無人機低空遙感技術(shù)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用

羅清虎，宋明琦

（青海省水文水資源測報中心，青海 西寧 810008）

我國的地域廣闊，不同地區(qū)的地質(zhì)條件、水文條件均有所差異，伴隨著開發(fā)力度不斷增強，導(dǎo)致原有的自然條件發(fā)生了變化，爆發(fā)嚴重的自然災(zāi)害，直接威脅到人們生命財產(chǎn)安全。因此，需要相關(guān)部門和應(yīng)急搶險人員積極處理，分析其困難所在，通過對現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測來獲取可靠數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)災(zāi)害分析、調(diào)查和決策部署提供可靠支持。因此，在水文監(jiān)測中需要大力應(yīng)用無人機低空遙感技術(shù)，發(fā)揮前沿技術(shù)優(yōu)勢，滿足惡劣環(huán)境的環(huán)境監(jiān)測需要，提升工作有效性。

1 無人機低空遙感技術(shù)相關(guān)內(nèi)容分析

1.1 無人機特點

無人機是一種先進技術(shù)，在當前各個行業(yè)領(lǐng)域中均有所應(yīng)用，是指基于機載計算機程序控制或無線電遙控設(shè)備方式，實現(xiàn)無人機飛行控制，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，主要是用于代替人工完成強度高、風險大和條件不便的任務(wù)，如，風險區(qū)災(zāi)害調(diào)查、環(huán)境遙感監(jiān)測以及空中救援等[1]。包括固定翼型無人機和無人駕駛直升機兩種，前者是借助機翼滑行、動力系統(tǒng)支持下進行啟停降落，配備多類型的遙感傳感器，可以實現(xiàn)無人機遙控飛行，具備更強的抗風能力，滿足多種復(fù)雜環(huán)境的作業(yè)需要。固定翼型無人機起飛需要選擇空曠場所，以此來滿足草地檢測、林業(yè)資源監(jiān)測、礦產(chǎn)資源監(jiān)測、土地利用監(jiān)測以及海洋環(huán)境監(jiān)測等。

1.2 無人機遙感

無人機遙感則是基于無人機技術(shù)，聯(lián)合GPS查分定位技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙感應(yīng)用技術(shù)和通信技術(shù)組合應(yīng)用，實現(xiàn)國土資源高效開發(fā)利用，滿足各種自然環(huán)境和災(zāi)區(qū)空間遙感信息監(jiān)測傳輸，促使地質(zhì)監(jiān)測工作自動化、專業(yè)化和智能化發(fā)展。此項技術(shù)成本低、操作便捷和機動性高，已經(jīng)成為當前時代的熱門技術(shù)之一，也是航空遙感技術(shù)未來發(fā)展的主流趨勢[2]。

2 水文應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢特點

結(jié)合目前我國水文監(jiān)測工作成果來看，其中存在很多問題，配套設(shè)備設(shè)施的測洪能力不強，即便相關(guān)部門增強了水文監(jiān)測設(shè)備建設(shè)和完備力度，但還有很多問題[3]。水文監(jiān)測設(shè)備經(jīng)過改造后，測洪能力還有所不足，因此仍然沿襲傳統(tǒng)方法進行特大洪水測量，需要消耗大量的人力、物力和財力；配套的測速和取沙技術(shù)還需要進一步升級優(yōu)化。另外，人工操作方式，可能受到人為因素影響增加數(shù)據(jù)誤差，難以獲取精準、可靠的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)資料。因此，新時期應(yīng)該注重無人機低空遙感技術(shù)靈活運用，全面提升水文監(jiān)測技術(shù)水平[4]。

2.1 巡測優(yōu)先，駐巡結(jié)合

在水文監(jiān)測工作中，由于工作專業(yè)性較強，內(nèi)容復(fù)雜，需要借助專門技術(shù)和設(shè)備開展工作。面對當前水利行業(yè)對水文監(jiān)測工作不斷增長的要求，水文監(jiān)測斷面數(shù)量逐步增加，僅僅依靠傳統(tǒng)水文監(jiān)測站難以獲取可觀的監(jiān)測效果。因此，在此環(huán)境下靈活運用無人機低空遙感技術(shù)，可以實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)水文信息的高效采集和整理，如水質(zhì)、水量、流速等，借助無人機上配備的高清攝像機來采集區(qū)域水文信息，為后續(xù)的相關(guān)工作開展提供支持[5]。

2.2 應(yīng)急監(jiān)測，響應(yīng)快速

近些年來，我國自然災(zāi)害頻繁，造成了嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。其中突發(fā)性水災(zāi)事故危害較大，如堤防決口、泥石流、水庫出險和突發(fā)水污染等情況。對于此類突發(fā)性水災(zāi)，在水文應(yīng)急檢測工作中靈活應(yīng)用無人機低空遙感技術(shù)，可以摒棄人工監(jiān)測方式的不足，突破空間限制，即便惡劣條件下也可以借助無人機來收集和分析水文突發(fā)事件信息，為后續(xù)的部門決策和管理工作提供數(shù)據(jù)支持，將災(zāi)害損失降到最低。伴隨著科學(xué)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展，涌現(xiàn)出很多新設(shè)備和新技術(shù)，在應(yīng)用中取得了可觀成效[6]。如，航天航空雷達監(jiān)測、地基雷達監(jiān)測以及無人機低空遙感技術(shù)等，其中無人機低空遙感技術(shù)由于自身的便捷性特點，在水文應(yīng)急監(jiān)測中廣泛應(yīng)用，有助于提升整體工作效率，獲取精準可靠的數(shù)據(jù)。

對于影像數(shù)據(jù)獲取，需要操控無人機按照預(yù)設(shè)航線飛行和監(jiān)測，并進行質(zhì)量檢查和像控測量，任務(wù)規(guī)劃是否合理直接關(guān)乎到獲取影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。具體環(huán)節(jié)有規(guī)劃航跡、分配任務(wù)、系統(tǒng)保障和規(guī)劃應(yīng)急預(yù)案等環(huán)節(jié)，按照流程規(guī)范化水文監(jiān)測，確保采集的數(shù)據(jù)精準、可靠、完整。

3 無人機影像處理

3.1 矯正畸變差

基于無人機低空遙感技術(shù)進行水文監(jiān)測，對于獲取的影像處理階段，一個主要環(huán)節(jié)則是矯正畸變差。相機由于自身的鏡頭光學(xué)設(shè)計特性，如果內(nèi)部方位元素并未測定，拍攝的影像多存在非線性光學(xué)即便誤差，如果相機焦距維持不變，誤差屬于正常的范疇[7]。所以，應(yīng)該在拍攝前對相機三角測量機變差矯正處理，具體有直接矯正和間接矯正兩種方式，前期這是基于矯正畸變圖像像素坐標，實現(xiàn)圖像矯正處理；后者則通過矯正畸變圖像坐標，實現(xiàn)圖像矯正目標。在具體應(yīng)用中，直接矯正方式更適合水文應(yīng)急監(jiān)測需要，應(yīng)用范圍較廣，實際效果可觀。

3.2 空中三角測量

為了獲取精準可靠的數(shù)據(jù)，精準獲取像點坐標，在空中三角測量階段求解處理影像定位元素、控制點坐標數(shù)據(jù)，具體方法有獨立模型法、航帶法和光速法區(qū)域網(wǎng)孔三測量。光束法在具體測量中，主要是把握投影中心點、像點和對面點三點共線，在此基礎(chǔ)上將各像片間光束連接在一起形成一個區(qū)域，完成整體平測作業(yè)，計算得到精準的加密點坐標。像控點的選擇十分關(guān)鍵，直接影響到數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，是后續(xù)評測精度把控的關(guān)鍵所在。所以，需要均勻布設(shè)像控點，設(shè)置在地形明顯的區(qū)域，以此來采集精準可靠的數(shù)據(jù)信息[8]。

3.3 快拼圖生成

圖像拼接需要借助計算機支持，選擇配套的圖像處理軟件來精準比對空間重疊圖像，然后圖像融合拼接成新的圖像。此項技術(shù)優(yōu)勢鮮明，可以滿足水文監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取需求，實現(xiàn)高分辨率圖像拼接處理，進而形成全方位的監(jiān)測區(qū)域影像圖?？炱磮D不需要相機參數(shù)和定位系統(tǒng)獲取的信息，可以自動化識別相機焦距參數(shù)，去除誤差值，實現(xiàn)拼圖自動矯正。拼圖制作中，將DSM編輯功能、測量功能結(jié)合應(yīng)用，精準計算體積、面積和距離，盡管實際上數(shù)字正射影像圖精度要超過塊拼圖，但快拼圖可以快速獲取災(zāi)區(qū)數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)的救援決策提供可靠數(shù)據(jù)支持。

4 水文應(yīng)急監(jiān)測中無人機低空遙感技術(shù)應(yīng)用

水文應(yīng)急監(jiān)測中，合理運用無人機低空遙感技術(shù)，需要充分契合區(qū)域?qū)嶋H情況，在收集相關(guān)資料后編制合理的應(yīng)急預(yù)案，指導(dǎo)后續(xù)工作順利展開。

4.1 地形條件分析

地形條件分析是水文應(yīng)急監(jiān)測的一個基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，應(yīng)用無人機低空遙感技術(shù)，需要立足于實際情況編制合理的無人機航線，保證所獲取的水文信息精準、可靠、完整。無人機監(jiān)測要設(shè)置專門的數(shù)學(xué)模型，基于模型來采集和分析水文信息，因此要選擇科學(xué)合理的測流模型，為后續(xù)工作開展奠定基礎(chǔ)。具體水文監(jiān)測中，河流的水質(zhì)和地理位置存在顯著差異，要結(jié)合不同地形條件針對性選擇測流模型。需要注意的是，使用無人機系統(tǒng)進行水文監(jiān)測前，收集相關(guān)水文信息資料，計算流速分布函數(shù)，如對數(shù)型和拋物線等，確定最佳的測流位置，提升水文監(jiān)測數(shù)據(jù)信息精準度。

4.2 無人機飛行控制

使用無人機低空遙感技術(shù)進行水文監(jiān)測，要求操作人員依據(jù)實際需要靈活控制無人機飛行，保證無人機飛行平穩(wěn)，這樣才能拍攝高清的地質(zhì)畫面，為后續(xù)的各項工作開展提供支持。如果飛行控制水平較差，導(dǎo)致無人機飛行不穩(wěn)定，拍攝畫面清晰度不高，容易出現(xiàn)誤差，影響到水文監(jiān)測質(zhì)量。因此，加強無人機飛行穩(wěn)定性控制，通過飛行加減速控制，保持無人機平穩(wěn)飛行，將加速和減速差值控制在合理范圍內(nèi)，降低偏差。爬升和下降控制，具體操作中保持無人機平穩(wěn)飛行，避免驟然爬升或下降，在拍攝后將清晰、完整的數(shù)據(jù)信息上傳到地面控制站，為水文處理提供支持。

4.3 地面控制

加強地面控制，是水文監(jiān)測中無人機低空遙感技術(shù)應(yīng)用的一個重要環(huán)節(jié)，由于水文監(jiān)測自動化和智能化水平持續(xù)提升，因此工作效率得到顯著提升，但仍然無法完全脫離地面人為控制。水文監(jiān)測中，重點落實地面指揮和控制工作，獲取精準、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，并實現(xiàn)監(jiān)測過程動態(tài)化控制，實現(xiàn)無人機和攝像機緊密連接，促使各環(huán)節(jié)操作規(guī)范、有序進行。

5 結(jié)論

綜上所述，水文監(jiān)測是一項復(fù)雜、專業(yè)的工作，各環(huán)節(jié)聯(lián)系密切，通過無人機低空遙感技術(shù)的實際應(yīng)用，可以彌補傳統(tǒng)技術(shù)不足，在前沿設(shè)備和技術(shù)支持下，高效采集區(qū)域的數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)的救援決策工作提供可靠信息支持，對于推動水文監(jiān)測工作高質(zhì)量發(fā)展意義深遠。