水利工程測繪中無人機遙感的應用范文

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摘要：在水利工程測繪實踐中低空無人機遙感能夠獲取到關(guān)鍵性技術(shù)數(shù)據(jù)。文章分析了低空無人機遙感的優(yōu)勢，提出低空無人機遙感可用于水利工程測量、地質(zhì)勘察、工程監(jiān)測、土壤濕度等方面的調(diào)查，并對低空無人機遙感的作業(yè)流程進行了探討。

關(guān)鍵詞：低空無人機遙感；水利工程；測繪

1低空無人機遙感系統(tǒng)

無人機遙感使用先進的無人機技術(shù)、遙控技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)，可以實現(xiàn)自動采集和智能分析，土地資源、自然環(huán)境遙感、空間信息，如地震區(qū)的應用和完整的遙感數(shù)據(jù)處理、建模和分析技術(shù)的應用，其特點是低空飛行、衛(wèi)星遙感和航空攝影在云蓋過區(qū)有效地收集數(shù)據(jù)。數(shù)碼相機可作為傳感器收集數(shù)據(jù)，提供良好的圖像質(zhì)量和高空地面分辨率。無人機遙感平臺的移動性和高適應性，使起飛和著陸操作都可以通過控制器來完成，天氣條件要求較低。低空遙感系統(tǒng)是通過構(gòu)建控制系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)飛行系統(tǒng)、無線電測試與遠程控制的結(jié)合，將遙感監(jiān)測到的數(shù)據(jù)及時傳輸與分析。當前低空無人機遙感系統(tǒng)在不同行業(yè)中有著廣泛的應用，小型機載遙感設備能夠校正執(zhí)行中的圖像和數(shù)據(jù)，通過相機拍攝的數(shù)據(jù)校準參數(shù)和幾何模型，交互式處理提升無人機測繪的準確性。同時，通過自動圖像識別技術(shù)，有關(guān)數(shù)據(jù)和信息的處理與檢查將會直接滿足當前水利工程測繪的需求。但是，當前低空無人機遙感還存在一定的問題，在相機的使用上只能夠應用普通款式，這也造成了測繪結(jié)果與實際情況存在誤差。造成這種情況的主要原因是普通相機穩(wěn)定性相對較差，內(nèi)方位元素不確定，鏡頭很容易產(chǎn)生畸形變化嚴重影響精準度。自身與鏡頭黏連度不夠，在測繪作業(yè)過程中容易發(fā)生顛簸。因此，為能夠保證測繪結(jié)果的精準性，需要加強專業(yè)相機在低空無人機遙感技術(shù)中的應用。

2低空無人機遙感的優(yōu)勢

與衛(wèi)星等測量工具相比，無人機體積更小，應用更為靈活。特別是在實際應用中對于起飛的要求相對較低，可以通過車輛運輸?shù)鹊诌_測繪地點，并不需要專門設置起飛跑道。在1m2的面積中就能夠完成起飛。無人機的起飛適用性、集成化程度更高，由于體積較小所需要的裝配時間更短，能夠有效地應對突發(fā)事件，實現(xiàn)在最短時間內(nèi)完成最大范圍的測繪。但是無人機應用需要做出專門申請。申請前，可以合理規(guī)劃無人機的飛行路線。同時，可在飛行中進行校對和修改，確保無人機的應用符合設計標準。低空無人機遙感在處理圖像上速度會更快，通話還能夠?qū)崟r傳輸，在短時間內(nèi)將搜集到的圖像傳輸?shù)娇刂破脚_中，圖形分辨率要比其他技術(shù)手段拍攝的更高，制造出1:500以上比例尺的地圖。

3低空無人機遙感在水利工程測繪中的應用

3.1水利工程測量

在水利工程測繪中，涉及平面高程控制測量、地面測量、水下測量、斷面測量、縱斷面測量、線形放樣測量、變形測量等內(nèi)容。如果在平原地區(qū)進行水利工程測量，水準測量、經(jīng)緯度測量加全站儀測量能有效地滿足水利工程測量的實際需要。然而，對于山區(qū)水利工程測繪，地形地貌較為復雜，傳統(tǒng)的測量工具和衛(wèi)星遙感技術(shù)難以發(fā)揮作用和應用價值。然而，低空無人機的遙感對著陸和起飛要求較低。操作人員可以在指定的安全區(qū)域操作，大大節(jié)省了人力資源。同時，低空無人機遙感主要在1000m以下飛行，可以在云層下拍攝，獲得更高分辨率的圖像，為山區(qū)水利工程測繪提供基本保障。目前我國許多低空無人機都可以應用到水利工程測繪測量中，然后通過自校正、穩(wěn)定多軸云臺航空系統(tǒng)及相應的軟件，將多航圖連接成一個整體，并自動調(diào)整測繪誤差。R數(shù)是投影的圖形，以保證水利工程測繪的精度。

3.2地質(zhì)勘察

低空無人機在水利工程測繪上的應用能夠解決地形復雜等帶來的問題，這與傳統(tǒng)地質(zhì)勘探相比，能夠明顯提升測繪效率和質(zhì)量。傳統(tǒng)地質(zhì)勘探并不能夠滿足當前測繪需求，更不能夠準確地監(jiān)測工程地質(zhì)狀況。造成滑坡等地質(zhì)災害的因素有很多，地質(zhì)構(gòu)造復雜采用傳統(tǒng)勘探形式難以獲取相應的地質(zhì)信息。低空無人機遙感操作方法方便，具有較高的安全性，投入的成本也相對較低，在滿足地質(zhì)勘察需求的同時，還能夠快速地獲取地質(zhì)條件動態(tài)分析，掌握勘察區(qū)域內(nèi)地質(zhì)發(fā)展趨勢。根據(jù)搜集到的信息結(jié)合實際情況，快速查明水利工程建設中的不良地質(zhì)情況，幫助水利工程建設人員掌握全新的地質(zhì)情況，制定出更為合理的保護措施。

3.3工程監(jiān)測

水利工程建設對于地質(zhì)條件的要求相對較高，基本建設已經(jīng)不能夠滿足水利工程建設的需求。特別是在壩體耐久度等設計和施工上如果不能夠滿足標準要求，將會影響水利工程壽命，使水利工程發(fā)生滲漏等情況，威脅到人們的生命安全和水利工程的正常使用，而且會對周邊居民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。在水利工程的日常檢測中，可以很好地應用低空無人機遙感技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)水庫滲漏，快速發(fā)現(xiàn)水利工程運行情況，獲取危險區(qū)域的高清晰度圖像。

3.4土壤濕度調(diào)查

土壤所含的水分變化對于開展水利工程測繪有著極為重要的影響，同時，研究和掌握水利工程的水文特性具有重要意義。土壤表層既能夠反射陽光，也能夠存儲陽光能量，陽光的強度會使土壤表層的顏色、溫度等發(fā)生明顯的變化，最主要表現(xiàn)在土壤灰度值及含水量的變化，通過研究，能夠確認兩者存在一定的負相關(guān)。低空無人機遙感能夠獲取分辨率更高的圖像數(shù)據(jù)，這樣就為確定土壤灰度值提供了重要的數(shù)據(jù)，以此作為土壤水分的依據(jù)，完成土壤水分測量，為水利工程測繪提供有力的補充。

4低空無人機遙感作業(yè)流程

4.1航線設計

為保證飛機的穩(wěn)定性，盡可能完成航拍。準備工作完成后，機組人員應在試驗區(qū)等待適當?shù)奶鞖猓缓髾z查航空攝影硬件是否完好，并選擇合適的天氣，盡可能在同一航班上完成所有任務，同時，必須保證圖像數(shù)據(jù)清晰，色彩柔和、均勻。

4.2影像快速拼接及像控測量

與傳統(tǒng)的測量方法相比，圖像控制測量具有一定的差異。主要區(qū)別在于無人機圖像數(shù)據(jù)長度小、數(shù)量大，大部分用于應急拍攝和繪圖，不適用于圖像控制測量的照片制作和打印任務。此外，測量的范圍特性也很明顯。因此，在飛行測量時，這些圖像控制點的分布區(qū)域比較均勻，對比度明顯，識別度高。圖像控制和測量的操作方法不同于傳統(tǒng)的航空測量方法。無人機測繪數(shù)量較多，但是圖像尺度相對較小，在應急測繪中應用更廣泛，不適合通過圖像的開發(fā)和打印來實現(xiàn)圖像的控制和測量任務。測繪區(qū)域內(nèi)特征點較多，需要無人機在飛行后逐點完成圖像控制測量，如果控制點分布均勻，那么測繪區(qū)中圖像色彩明快，對比度明顯。經(jīng)快速質(zhì)量檢驗，所得圖像符合相應規(guī)范要求。經(jīng)過畸變預處理后，根據(jù)每個圖像對應的位置數(shù)據(jù)，可以快速拼接被測圖像。根據(jù)航空攝影易損性檢測和圖像控制點設計方案，結(jié)合區(qū)域網(wǎng)絡點布置一對圖像控制點，間隔4條基線。為保證精度，在區(qū)域網(wǎng)絡的對流和低壓區(qū)增加了圖像控制點。一般情況下，圖像控制點應位于6個面層和側(cè)面重疊區(qū)域內(nèi)，在困難區(qū)域不少于4個重疊區(qū)域。相鄰子區(qū)域之間必須有一個共同的圖像控制點。所選圖像控制點的目標圖像應清晰易讀。當目標與其他圖像條件發(fā)生沖突時，應考慮目標條件。

4.3空中三角測量

空中三角測量是利用攝影測量分析完成對圖像外部元素所在區(qū)域的確定，這是空中三角測量的關(guān)鍵步驟。無人機采集到的圖像旋轉(zhuǎn)角度可能過大，導致圖像匹配和聯(lián)合點提取失敗。由于受到風向變化的影響，相同航帶中的圖像在發(fā)生角度、旋轉(zhuǎn)等變化時，也會出現(xiàn)對應不一致的狀況，這時需要進行人工調(diào)整。如果不能夠及時處理，將會無法實現(xiàn)圖像匹配。軟件自動化處理效率高，只需要根據(jù)原始圖像、數(shù)據(jù)參數(shù)、控制點文件等進行處理。由于路由為T形，為便于處理，以東西兩條路由為框架路由，并利用POS數(shù)據(jù)自動生成條帶。自動匹配提取連接點，幾乎自動選擇粗點，同時檢查連接點是否均勻分布在區(qū)域內(nèi)，手動添加一些點。三維測繪在攝影測量工作站中的應用可以將繪制的圖像引入到空三成果中，并且經(jīng)過定向采集及核心處理后形成符合國家標準的地圖符號。在核心線范圍內(nèi)完成圖形點的匹配，這樣就能夠生成對應的數(shù)據(jù)。再利用DEM網(wǎng)格編輯水域、植被等。DOM進行數(shù)字差分校、裁剪，根據(jù)地形集合精度、圖像紋理等進行繪制，使圖像信息更為直觀豐富，為評價數(shù)據(jù)精度提供參考。誤差情況如表1所示。根據(jù)上述能夠發(fā)現(xiàn)平面精度滿足地形圖的標準要求（1:1000），高程作業(yè)滿足實測，精度可以作為參考條件。通過內(nèi)外測繪過程，證明低空無人機遙感在水利工程測繪中發(fā)揮作用，可行性明顯。

5低空無人機遙感的未來發(fā)展

目前，我國最重要的環(huán)境問題是水土流失。水土流失定量調(diào)查是水土保持的重要內(nèi)容。低空無人機遙感以其動態(tài)、快速、經(jīng)濟的優(yōu)勢成為土壤侵蝕信息調(diào)查的重要手段。水土流失受多種自然和人為因素的影響，過程十分復雜。其中，不同類型的水土流失影響因素不同，可以參考水土流失一般方程的各種因子指標。同時，還考慮了常規(guī)方法與遙感技術(shù)的結(jié)合能否順利實現(xiàn)，以及在地理信息系統(tǒng)中是否易于獲取和計算。一般情況下，選擇地形、降水、植被覆蓋、流域密度和侵蝕控制措施作為評價土壤侵蝕的因子。對不同時期的水土流失強度進行了比較分析，評價了水資源保護工程的治理效果，為今后的水土保持工作提供了合理的指導。無人機可以拍攝研究區(qū)的低空、低速照片，照片能夠反映范圍內(nèi)水土流失的強度和實際情況，為土壤侵蝕類型和程度，以及植被、地形、管理措施等侵蝕因素的屬性提供充分的數(shù)據(jù)來源。利用低空無人機遙感技術(shù)采集的遙感影像信息，可以有效地幫助該地區(qū)分析水土流失的發(fā)生特征和發(fā)展趨勢，增強政府部門的水土保持工作，促進水土保持服務水平的綜合發(fā)展。無人飛行器在低空遙感測繪領(lǐng)域的應用需要滿足以下條件：①任務承載能力。這種無人機應該攜帶一定重量的專業(yè)可測量的遙感設備。②飛行控制精度。例如，飛行路線和高度應在一定范圍內(nèi)，偏離角也應在允許范圍內(nèi)，否則后續(xù)數(shù)據(jù)將難以處理。③系統(tǒng)設備的適應性，以實現(xiàn)在不同地形和氣象條件下的應用。目前，在測繪、航測、遙感等領(lǐng)域，常用的主要模型是約20kg的輕型和小型固定翼無人機系統(tǒng)。簡單地說，無人機遙感就像在無人機上安裝一個功能強大的攝像頭，分析圖像以獲得所需數(shù)據(jù)。例如，當進行土地規(guī)劃時，為了了解土地利用情況，使用無人機遙感技術(shù)，從空中拍攝的圖像，可以清楚地看到地面植被、河流、建筑物等，通過對圖像的分析就能夠得到土地資源的面積和信息。隨著民用市場對無人機需求的不斷增加，國內(nèi)許多無人機研發(fā)單位將無人機遙感作為未來發(fā)展的重要方向，并積極配合開發(fā)無人機遙感相應模型。然而，我國無人機遙感服務供應市場尚未形成以點業(yè)務為主的大規(guī)模網(wǎng)絡運營。利用無人機遙感技術(shù)，可以從空間觀測的角度獲得高精度的豐富基礎數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的整理分析，為農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護等領(lǐng)域提供參考。

6結(jié)語

隨著高精度POS系統(tǒng)集成化的發(fā)展，更為小型的POS系統(tǒng)在低空無人機遙感中得到應用，實現(xiàn)了無縫測繪、三維激光掃描等功能的結(jié)合，充分解決了載重、航程等缺陷，并且進一步擴展低空無人機遙感的應用領(lǐng)域，更加滿足水利工程測繪的需求。既增加了水利工程測繪的高附加值，也降低了勘測成本，為水利工程測繪帶來全新的發(fā)展思路，大幅度提高水利工程測繪效率，使測繪的結(jié)果更加準確，符合未來我國水利工程測繪行業(yè)發(fā)展的趨勢。

參考文獻

[1]王光彥，姚堅，李登富．低空無人機遙感在水利工程測繪中的應用研究[J]．測繪與空間地理信息，2016，39（5）：113-115．

作者：王瑋 單位：六安市水利水電工程勘察測繪大隊