無人機(jī)低空遙感技術(shù)在水利上的應(yīng)用探討

袁楠奇

【摘要】 無人機(jī)遙感（Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing），通常意義上講就是利用先進(jìn)的無人機(jī)飛行器的飛行技能、搭載的遙控控制技術(shù)、通信、定位、攝影等功能，以此達(dá)到智能化、自動化、高效、快速反應(yīng)的數(shù)據(jù)采集處理能力。以達(dá)到數(shù)據(jù)建模、遙感數(shù)據(jù)處理、采取相應(yīng)措施與分析應(yīng)用技術(shù)。本文探究了無人機(jī)低空遙感技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用特點(diǎn)等，就無人機(jī)低空遙感技術(shù)在水利相關(guān)方面的應(yīng)用做出重點(diǎn)探討，如水利中的監(jiān)測自然災(zāi)害、水域動態(tài)監(jiān)測、水利工程監(jiān)測與攝影等。無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠加強(qiáng)水利相關(guān)領(lǐng)域的管控，它也是我國智能制造、人工智能發(fā)展的重要體現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】 無人機(jī) 遙感技術(shù) 水利 應(yīng)用

近年來，全球氣候的極具變化不僅對人們的生活生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響，還對水利資源、水利建設(shè)帶來的很大的挑戰(zhàn)，水資源環(huán)境的利用與保護(hù)受到越來越多的人關(guān)注。水利相關(guān)領(lǐng)域的管控受到國家和地方的重視，這給無人機(jī)水利資源的利用也帶來的難得的發(fā)展機(jī)遇。無人機(jī)因體積小、機(jī)動性強(qiáng)、具備多種獲取低空資源的能力，在水利相關(guān)管理上也逐漸得到了發(fā)展應(yīng)用。無人機(jī)所搭載的低空遙感技術(shù)是以低空飛行的無人機(jī)為載體，搭載高分辨率影像采集系統(tǒng)，熱成像系統(tǒng)等多種信息采集系統(tǒng)，對探測領(lǐng)域內(nèi)的目標(biāo)物進(jìn)行識別、揭示其幾何、物理性質(zhì)和相互關(guān)系。無人機(jī)低空遙感技術(shù)可應(yīng)用于防災(zāi)減災(zāi)、水域動態(tài)監(jiān)測、水利工程建設(shè)與管理、水土保持等水利相關(guān)業(yè)務(wù)。本文主要以無人機(jī)低空遙感技術(shù)為導(dǎo)向，探究了低空遙感技術(shù)在水利防汛抗旱與水利工程管理等方面的應(yīng)用，得到了未來無人機(jī)在水利建設(shè)方面的推廣示范和引領(lǐng)意義。

一、無人機(jī)低空遙感技術(shù)的發(fā)展

無人機(jī)的研制源于國外，早期主要應(yīng)用在軍事上，近期逐漸擴(kuò)展到民用遙感飛行平臺。美國在20世紀(jì)60年代就開始用低空遙感飛行器作為空中氣象偵查平臺。隨著計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)的迅速發(fā)展以及各種數(shù)字化、體積小、重量輕、探測精度高的新型傳感器的不斷出現(xiàn)，使無人機(jī)低空遙感技術(shù)的性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓展。無人機(jī)可分為固定翼型、旋翼型和飛艇等種類。飛艇的飛行因受大風(fēng)和雷雨的氣候條件影響比較大，穩(wěn)定性差，較少應(yīng)用于航測遙感。受限于電池性能和飛行速度，旋翼型無人機(jī)一般適用于小范圍動態(tài)監(jiān)測。固定翼型無人機(jī)抗風(fēng)能力強(qiáng)、飛行速度快、穩(wěn)定性高，是類型最多、應(yīng)用最廣的低空遙感平臺。以中國測繪科學(xué)研究院研制的UAVRS-II低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)，中科院遙感所自主研發(fā)的IRSA系列專業(yè)航空遙感系統(tǒng)為代表的油動長航型無人機(jī)，其特點(diǎn)是航時長、航程遠(yuǎn)、航高高，適合做大面積航攝項目。超小型的低空遙感平臺主要優(yōu)勢體現(xiàn)在機(jī)動靈活、快速反應(yīng)、任務(wù)現(xiàn)場擇地就近起飛。比較有代表性的是美國天寶Trimble UX5 固定翼低空遙感系統(tǒng)。

二、無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

1.快速機(jī)動的響應(yīng)能力。低空無人機(jī)飛行器具有起落時間短、操作方便、便于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。其搭載的遙感系統(tǒng)可以快速對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行收集數(shù)據(jù)。對于一些復(fù)雜地形，危險區(qū)域等具有快速機(jī)動響應(yīng)能力，能在第一時間做出迅速反應(yīng)。

2.高清影像與精準(zhǔn)定位的數(shù)據(jù)收集能力。無人機(jī)搭載的影像收集系統(tǒng)可以拍攝清楚的區(qū)域影像資料，其具有精準(zhǔn)的定位能力。除此之外，還能對監(jiān)測區(qū)域的特殊目標(biāo)進(jìn)行全色、單波、多波等多角度拍攝。整個低空遙感系統(tǒng)具有快速反應(yīng)、快速處理數(shù)據(jù)、分析梳理數(shù)據(jù)以及與其他系統(tǒng)共同作用的能力。對于一些復(fù)雜地形，能夠獲得較為清晰的影像資料，為后續(xù)工作提供一手準(zhǔn)確信息。

3.多種任務(wù)設(shè)備的應(yīng)用拓展能力。無人機(jī)處理本體的低空遙感系統(tǒng)以外，還搭載很多不同類型的小型遙感系統(tǒng)，如高清攝像頭、雷達(dá)系統(tǒng)、熱成像監(jiān)測儀等。不同類型的遙感系統(tǒng)能拓寬監(jiān)測的功能，以滿足多種監(jiān)測需求?？梢赃_(dá)到高清成像、紅外線熱成像、雷達(dá)監(jiān)測等多種拓展能力。

4.運(yùn)營成本低廉。無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)因體積小，材料普通，系統(tǒng)構(gòu)架容易實現(xiàn)等。因此具有運(yùn)營成本、維護(hù)成本和操控手的培養(yǎng)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他遙感系統(tǒng)。

5.滿足測量精度要求。無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)既可發(fā)揮航拍的作用，又可基于后續(xù)處理達(dá)到成果的精度要求。原始相片最高分辨率在10cm之內(nèi)，影像成果至少達(dá)到1：2000成圖精度。能夠?qū)τ谝恍┲匾匦渭澳繕?biāo)進(jìn)行高精度測量。

三、無人機(jī)低空遙感技術(shù)在水利上的應(yīng)用

1.防災(zāi)減災(zāi)的應(yīng)用。1.定期監(jiān)測過舊、高危等關(guān)鍵性水利設(shè)施。在正常的防汛工作里，無人機(jī)能夠穿越高危地帶、到達(dá)交通不便的地區(qū)，全方位監(jiān)測時間久遠(yuǎn)的大壩、堤防和水庫、堤防險工險段。能夠使維修人員及時對水利設(shè)備進(jìn)行維修，減少人為查看的時間、精力。極大方便了水利設(shè)備的維修與檢測。2.提升預(yù)警監(jiān)測水平。利用航拍正射影像和數(shù)字高程模型，生成三維模型，模擬災(zāi)害過程及災(zāi)后損失，建立相關(guān)的減災(zāi)救災(zāi)預(yù)警數(shù)據(jù)庫，有利于提高災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確性。例如，防洪指揮系統(tǒng)根據(jù)假定水位高程，自動生成淹沒區(qū)并計算統(tǒng)計受災(zāi)面積和損失。3.提供客觀、及時的災(zāi)情信息。根據(jù)無人機(jī)航測遙感影像，直觀獲知災(zāi)情狀況、強(qiáng)度及分布情況，實時傳回指揮中心，能夠準(zhǔn)確給出當(dāng)時火災(zāi)現(xiàn)場的時實情況，避免出現(xiàn)因人為表述而意見不同的決策。能夠及時有效制定救災(zāi)指揮措施，避免災(zāi)害救助的盲目性。4. 評估災(zāi)害損失、監(jiān)督災(zāi)后重建進(jìn)展。通過對比災(zāi)害前后獲取的影像數(shù)據(jù)，利用無人機(jī)遙感技術(shù)能夠準(zhǔn)確對災(zāi)害進(jìn)行評估與判斷。遙感影像可以作為災(zāi)區(qū)災(zāi)后重建規(guī)劃的依據(jù)。

2、水域動態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用。隨著自然經(jīng)濟(jì)的利用與發(fā)展，以前收集的很多水系資料、流域情況已經(jīng)不能準(zhǔn)確反映當(dāng)前該水系的情況。利用無人機(jī)遙感技術(shù)對當(dāng)前水域進(jìn)行重新監(jiān)測與數(shù)據(jù)收集，能夠快速、準(zhǔn)確、方便對流域情況進(jìn)行監(jiān)測。節(jié)省大量人力、物力。利用無人機(jī)遙感技術(shù)對現(xiàn)有的水域資料進(jìn)行更新與變更。對水域使用情況、邊界劃分等進(jìn)行全面測量，通過后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作，產(chǎn)生數(shù)字影像的水域地形圖。建立省市縣不同機(jī)構(gòu)的聯(lián)控系統(tǒng)，對每一條河流的類型、面積、水量、歸屬等建立有效的信息分享機(jī)制，達(dá)到各級共享、自動交換、信息共享的水域動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和管理系統(tǒng)。除此之外，還要對河堤的變化、非法占有水域等進(jìn)行監(jiān)測，為加強(qiáng)河道水域發(fā)展趨勢、水域執(zhí)法等提供有效的影像數(shù)據(jù)。之外，無人機(jī)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和能夠用在水利建設(shè)、水利規(guī)劃、航運(yùn)開發(fā)等。endprint

3、水利工程建設(shè)與管理的應(yīng)用。無人機(jī)搭載的低空遙感系統(tǒng)所快速、準(zhǔn)確、高效收集的數(shù)據(jù)，在水利工程建設(shè)與管理上影響決策與分析評估、大型水利安全監(jiān)測等，在該領(lǐng)域也能發(fā)揮特殊的作用。利用無人機(jī)遙感的高清成像、機(jī)動靈活等特征，可以為工程生態(tài)環(huán)境提供宏觀的科學(xué)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。同時，能夠監(jiān)測水域區(qū)域的植被情況、土壤、土質(zhì)、水域范圍等進(jìn)行監(jiān)測。利用空間信息技術(shù)手段，無人機(jī)的高分辨率遙感影像以及高精度GPS系統(tǒng)相結(jié)合的方法，還可以進(jìn)行大型水庫和堤防工程的建設(shè)施工監(jiān)測工作。

4、水土保持監(jiān)測的應(yīng)用。無人機(jī)遙感系統(tǒng)拍攝的高清影像能真實地反映了研究范圍內(nèi)建設(shè)期所造成的水土流失狀況、強(qiáng)度及分布情況。對崩塌、滑坡、泥石流等進(jìn)行低空近景攝影測量監(jiān)測。無人機(jī)系統(tǒng)獲取的動態(tài)視頻和靜態(tài)影像能夠幫助了解典型區(qū)域水土流失發(fā)展趨勢、發(fā)生特點(diǎn)和現(xiàn)狀等。

5、其他方面應(yīng)用。測區(qū)動態(tài)視頻和靜態(tài)影像用于項目成果宣傳，數(shù)字三維模型可繪制等高線、斷面圖，用于工程土方量、面積計算和洪水淹沒區(qū)分析等，為洪水風(fēng)險圖編制以及避洪搶險路徑分。

四、結(jié)語

市場需求的改變和測繪技術(shù)的革新是密不可分的，通過具體工程應(yīng)用表明，低空遙感技術(shù)以自身優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感影像分辨率不高、傳統(tǒng)航空攝影成本高、人工調(diào)查效率低等問題，從多方位、多角度、多樣式掌握第一手詳細(xì)信息，為科學(xué)地制定水利規(guī)劃、防汛調(diào)度和應(yīng)急救災(zāi)提供決策支持，使相關(guān)的政府部門對各區(qū)域水利信息了解更加全面、對突發(fā)事件的反應(yīng)更加迅速、人員之間的協(xié)調(diào)更加充分、決策更加有依據(jù)，盡可能減少臺風(fēng)洪澇災(zāi)害和干旱缺水給人民群眾帶來的損失，為信息化建設(shè)和水利事業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐和保障服務(wù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]吳漢平.無人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]孫杰，林宗堅，崔紅霞.無人機(jī)低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)[J].遙感信息，2003（1）：49-50.

[3]玉素甫江·買買提.論低空無人機(jī)遙感技術(shù)在水利相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景[J].中國新通信，2014，（22）：66-67.

[4]王春生，楊魯強(qiáng)，魏傳喜，等.無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)在水利工程測量中的應(yīng)用[J].測繪通報，2012（S1）：408-410.

[5]錢尊巖.低空無人機(jī)遙感在油田測量中的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究[D].中國石油大學(xué)（華東），2012.endprint