無人機(jī)低空遙感技術(shù)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用

龔 敬

(長江水利委員會(huì)水文局，湖北 武漢 430010)

0 引言

大部分自然災(zāi)害和大型災(zāi)害都具有突發(fā)性和多樣性等特點(diǎn)，相關(guān)部門與應(yīng)急搶險(xiǎn)人員對于災(zāi)害的處理存在一定的困難和危險(xiǎn)，這就需要結(jié)合現(xiàn)場的應(yīng)急監(jiān)測，由專業(yè)監(jiān)測人員對危害現(xiàn)場的實(shí)際信息數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)與監(jiān)測，進(jìn)而為各種災(zāi)害的調(diào)查、分析和指揮做出重要的技術(shù)支持。

1 無人機(jī)低空遙感技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容

1.1 無人機(jī)內(nèi)容特點(diǎn)

無人機(jī)是一種通過無線電遙控設(shè)備或者機(jī)載計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)實(shí)施操作與控制的無人飛行器，其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但是不能夠完成有人機(jī)所執(zhí)行的任務(wù)，其更加適用于一些不適合有人機(jī)執(zhí)行的任務(wù)，例如危險(xiǎn)區(qū)域的災(zāi)害調(diào)查、空中救援指揮和環(huán)境遙感監(jiān)測等[1]。結(jié)合其系統(tǒng)的組成與分型特點(diǎn)，主要分為固定翼型無人機(jī)與無人駕駛直升機(jī)兩種。其中，固定翼型無人機(jī)主要是通過機(jī)翼的滑行與動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)合的方式來完成起飛與降落，可以實(shí)現(xiàn)遙控與程控飛行，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力、種類較多，并且可以同時(shí)搭載較多的遙感傳感器。固定翼型無人機(jī)起飛前需要比較空曠的場地，適合應(yīng)用在礦上資源的監(jiān)測、林業(yè)資源與草場監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)測以及土地利用監(jiān)測等方面。

1.2 無人機(jī)遙感

無人機(jī)遙感是一種結(jié)合先進(jìn)的無人駕駛飛行技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)、通信技術(shù)以及遙感應(yīng)用技術(shù)的組合技術(shù)形式，可以使國土資源的獲取實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化與專業(yè)化，并且可以應(yīng)用于各種自然環(huán)境、災(zāi)區(qū)等空間遙感信息的傳遞和處理上[2]。該技術(shù)具有機(jī)動(dòng)性高、快速、成本低的優(yōu)勢，目前已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)之一，也是未來航空遙感技術(shù)的重點(diǎn)研究項(xiàng)目。

2 水文應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)特點(diǎn)分析

2.1 巡測優(yōu)先、駐巡結(jié)合

在目前的水文應(yīng)急監(jiān)測方面，水利行業(yè)以及社會(huì)各界對水文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的要求在逐漸提高，水文監(jiān)測的控制點(diǎn)與斷面的數(shù)量在逐漸增加，因此完全依靠水文監(jiān)測站的監(jiān)測效果并不理想[2]。在此背景下，無人機(jī)低空遙感技術(shù)的應(yīng)用可以全面了解到區(qū)域內(nèi)部的水文信息，例如泥沙、水質(zhì)以及水流量與流速等，然后在無人機(jī)上搭載高清攝像設(shè)備，及時(shí)獲取區(qū)域內(nèi)部的水文信息，為水文應(yīng)急監(jiān)測工作提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 應(yīng)急監(jiān)測、快速響應(yīng)

我國是自然災(zāi)害發(fā)生較為頻繁的國家之一，尤其是突發(fā)性水災(zāi)造成的損失十分巨大，例如水庫出險(xiǎn)、堤防決口、堰塞湖、泥石流、突發(fā)性水污染等。在此期間，水文應(yīng)急監(jiān)測與無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用，可以及時(shí)獲取這些突發(fā)事件的信息，為相關(guān)的政府部門以及水文監(jiān)測部門提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而減少災(zāi)害的損失。近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與“大水文”戰(zhàn)略的實(shí)施，各種新技術(shù)與新設(shè)備正在不斷研發(fā)與應(yīng)用，例如地基雷達(dá)監(jiān)測和航天航空雷達(dá)監(jiān)測以及無人機(jī)低空遙感技術(shù)等，其中，無人機(jī)遙感技術(shù)在水文應(yīng)急演練中的應(yīng)用較為廣泛，也是未來應(yīng)用于水文監(jiān)測工作的主要技術(shù)之一。

3 無人機(jī)影像處理方式

3.1 矯正畸變差

數(shù)碼相機(jī)由于鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)方面的影響，未經(jīng)過科學(xué)的校正，也沒有測定內(nèi)部的方位元素，在正常拍攝期間所獲得的影像一般都具有非線性的光學(xué)畸變誤差，在相機(jī)焦距不變的情況下，該誤差屬于正常范圍。因此，需要在拍攝之前對數(shù)碼相機(jī)三角測量的畸變差進(jìn)行矯正，具體的矯正方式分為兩種，一是直接矯正，通過直接矯正畸變圖像中的像素坐標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)矯正圖像的目的。二是間接矯正，主要通過矯正畸變圖像上面的坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)最終的圖像矯正。在實(shí)際應(yīng)用中，直接矯正比較適合大部分的應(yīng)急監(jiān)測，因此較為常用。

3.2 實(shí)現(xiàn)空中三角測量工作

為了保證像片上面的像點(diǎn)坐標(biāo)能夠被精準(zhǔn)獲取，需要在空中三角測量工作實(shí)施期間，對影像的定位元素以及所需要的控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行求解處理，一般常見的方式包含航帶法、獨(dú)立模型法以及光速法區(qū)域網(wǎng)空三測量[3]。其中，光束法是以投影的中心點(diǎn)、像點(diǎn)以及相應(yīng)的地面點(diǎn)三點(diǎn)共線作為測量的主要條件，以單張像片為計(jì)算單元，結(jié)合像片之間的公共點(diǎn)與野外的控制點(diǎn)將各個(gè)像片之間的光束連接成一個(gè)區(qū)域，進(jìn)而實(shí)施整體評測作業(yè)，最終求解出加密點(diǎn)的坐標(biāo)。其主要的理論公式共線條件方程為：

其中，x與y代表某個(gè)像點(diǎn)的空間坐標(biāo)；f代表攝像機(jī)的主焦距；地面對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)用X，Y，Z表示；外方位線元素用XS，YS，ZS表示；方向余弦用a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2、c3表示[3]。

可以看出，像控點(diǎn)的外業(yè)采集精度對于整個(gè)區(qū)域網(wǎng)評測精度有著重要的影響，因此，像控點(diǎn)需要均勻布置在整個(gè)航拍范圍，并且設(shè)置在地形比較明顯的地區(qū)。

3.3 快拼圖的生成

想要實(shí)現(xiàn)圖像的拼接，需要結(jié)合計(jì)算機(jī)中的圖形與色彩技術(shù)軟件，對空間內(nèi)部的重疊圖像進(jìn)行精準(zhǔn)的對比，然后將對比之后的圖像進(jìn)行融合，自動(dòng)拼接出一種全新的圖像。這種技術(shù)可以滿足現(xiàn)實(shí)中應(yīng)急預(yù)案檢測數(shù)據(jù)的需求，可以對無人機(jī)低空遙感拍攝的高分辨率圖像進(jìn)行鑲嵌和拼接，進(jìn)而快速獲取災(zāi)區(qū)的全影像圖?？炱磮D不需要全球定位系統(tǒng)所得到的信息與各種相機(jī)參數(shù)，其可以自動(dòng)識別相機(jī)的焦距與參數(shù)，然后去除其中存在的差值，自動(dòng)形成矯正之后的拼圖。在進(jìn)行具體的拼圖制作時(shí)，需要將DSM編輯功能與測量功能有效結(jié)合，進(jìn)而從DSM上進(jìn)行面積、體積與距離的運(yùn)算，但是從嚴(yán)格意義上講，數(shù)字正射的影像圖精度要高于快拼圖，但是快拼圖可以在短時(shí)間內(nèi)獲取災(zāi)區(qū)內(nèi)部的大部分信息，為災(zāi)區(qū)的應(yīng)急救援和決策制定奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 無人機(jī)低空遙感技術(shù)在水文應(yīng)急演練中的具體應(yīng)用

在實(shí)際水文應(yīng)急演練期間，要想充分利用無人機(jī)低空遙感技術(shù)，相關(guān)監(jiān)測人員應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，制定應(yīng)急預(yù)案，具體的工作流程如下。

4.1 分析地形

對地形條件進(jìn)行分析，全面規(guī)劃無人機(jī)的航線，保證河流水文信息監(jiān)測的準(zhǔn)確性。無人機(jī)監(jiān)測具體結(jié)合特定的數(shù)學(xué)模型來獲取相關(guān)水文信息，所以需要選擇合適的測流模型。在實(shí)際監(jiān)測中，河流的地理位置、水質(zhì)等因素都存在較為明顯的差距，因此針對不同的地形條件要使用不同的測流模型。在結(jié)合無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測之前，需要搜集當(dāng)?shù)厮恼镜南嚓P(guān)水文資料，找到相同水面條件下的流速分布函數(shù)，例如：拋物線、對數(shù)型等，另外，還需要結(jié)合模型來選擇合適的測流位置，以獲取更加精準(zhǔn)的監(jiān)測分析結(jié)果。

4.2 控制飛行

無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)主要基于微波雷達(dá)等技術(shù)來進(jìn)行水文監(jiān)測，因此需要無人機(jī)有較高的飛行穩(wěn)定性，這樣其所搭載的攝像機(jī)才能夠拍攝出穩(wěn)定、高清的地質(zhì)信息畫面，否則地面的河流速度等因素會(huì)影響無人機(jī)的飛行速度，進(jìn)而導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。無人機(jī)飛行穩(wěn)定性控制方法主要有以下3點(diǎn)：(1)加速和減速控制。在加速與減速期間一定要控制其平穩(wěn)性，同時(shí)需要將加速與減速的差值控制在較為合理的范圍內(nèi)。(2)爬升和下降控制。在爬升與下降階段需要保持平穩(wěn)性，才能夠在無人機(jī)拍攝完畢之后將數(shù)據(jù)信息完整的傳回到地面控制站，同時(shí)，還要注意速度與通視條件的控制。

4.3 地面控制

無人機(jī)低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)在水文應(yīng)急演練中，提升了監(jiān)測的自動(dòng)化與智能化程度，但是還是需要地面的人力控制。在具體的監(jiān)測期間加強(qiáng)地面的控制與指揮，可以進(jìn)一步提升監(jiān)測的效率與準(zhǔn)確性，同時(shí)地面的控制人員也需要對監(jiān)測的全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，對無人機(jī)、攝像以及相關(guān)任務(wù)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行監(jiān)視與連接，從而保證操作的完整性。

5 結(jié)語

本文對無人機(jī)低空遙感技術(shù)在水文應(yīng)急演練中的實(shí)際應(yīng)用做出分析，結(jié)合遙感平臺的豐富多樣化、成果多元化等特點(diǎn)，利用數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)以及紅外等器具，可以精準(zhǔn)得獲取災(zāi)區(qū)地面情況的數(shù)據(jù)信息，包含地質(zhì)地貌、地形植被、水文土壤等，進(jìn)而為應(yīng)急團(tuán)隊(duì)救援工作的順利實(shí)施奠定良好基礎(chǔ)。