淺議低空無(wú)人機(jī)在河道管理中應(yīng)用研究

宋 強(qiáng) 王昆侖 黃祚繼 董丹丹 張 蕊

隨著智慧水利戰(zhàn)略的不斷深入和強(qiáng)化，河道測(cè)量在水利系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。河道測(cè)量是針對(duì)河流的開(kāi)發(fā)整治或者對(duì)河床以及兩岸的地形開(kāi)展測(cè)繪工作，并完成相應(yīng)信息的采集、繪制和水位相關(guān)的資料。傳統(tǒng)河道測(cè)量存在工作量大、效率低、采樣率不高，且數(shù)據(jù)處理難以滿足河道信息處理的要求等問(wèn)題。低空無(wú)人機(jī)影像具有分辨率高、作業(yè)周期短、靈活性大等優(yōu)勢(shì)，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)為逐步實(shí)現(xiàn)河道數(shù)字化管理提供基礎(chǔ)資料和技術(shù)支撐。本文針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量上的不足，將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于河道測(cè)量上，使得河道測(cè)量工作更加方便、快速進(jìn)行，高效推進(jìn)河道管理工作。

一、無(wú)人機(jī)組成

無(wú)人機(jī)是無(wú)人駕駛飛機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)UAV（Unmanned Aerial Vehicle），是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置的不載人飛機(jī)。能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)預(yù)先設(shè)定航線軌跡進(jìn)行巡航飛行，并在飛行過(guò)程中通過(guò)不斷調(diào)整飛行姿態(tài)從而完成設(shè)定任務(wù)。

無(wú)人機(jī)要完成飛行任務(wù)，除需要飛機(jī)及其攜帶的功能設(shè)備外，還需要地面控制系統(tǒng)，以及指揮控制和必要的操作、維護(hù)人員等。無(wú)人機(jī)應(yīng)稱(chēng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(Unmanned AeriaI System，UAS)，主要有飛行載體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等。其中飛控系統(tǒng)又稱(chēng)為飛行管理與控制系統(tǒng)，屬于核心部分，對(duì)其在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性等存在這舉足輕重的作用；數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遙控指令進(jìn)行準(zhǔn)確傳輸，并保證接收、發(fā)送信息的實(shí)時(shí)性和可靠性，用以實(shí)現(xiàn)信息反饋，從而順利、準(zhǔn)確地完成任務(wù)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、無(wú)人機(jī)在河道管理上的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)以及機(jī)上搭載的數(shù)據(jù)采集、接收和處理等軟硬件，通過(guò)運(yùn)用各種技術(shù)手段，對(duì)河流河道、湖泊水庫(kù)的相關(guān)信息進(jìn)行快速獲取，為水利、環(huán)保部門(mén)提供更多的監(jiān)控信息。

1. 應(yīng)用無(wú)人機(jī)對(duì)河道進(jìn)行測(cè)量的意義和優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量技術(shù)，低空無(wú)人機(jī)遙感在河道測(cè)量中對(duì)起降場(chǎng)地的要求較低，幾十米的距離即可保證起降的安全性。同時(shí)，無(wú)人機(jī)在平臺(tái)的構(gòu)建和系統(tǒng)的維護(hù)維修上所花費(fèi)的成本比較少，大大減少了河道測(cè)量的成本費(fèi)用，并由于其效率高能夠帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

傳統(tǒng)高分辨率遙感影像主要存在以下共性問(wèn)題：一方面是存檔數(shù)據(jù)時(shí)效性差；另一方面是時(shí)間分辨率不高。無(wú)人機(jī)航拍很好地解決了這一難題，團(tuán)隊(duì)可以隨時(shí)出發(fā)，隨時(shí)進(jìn)行拍攝，相比有人機(jī)測(cè)繪和衛(wèi)星拍攝，可在較短時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，并及時(shí)提供所需成果，且成本低。其次，無(wú)人機(jī)本身的體積比較少，在具體操作過(guò)程中相對(duì)簡(jiǎn)單，工作效率會(huì)得到提高。對(duì)于受到河道地理位置和各種條件的影響，在測(cè)量開(kāi)展之后容易出現(xiàn)一些高重疊度的影像，無(wú)人機(jī)在這類(lèi)型影像的獲取上對(duì)后續(xù)工作的可靠性會(huì)有所增強(qiáng)。利用無(wú)人機(jī)對(duì)河道開(kāi)展測(cè)量，可以短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量任務(wù)，降低了工作成本。

2. 操作流程

無(wú)人機(jī)工作流程如圖2。

利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展河道測(cè)量工作，首先對(duì)測(cè)量的場(chǎng)地進(jìn)行選擇，然后開(kāi)展場(chǎng)地的風(fēng)向風(fēng)速測(cè)定和檢查工作，結(jié)合場(chǎng)地情況和實(shí)際要素，通過(guò)無(wú)人機(jī)配套設(shè)備地面站，給無(wú)人機(jī)派發(fā)任務(wù)，通過(guò)電腦對(duì)任務(wù)航道進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后實(shí)施飛行任務(wù)。飛行航拍主要是自動(dòng)拍攝，在降落之后自動(dòng)地完成數(shù)據(jù)的匹配、檢測(cè)和預(yù)處理，減少后續(xù)處理所耗費(fèi)的時(shí)間，提升測(cè)量的工作效率?？稍谔囟▍^(qū)域，根據(jù)歷史影像和無(wú)人機(jī)飛行成果作影像對(duì)比，可更形象、直觀看出地物變化情況。

由于無(wú)人機(jī)中匹配有DRTK 模塊，且采樣頻率可達(dá)0.1Hz，正常情況中定位精度可達(dá)厘米級(jí)。對(duì)土方工程的測(cè)量，先在數(shù)字化測(cè)圖軟件中展繪高程點(diǎn)，其次用ENVI 中的監(jiān)督分類(lèi)法識(shí)別區(qū)域，并對(duì)區(qū)域進(jìn)行提取，然后利用所測(cè)高程建立DEM 高程網(wǎng)后繪制等高線，最后對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行兩期測(cè)量，利用兩次觀測(cè)得到的高程數(shù)據(jù)建立模型后疊加，并計(jì)算兩期區(qū)域內(nèi)土方工程變化情況。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，解算出所需要的填挖方量。

圖1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 無(wú)人機(jī)工作流程圖

3. 應(yīng)用

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，可繪制正射圖、數(shù)字高程模型、地形圖等。同時(shí)對(duì)河道的非法排污、捕撈、養(yǎng)殖、采砂、圍墾、侵占水域岸線等違法違規(guī)行為，便于相關(guān)管理部門(mén)能夠及早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理。（1）河道岸線整治，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)可以進(jìn)行河湖岸線的管理。（2）河道三維建模，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)憑借快速高效、機(jī)動(dòng)靈活、成本低等優(yōu)勢(shì)，正慢慢顛覆傳統(tǒng)測(cè)繪的作業(yè)方式，已成為測(cè)繪行業(yè)“新寵”，將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用到無(wú)人機(jī)上，實(shí)際就是在做一個(gè)三維模型，而建立起來(lái)的這個(gè)模型更加真實(shí)、更加直觀、更加符合實(shí)際。

三、精度測(cè)評(píng)

通過(guò)VirtuoZo 軟件輸入影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三測(cè)量，對(duì)影像的pos 數(shù)據(jù)進(jìn)行定向分析，根據(jù)國(guó)家所編制的制圖規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行地物的標(biāo)注和修飾工作。

DEM 來(lái)源于無(wú)人機(jī)影像獲取pos高程數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)高程點(diǎn)的匹配算法進(jìn)行同名點(diǎn)的高程匹配和校核生成相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而獲取相關(guān)地物的DEM 高程數(shù)據(jù)。所生成的DEM 經(jīng)過(guò)建立相應(yīng)的模型算法進(jìn)行點(diǎn)位的校核后，即是對(duì)其他數(shù)據(jù)的考評(píng)與參考標(biāo)準(zhǔn)。

為檢查測(cè)圖精度，通過(guò)星海達(dá)IRTK2 系列進(jìn)行實(shí)測(cè)40 個(gè)野外特征點(diǎn)三維數(shù)據(jù)，其特征點(diǎn)選取為斑馬線、建筑物拐角等明顯地物點(diǎn)。RTK 實(shí)測(cè)40 個(gè)點(diǎn)數(shù)，平面中誤差為0.22，高程中誤差為0.33。結(jié)果表明，文中運(yùn)用的無(wú)人機(jī)精度已達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)繪儀器的要求，可進(jìn)行常規(guī)工程放樣、地形測(cè)圖，為各種控制測(cè)量帶來(lái)了新曙光，極大地提高了作業(yè)效率。

四、結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)的快速機(jī)動(dòng)性非常突出，并且自身的重量比較小，在物資的消耗上比較低，不會(huì)出現(xiàn)人員危險(xiǎn)的情況，在一些簡(jiǎn)單條件的輔助之下就可以立即開(kāi)展工作。無(wú)人機(jī)在使用過(guò)程中可以進(jìn)行低空飛行，在一段平整的路面實(shí)現(xiàn)起降之后，就可以比較快速、便利地對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用無(wú)人機(jī)拍攝后生成的數(shù)字高程模型和正射影像，完成對(duì)一些較隱蔽和不易發(fā)現(xiàn)的死角進(jìn)行測(cè)量及對(duì)河道的常態(tài)監(jiān)測(cè)，從而使得河道管理工作效率得到大大提高，為河道的管理和維護(hù)提供了便利■