无人机遥感影像在水利监测领域的运用

杨治中

（阜阳市太和县河道管理中心，安徽 阜阳 236600）

0 引 言

无人机遥感指的是运用无线电控制设备或机载计算机程序控制系统的一种飞行设备，利用遥感传感器来获得信息，通过计算机实现图像信息的处理，按照要求制作为图像。由于系统构造简单且成本不高，所以适合各种人力无法达到、人力勘查难度较大、人力成本高或危险性较大的检测和调查工作。凭借无人机的机动性与经济性，无人机遥感影像技术已经成为各个监测领域研究的热点。

1 自然洪涝防汛监测

无人机遥感影像可以更高效地获取空间数据信息，而且续航时间较长，影像传输效率更高，相较于其他检测手段更具经济性和灵活性。自然洪涝防汛监测预警工作通常会涉及很多地势险要或具有洪涝安全隐患的区域，在这类区域，凭借单纯的人力手段难以进行有效探测，而无人机遥感则不受地形等环境因素影响，可以在第一时间赶到灾害发生地区或监测目标地区，及时遥感探测洪涝险情区域的地形、地貌、水文等信息。基于无人机的摄影摄像功能，动态化传输洪涝灾区的影像信息，可以帮助抗洪人员及时了解现场信息，在无人机遥感影像技术的支持下为抗洪救灾工作提供必要的现场信息支持。如2004年广西桂平市发生的洪涝灾害中，救援人员利用无人机遥感监测技术对洪涝区和退水区等现场信息进行遥感监测并绘制遥感图，是我国第一次运用自控微型无人机实现洪涝灾害的遥感监测。2021年7月份，河南郑州、开封、周口等地发生特大暴雨，给当地人民的生命、财产带来严重威胁。无人机遥感技术的应用在此次洪涝险情中发挥了关键作用。无人机可以凭借较高的机动性，从全局视角掌握灾害信息，针对救援人员难以到达的区域，无人机也能更灵活地侦察和反馈现场信息。同时，对于高危的湖泊河流等可以采用自动巡逻、智能化自动巡视等功能拍摄受灾现场信息，还可以利用正射影像和历史卫星影像的对比来判断灾情，对灾情进行定量分析等。

2 无人机遥感水质监测

如今，无人机遥感影像技术不断发展，在内陆水体的水环境监测中也发挥着重要作用。有关学者利用无人机获得遥感数据，从而分析水污染的类型、分布、扩散趋势等。中科院上海技术物理研究所研究的无人机SE-1平台的小型多光谱成像仪在海洋污染、原油泄漏等严重水污染监测中发挥着重要作用。2012年，我国第一架自主研发的海洋监测无人直升机利用实时数据传播和数据分析技术，对广东近海海域进行执法检查、环境监测等工作，为水质监测工作开发了全新的路径，无人机获得的高时空分辨率图像可以实现II类水体水质的遥感监测[1]。

3 山区水利工程测绘测量

水利工程测绘测量一般包含平面高程控制测量以及地形测量、放线测量、变形观测等内容。对于一些平原地区，水准测量与全站仪测量就可以达到理想的测量效果。但山区水利工程却不能与平原地区一概而论。山区地势错综复杂，传统的光学仪器测量或卫星遥感等手段都具有一定的局限性，而无人机遥感影像技术的应用则更加灵活也更加节约成本。无人机遥感影像技术对于无人机起落的条件要求并不高，操作人员可以在安全地区进行操作，不仅节省了人力物力投入，而且无人机遥感的低空（1 000 m以下）飞行可以实现云层之下的拍摄，图像的分辨率相对更高，为山区水利工程测绘测量工作提供了极大的便利，也保证了操作人员的生命安全。当前，我国应用的多种无人机都可以应用于山区水利工程测绘测量中，技术较为成熟的系统包括自检校和自稳定多轴动态航拍系统，还可以运用有关软件将多张航拍图像拼接为一个整体，通过图像拼接的方式降低成图误差，具体方法和原理如图1所示。

图1 图像拼接方法与原理

4 水利规划

水利规划计划的制定应当立足于地方经济发展、自然地貌的基本条件之上，按照社会经济发展对于水利工程建设的需求，确定水利发展的目标与方向。目前在我国“十二五”及“十三五”对水利建设提出的新要求以及中央治水兴水政策方针的指引与推动下，水利行业的发展也迎来了新的契机，水利规划计划部门也始终将这一任务作为中心，应用更多的高新技术来辅助水利规划。在水利规划中，很多项目都处于偏僻或经济欠发达的地区，这些地区的水利规划工作大多缺乏有效的资料信息作为基础，高分辨率的遥感影像也很难获取，现有的资料信息大多太过陈旧，无法满足后续水利规划工作的需求。针对地区偏远和资料获取难度大等问题，运用无人机遥感影像技术更具效率性和经济性。利用无人机获取地形地貌数据信息，并且根据遥感所得信息建立对应的三维数据模型和地形图等，能够更精确地反映出当前的地形地貌情况，为后续水利规划计划的制定与决策提供可靠的信息支持。

5 水土保持监测

目前我国的水土流失问题十分严重，由于我国地理条件与社会经济条件较为特殊，因此水土流失问题的治理也成为环境保护工作的重点问题。土壤侵蚀的定量调查是水土保持工作研究的关键问题之一。在调查实践过程中，无人机遥感影像技术的运用可以发挥显著作用，凭借其效率性、动态性、经济性等优势，现已成为土壤侵蚀调查的主要路径方法。土壤侵蚀调查过程较为复杂，而且调查结果往往会受到各种自然条件和人为因素的影响，如自然条件包括气候、植被覆盖、地形、土壤条件等，人为因素则包含土地利用、道路修建、矿产开发等。而土壤侵蚀的影响因子也有所差别，例如水蚀通常参照通用的土壤侵蚀方程的因子指标，结合遥感技术和寻常技术结合的手段，能否获得或能否方便在GIS中存取与计算。通常采用降水、地形、坡度、植被覆盖率等作为土壤侵蚀量的估算因子指标，按照各时期阶段土壤侵蚀强度的分级比对结果，对水保工程的治理结果进行评价，并为后续的水土保持工作规划提供指导。无人机遥感影像技术的应用能够在低空及低速等条件下实现监测目标区域的航拍，而且航拍成像照片非常真实可靠，能够直观反映出目标区域建设期产生的水土流失现状与强度、分布位置等信息。之后将这些遥感所获信息作为中心，利用GIS系统建立水土流失本底数据库，从而了解土壤侵蚀的类型、侵蚀强度、侵蚀情况的发展等情况，为土壤侵蚀问题的治理提供更可靠的支持。无人机遥感影像技术的应用还能帮助人们掌握水土流失问题的发展趋势以及特征，便于水土保持工作的规划与治理，可以利用更低的成本，快速检测大范围的水土流失信息以及土壤侵蚀的影响因子，为后续基于GIS技术的水土流失问题分析提供有效基础[2]。

6 滩涂资源动态监测

随着社会经济的不断发展，如今滩涂的开发利用也展现出了新的格局。滩涂资源是自然条件下形成的一种随时间推移产生变化的潮湿地带，包含海滩、河滩、湖滩等概念。例如我国钱塘江河口两岸、台州湾、三门湾等淤泥性的滩涂和部分地区的侵蚀性滩涂。滩涂是海陆两界相互影响的过渡性地带，也是人们活动频繁的地区，所以滩涂的变化也会为人们的活动带来不同程度、不同性质的影响，其中部分因素如海岸侵蚀、淤涨等变化以及人工堤坝围垦等因素变化都可能造成滩涂缩退或延展。例如，浙江沿海地区的滩涂已经有千余年的历史，近些年围垦工程的持续发展导致滩涂的变迁非常剧烈，为人们提供陆地生存发展空间的同时也产生了各种生态破坏问题，比如沿海的湿地面积不断缩减，个别地区的水文条件也因此受到改变，航道的正常运行遭受波及、渔业资源受到破坏等。根据对滩涂变迁规律的了解，为了实现全国地区的生态环境安全以及经济的可持续发展，做好滩涂资源的动态监测具有现实意义。而无人机遥感影像技术具有精确性、动态化、直观性、宏观性等优势，可以轻易获取到地表难以发现和难以识别的信息，这使其在大规模海岸线变化监测中具有非常高的应用价值。在滩涂资源调查与监测工作中，无人机遥感影像技术相较于卫星遥感技术也具有明显优势。无人机遥感影像技术可以实现定时定点的动态监测，卫星遥感由于过境时间或过境轨道的原因，若想在低潮位时准确经过并监测区域地理信息仍有一定的条件限制。无人机具有非常高的机动性，仅需飞行条件允许就能获取滩涂的低潮位遥感影像信息，并与历史遥感信息结合比对，分析滩涂的淤涨趋势变化，为后续的围垦作业提供更精确可靠的信息支持，而且无人机的经济性可以节约大量的经费和时间成本，提高监测效率[3]。

7 水域动态监测

水资源是人们生活与生产必不可少的资源，但近些年由于人口数量的不断增长、工业发展所带来的污染问题等，导致水资源的供需矛盾和污染问题愈发严峻。水资源的科学开发、合理利用是经济新常态下重点强调的问题，甚至关乎人们的生活质量以及经济的可持续发展。从现实的角度来看，河流水系的分布、河流面积等信息的监测与计算是水资源保护与开发的关键条件，以往由于时间变化因素以及技术水平受限，很多河流水系的分布与流域面积等信息无法再准确反映当下的水域情况。水域动态监测工作的主旨在于了解研究目标区域的水域变化信息，通过这些信息的收集与处理，建立更贴近实际的水域统计、水域占比不平衡、水域调查等制度，提高水域资源信息的综合服务价值，满足经济社会可持续发展以及水域资源管理保护的需求。无人机遥感影像技术的合理应用在水域资源监测中同样可以发挥预期的作用，水域资源调查效率与准确率都相对较高，而且能节约大量的人力与物力资源。对现有的水域资源进行动态化监测，能够及时更新监测调查结果，对水域资源的利用以及水域权属界线等进行信息更新，根据既定的技术程序，应用完善的目视解译及计算机自动识别结合的信息提取技 术，实现水域信息的采集与图像编辑处理工作，获得每一块水域动态监测的类别、面积、分布信息等，建立相互联系且信息共享的省级、市级、县级水域动态监测数据库与信息化管理系统。运用无人机遥感影像技术还能实现河道变化的动态化监测，对非法水域占用问题进行处理，预估和分析河道后续的发展趋势等，为水域管理提供更全面可靠的信息支持。此外无人机遥感影像技术还可以在航道开发等方面发挥理想作用，具有非常高的社会价值与经济价值[4-5]。

8 结 语

无人机遥感影像技术是一种先进的现代监测手段，可以在水利监测领域中发挥理想的技术辅助作用。无人机遥感影像技术拥有较高的灵活性与便利性、经济性等特征，可以在自然洪涝防汛监测、水质监测、山区水利工程测绘测量、水利规划、水土保持等方面发挥作用。在无人机遥感影像技术的应用过程中，需要根据不同水利监测领域的具体工作要求，合理发挥自身的遥感影像功能，进一步提高水利监测工作的开展效率，加快水利监测的长远发展，助推现代科学技术的革新与进步。