河流速度等因素会影响无人机的飞行速度，进而导致检测结果出现较大误差。无人机飞行稳定性控制方法主要有以下3点：(1)加速和减速控制。在加速与减速期间一定要控制其平稳性，同时需要将加速与减速的差值控制在较为合理的范围内。(2)爬升和下降控制。在爬升与下降阶段需要保持平稳性，才能够在无人机拍摄完毕之后将数据信息完整的传回到地面控制站，同时，还要注意速度与通视条件的控制。

4.3 地面控制

无人机低空遥感监测系统在水文应急演练中，提升了监测的自动化与智能化程度，但是还是需要地面的人力控制。在具体的监测期间加强地面的控制与指挥，可以进一步提升监测的效率与准确性，同时地面的控制人员也需要对监测的全过程进行动态控制，对无人机、摄像以及相关任务数据链进行监视与连接，从而保证操作的完整性。

5 结语

本文对无人机低空遥感技术在水文应急演练中的实际应用做出分析，结合遥感平台的丰富多样化、成果多元化等特点，利用数码相机、摄像机以及红外等器具，可以精准得获取灾区地面情况的数据信息，包含地质地貌、地形植被、水文土壤等，进而为应急团队救援工作的顺利实施奠定良好基础。