無(wú)人機(jī)在水利勘測(cè)中的應(yīng)用研究探索

陳 原

廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510000

1 無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)（UVA） 即“無(wú)人駕駛飛機(jī)”，是一種對(duì)搭載了新型低空遙感信息獲取技術(shù)的無(wú)人駕駛飛行器的統(tǒng)稱(chēng)。隨著無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是以無(wú)人機(jī)為載體的3S技術(shù)等高新測(cè)繪技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，從軍事到民用、從城市建設(shè)到森林山川，都可以及時(shí)獲取準(zhǔn)確、清晰的遙感影像資料數(shù)據(jù)等信息。對(duì)資源信息要求較高的水利勘察也提供了相應(yīng)的應(yīng)用方向。

20世紀(jì)20年代，無(wú)人機(jī)作為靶機(jī)首次運(yùn)用在了戰(zhàn)爭(zhēng)的舞臺(tái)上。而后隨著重量減輕、體積變小、更為靈活的高探測(cè)精度的新型傳感器無(wú)人機(jī)誕生，無(wú)人機(jī)逐漸轉(zhuǎn)向了民用遙感飛行平臺(tái)，成為了偵查、測(cè)繪等有效手段。20世紀(jì)80年代以來(lái)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用和通訊手段的迅速發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術(shù)的勘察范圍不斷擴(kuò)大、獲取信息更加迅速、信息綜合性更強(qiáng)，使得無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在工程測(cè)量、信息采集、環(huán)境監(jiān)控中廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)遙感及相關(guān)技術(shù)勘測(cè)發(fā)展迅速，無(wú)人機(jī)在測(cè)繪勘察中具有非常重要的效果，能夠機(jī)載遙感設(shè)備快速獲取準(zhǔn)確完整信息。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)平臺(tái)憑借其特有的優(yōu)勢(shì)逐漸被廣泛應(yīng)用到國(guó)家生態(tài)環(huán)境保護(hù)、礦產(chǎn)資源勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、土地使用調(diào)查等范疇中去，作為一種新型的低空遙感信息獲取機(jī)器，有著寬廣的市場(chǎng)需求和應(yīng)用前景。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用范圍

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，而且可通過(guò)先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、拾取更豐富的影像信息。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，無(wú)論是在國(guó)家重大工程建設(shè)、城市建設(shè)方面，還是公共事業(yè)的評(píng)估、公眾服務(wù)等領(lǐng)域，均具有很大的應(yīng)用空間和探索價(jià)值。尤其在基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)的捕捉獲取、工程項(xiàng)目調(diào)查和環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面。

2.1 地理基礎(chǔ)信息的獲取

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以利用航拍、遙感技術(shù)快速獲取城市或山區(qū)、森林的地物地貌信息，包含了基本地理物體的外部輪廓信息、分布信息以及高程信息、位置矢量信息等，并能依據(jù)獲取的相關(guān)地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料信息，完成后期資料數(shù)據(jù)的分析處理，及時(shí)生成完整、直觀(guān)的勘測(cè)模型或4D地圖。

2.2 快速建立模型庫(kù)

無(wú)人機(jī)遙感能夠搭載不同的數(shù)據(jù)處理軟件或第三方應(yīng)用平臺(tái)，快速建立直觀(guān)精準(zhǔn)的模型庫(kù)。在數(shù)據(jù)后期分析處理中，以無(wú)人機(jī)航空傾斜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)傾斜原片數(shù)據(jù)的提取，可以進(jìn)行人機(jī)交互的三維建模，建立具有較為完整結(jié)構(gòu)、紋理質(zhì)量清晰的模型，進(jìn)而可以快速的建立模型庫(kù)。

2.3 利用三維平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用

在提高無(wú)人機(jī)技術(shù)獲取基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)后，通過(guò)傾斜攝影真實(shí)的地形剖面分析來(lái)對(duì)接第三方平臺(tái)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)可利用生成的三維模型對(duì)接多個(gè)第三方平臺(tái)，如地下管線(xiàn)管理、三維模型對(duì)像化至戶(hù)、淹沒(méi)分析用于城市低洼地區(qū)管理、空間可視域分析等處理，可完成更多、更為廣泛和具體的應(yīng)用。

3 無(wú)人機(jī)遙感的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

關(guān)系到水利工程建設(shè)項(xiàng)目和水利工程的安全運(yùn)行，水利勘測(cè)的重要性值得人們關(guān)注。而自然環(huán)境尤其是復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地形地勢(shì)對(duì)水利工程的建設(shè)和勘察影響巨大，傳統(tǒng)人工的勘查工作十分艱苦和危險(xiǎn)，也存在數(shù)據(jù)信息不準(zhǔn)確和費(fèi)時(shí)長(zhǎng)、成本大的問(wèn)題。如果在勘察測(cè)繪階段的數(shù)據(jù)反饋不準(zhǔn)確，會(huì)影響數(shù)據(jù)的下一步分析和工程的具體計(jì)劃。因此，對(duì)水利勘察的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該不斷提高，對(duì)水利項(xiàng)目的前期工作需要進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)查，需要借助無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)自然的合理改造。

3.1 快速精準(zhǔn)的工作效率

勘察測(cè)繪是一項(xiàng)非常具有時(shí)效性，要求精準(zhǔn)性的工作，傳統(tǒng)水利勘測(cè)工作經(jīng)常會(huì)遇到人員操作危險(xiǎn)或無(wú)法操作的情況，而通過(guò)低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)不僅能夠獲取地質(zhì)環(huán)境和水利條件等實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的信息，還能夠?qū)雍笃跀?shù)據(jù)處理平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析。低空無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍較廣，除了用于工程項(xiàng)目的勘探測(cè)繪外，還可以用于自然災(zāi)害的評(píng)估，通過(guò)航拍技術(shù)對(duì)社會(huì)公眾的生產(chǎn)生活所需進(jìn)行應(yīng)用等。無(wú)人機(jī)遙感通過(guò)具有的高清拍攝和獲取優(yōu)勢(shì)，極大地提高了基礎(chǔ)信息收集、處理的速度和效率，為下一步的規(guī)劃和安排提供科學(xué)的決策依據(jù)。

3.2 靈活性高

隨著技術(shù)和應(yīng)用的創(chuàng)新發(fā)展，體積重量越來(lái)越小、續(xù)航動(dòng)力越來(lái)越強(qiáng)成為無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。因此在地質(zhì)測(cè)繪的無(wú)人機(jī)技術(shù)中，相比于傳統(tǒng)的如繞地衛(wèi)星、航天飛機(jī)等飛行器來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)在飛行和地面操作上具有很大的靈活性。尤其是將機(jī)體部分設(shè)計(jì)成折疊式旋翼的多旋翼無(wú)人機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用，進(jìn)一步縮小了無(wú)人機(jī)的體積，使無(wú)人機(jī)在森林、河流、山地等復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境中也可正常起飛，降落程序也較為簡(jiǎn)單方便，甚至無(wú)需降落面，增強(qiáng)了飛行和數(shù)據(jù)收集的靈活性。另外，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的連接，能夠?qū)崿F(xiàn)地面與高空的直接控制，使得低空無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景多元化，其靈活性也體現(xiàn)的淋漓盡致。

3.3 數(shù)據(jù)處理較快

低空無(wú)人機(jī)航攝遙感技術(shù)應(yīng)用相較于一些大型飛行器或衛(wèi)星具有非常大的優(yōu)勢(shì)。一方面，無(wú)人機(jī)遙感采用了高精度相機(jī)以及地理掃描儀，具有較高的分辨率，使得收集的圖像影像資料更加清晰可觀(guān)。另一方面，也采用了影像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，能夠保障在飛行航攝期間實(shí)現(xiàn)對(duì)影像數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)收集和高效處理。在勘探回測(cè)領(lǐng)域，低空無(wú)人機(jī)航攝遙感技術(shù)采集快、效率高，適用于采集各種圖像信息，面對(duì)地形非常復(fù)雜的勘測(cè)環(huán)境，可以避免傳統(tǒng)測(cè)繪的大量時(shí)間耗費(fèi)，能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)繪工作并做好數(shù)據(jù)處理，有效地滿(mǎn)足測(cè)繪行業(yè)當(dāng)前的迫切需求，提高測(cè)繪行業(yè)的工作效率。

4 無(wú)人機(jī)技術(shù)在水利勘測(cè)中的應(yīng)用

4.1 水環(huán)境監(jiān)測(cè)

面對(duì)水資源污染越來(lái)越嚴(yán)重的社會(huì)現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化的目的十分緊迫。當(dāng)前我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要運(yùn)用人工或無(wú)人船，但是在實(shí)地采樣中，人工監(jiān)測(cè)需要消耗大量人力、物力，且周期十分漫長(zhǎng)。而無(wú)人船技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，仍存在勘測(cè)精度和完整度上的問(wèn)題，現(xiàn)有的無(wú)人船技術(shù)還需要進(jìn)一步提升。因此，在水質(zhì)抽樣監(jiān)測(cè)、水域環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面，無(wú)人機(jī)具備良好的穩(wěn)定性和操作性，能夠準(zhǔn)確定位勘測(cè)水域，靈活、安全地查明水域的水利條件，有利于節(jié)省人力、物力成本，及時(shí)有效的對(duì)水域?qū)嵤﹦?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，迅速發(fā)現(xiàn)流域地區(qū)的變化情況及河水質(zhì)量問(wèn)題。因此，無(wú)人機(jī)技術(shù)對(duì)信息收集和數(shù)據(jù)處理的快捷、準(zhǔn)確、完整，能夠?yàn)樗芾硖峁┮罁?jù)，有效促進(jìn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣的高效化和精確化，有效推進(jìn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的自動(dòng)化、信息化和現(xiàn)代化。

4.2 水土保持監(jiān)測(cè)

在水利工程中，進(jìn)行水土監(jiān)測(cè)和普查能夠有效預(yù)防水土流失，要做好水土保持的監(jiān)測(cè)工作，需要對(duì)較大范圍的各種地理水文信息進(jìn)行收集，還需要投入巨大的人力物力資源，是一項(xiàng)十分艱巨繁瑣而重要的工作。由于水利工程規(guī)模較大，所需勘測(cè)的數(shù)據(jù)較多，傳統(tǒng)勘測(cè)方式單純的依靠人工來(lái)對(duì)水域內(nèi)水土保持及水土流失情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不但勘測(cè)周期長(zhǎng)、人力物力投入成本高而且無(wú)法確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，后期數(shù)據(jù)處理分析復(fù)雜繁瑣。因此，在無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)得到廣泛應(yīng)用后，可以利用遙感系統(tǒng)對(duì)水土流失的成因、強(qiáng)度、影響范圍實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并對(duì)其防治成效進(jìn)行追蹤調(diào)查。通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，不僅能夠迅速掌握地面較大范圍的水土保持情況，還能夠以遙感影像為依據(jù)對(duì)水土保持的各個(gè)變量進(jìn)行科學(xué)分析和處理，為后續(xù)治理制定科學(xué)的改善措施提供技術(shù)支持。

4.3 水文檢測(cè)

在無(wú)人機(jī)航拍與巡視技術(shù)中，可以通過(guò)固定翼無(wú)人機(jī)，進(jìn)行大面積快速的水文信息采集和數(shù)據(jù)資料處理。使地面工作站能夠在第一時(shí)間掌握水利資源調(diào)查信息以及地面水資源用地信息，進(jìn)而根據(jù)水利資源調(diào)查成果和實(shí)時(shí)航拍監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析水文數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。除此之外，無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)作為一個(gè)技術(shù)支持平臺(tái)，可搭載其他設(shè)備承擔(dān)更加具體化的水利勘測(cè)工作，比如在無(wú)人機(jī)上搭載流速流量計(jì)，可以對(duì)水體流速進(jìn)行準(zhǔn)確快速的測(cè)量。在無(wú)人機(jī)身上搭載聲吶探測(cè)設(shè)備，能夠快速到達(dá)指定位置對(duì)水文地貌情況進(jìn)行掃描分析，還可以對(duì)河底地形進(jìn)行勘測(cè)描繪，讓我們更好地了解水下地形和結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置情況。

5 結(jié)語(yǔ)

在地質(zhì)勘探測(cè)繪工作中，面臨著各種各樣復(fù)雜的地形地貌，無(wú)論是山地森林還是江河水域，人員勘測(cè)不僅周期長(zhǎng)、成本高、效率低下，還具有較大的安全隱患。通過(guò)無(wú)人機(jī)的低空遙感控制，可以實(shí)現(xiàn)高空與地面的實(shí)時(shí)測(cè)繪和數(shù)據(jù)對(duì)接。此外，無(wú)人機(jī)還是一個(gè)能集成載荷的平臺(tái)，對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的深入拓展必須將無(wú)人機(jī)應(yīng)用和勘探技術(shù)進(jìn)行更深一步的結(jié)合，開(kāi)發(fā)更多的計(jì)算機(jī)后期數(shù)據(jù)處理技術(shù)，只有這樣才能推動(dòng)無(wú)人機(jī)在水利勘測(cè)中的深入應(yīng)用，推動(dòng)我國(guó)測(cè)繪工程的進(jìn)步。

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