水利工程測(cè)量中無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)運(yùn)用分析

趙文通

（中國(guó)水利水電第一工程局有限公司，吉林長(zhǎng)春 130000）

0 引言

目前，我國(guó)的水利工程測(cè)量主要采用人工實(shí)地測(cè)量或衛(wèi)星遙感測(cè)量的方式，雖然能夠?yàn)樗こ痰氖┕?、運(yùn)營(yíng)、管理提供一定的數(shù)據(jù)參考，但均存在一定的缺陷[1]。其中，人工測(cè)量雖然成本較低，但測(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)，效率低下，且普遍存在較大的誤差，而衛(wèi)星遙感測(cè)量雖然精度較高，但需要花費(fèi)大量的人力、物力成本，難以在工程中普及。民用無(wú)人機(jī)的發(fā)展，為水利工程的測(cè)量提供了新的途徑，雖然我國(guó)民用無(wú)人機(jī)的研究起步較晚，但近年來(lái)開(kāi)始進(jìn)入了高速發(fā)展階段，在各個(gè)領(lǐng)域均得到了一定的應(yīng)用[2]。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為水利工程測(cè)量的重要手段之一，由于不同的水利工程規(guī)模、位置、測(cè)量精度等方面存在一定的區(qū)別，因此在無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量過(guò)程中需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，合理運(yùn)用各項(xiàng)技術(shù)，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性與及時(shí)性。

1 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在水利工程測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)我國(guó)水利工程的特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要分為以下幾個(gè)方面：第一，測(cè)量操作簡(jiǎn)單。無(wú)人機(jī)具有體積小、重量輕的優(yōu)勢(shì)，在無(wú)人機(jī)上搭載的高清攝像頭，能夠在人為操作下對(duì)不同的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，具有一定的靈活性。同時(shí)，無(wú)人機(jī)在飛行的狀態(tài)下具有垂直升降的功能，無(wú)需為無(wú)人機(jī)安排專用的場(chǎng)地、輔助設(shè)備等，降低了水利工程測(cè)量中的成本[3]。工作人員可以對(duì)無(wú)人機(jī)反饋的航測(cè)圖像進(jìn)行評(píng)估，若發(fā)現(xiàn)圖像效果不佳，還可以操作無(wú)人機(jī)進(jìn)行多個(gè)切面、角度的多次航測(cè)，直到獲得滿意的圖像或數(shù)據(jù)，保證了測(cè)量的有效性。無(wú)人機(jī)具有小巧輕便的優(yōu)勢(shì)，能耗較低，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，目前市場(chǎng)中常用的無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間至少30min，充分滿足了水利工程航測(cè)的需求。第二，適應(yīng)能力強(qiáng)。由于我國(guó)地域廣闊，水利工程可能建設(shè)于環(huán)境或地形較為復(fù)雜的地區(qū)，這對(duì)傳統(tǒng)的人工實(shí)地測(cè)量造成了極大的挑戰(zhàn)，衛(wèi)星遙感測(cè)量又會(huì)消耗過(guò)多的成本，此時(shí)采用無(wú)人機(jī)測(cè)量的方式，則能有效適應(yīng)不同的環(huán)境，根據(jù)地面站系統(tǒng)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠提前設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的航測(cè)路線，提前躲避高大的建筑物、樹(shù)木等，保證水利工程測(cè)量任務(wù)的順利完成。第三，測(cè)量準(zhǔn)確性高、反饋速度快。由于水利工程極為重要，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)與影像資料的準(zhǔn)確性有著較高的要求，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的高清攝像機(jī)，能夠獲取到1:2500～1:1000 的高比例圖像，精確度較高，能夠滿足我國(guó)大部分水利工程建設(shè)與管理的需求[4]。通過(guò)無(wú)人機(jī)還能夠?qū)崿F(xiàn)短距離的航測(cè)，并保證在航測(cè)的過(guò)程中，將獲取到的數(shù)據(jù)、影像資料實(shí)時(shí)反饋至地面站，地面站獲取到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行進(jìn)一步的處理，能夠在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)出分析結(jié)果，技術(shù)人員根據(jù)計(jì)算機(jī)導(dǎo)出的結(jié)果，對(duì)水利工程所在地區(qū)的相關(guān)信息進(jìn)行深入的分析。

2 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在水利工程測(cè)量中的具體應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)像控點(diǎn)

在傳統(tǒng)的水利工程測(cè)量中，一般采用相片像控的方式獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。而通過(guò)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)，則能夠有針對(duì)性地進(jìn)行測(cè)量工作，對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的布置，維持像控點(diǎn)之前的緊密性與關(guān)聯(lián)性，避免發(fā)生重復(fù)測(cè)量等問(wèn)題，節(jié)約水利工程測(cè)量的成本。在使用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)時(shí)，可以在測(cè)量前規(guī)劃好測(cè)量路線，根據(jù)無(wú)人機(jī)型號(hào)的具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括飛行高度、彎曲度、測(cè)量角度等，保證像控點(diǎn)布設(shè)的準(zhǔn)確性，提高測(cè)量的精確度。

在布置無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面：第一，應(yīng)盡量選擇水庫(kù)區(qū)域無(wú)明顯遮擋的位置，若水庫(kù)的規(guī)模較大，在設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)航測(cè)路線時(shí)，應(yīng)選擇“Z 路線”[5]；第二，應(yīng)當(dāng)合理選擇無(wú)人機(jī)的固定點(diǎn)，而變換較為頻繁的區(qū)域，不能作為像控點(diǎn)；第三，無(wú)人機(jī)航測(cè)時(shí)應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)像控點(diǎn)的密度。若工程所在區(qū)域的地形較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)像控點(diǎn)時(shí)應(yīng)在原有基礎(chǔ)上增加20%。同時(shí)，還需要根據(jù)無(wú)人機(jī)攝像機(jī)的分辨率對(duì)像控點(diǎn)密度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，當(dāng)分辨率為1.5cm 時(shí)，像控點(diǎn)之間的距離應(yīng)控制在100m，當(dāng)分辨率為2cm 時(shí)，像控點(diǎn)之間的距離可以增加至200m，從而保證無(wú)人機(jī)航測(cè)能夠發(fā)揮出最大的作用，提高航測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.2 全方位測(cè)量

在無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)中，無(wú)人機(jī)的飛行區(qū)域較廣，能夠有效擴(kuò)大工程的測(cè)量范圍。近年來(lái)，我國(guó)水利工程的數(shù)量明顯增加，而由于區(qū)域、需求的不同，工程規(guī)模差異較大，測(cè)量工作量存在一定的區(qū)別。而無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)能夠滿足不同工程的測(cè)量需求，不僅能夠獲得全面、精確的地形數(shù)據(jù)，還能夠獲得水庫(kù)的效果圖、地質(zhì)特征等，為工程施工設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。例如,在某項(xiàng)水利工程中，通過(guò)對(duì)水庫(kù)作業(yè)數(shù)據(jù)的收集，得出如圖1 所示的圖像，從而制定具備可行性的水利設(shè)計(jì)規(guī)劃[6]。和傳統(tǒng)的使用全站儀等測(cè)量方式相比，無(wú)人機(jī)航測(cè)的范圍更廣，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。另外，無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在全方位測(cè)量方面，通過(guò)在無(wú)人機(jī)上搭設(shè)專用的攝像機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)30 倍的變焦與夜間拍攝功能，不同的連接口均可切換連接，通過(guò)高性能攝像機(jī)的輔助，進(jìn)一步擴(kuò)大了水利工程的測(cè)量范圍，提高了精確性，有效避免了細(xì)節(jié)模糊、測(cè)量不當(dāng)?shù)纫蛩芈裣碌陌踩[患。工作人員還可以對(duì)無(wú)人機(jī)的航測(cè)高度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證水利工程測(cè)量的靈活性、實(shí)踐性。

圖1 水庫(kù)作業(yè)數(shù)據(jù)收集

2.3 根據(jù)數(shù)據(jù)繪制三維圖像

在通過(guò)水利工程測(cè)量得到一定的數(shù)據(jù)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，從而明確工程施工的具體步驟，常用的數(shù)據(jù)包括高程數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、水下測(cè)量數(shù)據(jù)等。其中地形數(shù)據(jù)是工程施工的關(guān)鍵信息，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注水岸區(qū)域的水文條件、地形特征等，明確水庫(kù)壩位、橫斷面等參數(shù)，保證工程完成后水利設(shè)施能夠順利投入運(yùn)行。在無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的輔助下，不僅能夠采集到精確性較高的相關(guān)數(shù)據(jù)，還能夠?qū)Σ杉蟮臄?shù)據(jù)進(jìn)行分類保存，避免發(fā)生重復(fù)測(cè)量、數(shù)據(jù)交叉等問(wèn)題，使數(shù)據(jù)分析人員能夠明確不同數(shù)據(jù)的類型與特點(diǎn)，對(duì)工程施工的可行性做出精確的判斷?？偟膩?lái)看，無(wú)人機(jī)航測(cè)的實(shí)施，有效避免了數(shù)據(jù)冗亂導(dǎo)致的人為失誤，提高了工程的安全性。另外，無(wú)人機(jī)在繪制三維圖像方面也有一定的應(yīng)用價(jià)值，攝像機(jī)、無(wú)人機(jī)等信息載體，能夠保證無(wú)人機(jī)繪制的三維圖像的準(zhǔn)確性，切實(shí)反映水庫(kù)的建設(shè)情況。同時(shí)，無(wú)人機(jī)生成圖像后，還會(huì)生成與之對(duì)應(yīng)的測(cè)繪擴(kuò)展名，避免了因數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤導(dǎo)致的圖像誤差。

2.4 針對(duì)性調(diào)繪

針對(duì)性調(diào)繪指的是根據(jù)全站儀測(cè)量的結(jié)果，對(duì)水利工程以及周?chē)鷧^(qū)域的信息進(jìn)行匯總分析，判斷水利工程完成后是否存在一定的安全隱患，或者是否有影響周邊建筑正常功能的可能。通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)的方式，獲取到準(zhǔn)確度較高的測(cè)繪數(shù)據(jù)，這對(duì)后期的調(diào)繪工作具有重要的指導(dǎo)作用。另外，我國(guó)部分水利工程的測(cè)量數(shù)據(jù)屬于機(jī)密信息，無(wú)人機(jī)在對(duì)高程、地形等信息進(jìn)行測(cè)量時(shí)，能夠進(jìn)行相應(yīng)的加密操作，保證了信息的安全性，有效預(yù)防了信息外泄的發(fā)生，保障了水利工程施工的安全。

3 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在水利工程測(cè)量中的注意事項(xiàng)

無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中可能出現(xiàn)傳感器誤差，因此為了保證航測(cè)數(shù)據(jù)與影像資料的實(shí)時(shí)傳輸，可以在無(wú)人機(jī)上設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸模塊。但由于無(wú)人機(jī)的體積較小、載重有限，為了保障無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，一般僅會(huì)安裝簡(jiǎn)易的傳感器模塊，與常規(guī)設(shè)備相比，傳輸功能明顯下降，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差或影像資料畸變等。此時(shí)可以采取兩種措施進(jìn)行改善，一種是選擇新型的通訊裝置，雖然會(huì)花費(fèi)一定的成本，但能夠保證通訊裝置符合無(wú)人機(jī)小體積的特點(diǎn)，還能進(jìn)一步提高傳輸?shù)木_性。另一種則是在無(wú)人機(jī)中添加內(nèi)置存儲(chǔ)模塊，將收集到的所有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在設(shè)備中，當(dāng)航測(cè)任務(wù)結(jié)束后，再將數(shù)據(jù)從儲(chǔ)存設(shè)備轉(zhuǎn)移至計(jì)算機(jī)，這種方式無(wú)需傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，同時(shí)也保證了測(cè)量數(shù)據(jù)、影像資料的準(zhǔn)確性。

無(wú)人機(jī)在航測(cè)過(guò)程中可能受到多種因素的干擾，例如，風(fēng)力作用可能導(dǎo)致無(wú)人機(jī)出現(xiàn)明顯的晃動(dòng)，致使飛行路線偏離或拍攝角度不佳，難以獲取到最好的影像資料，甚至出現(xiàn)分辨率不達(dá)標(biāo)的情況。此時(shí)也可以采用多種方式：一種方式是選擇晴朗、無(wú)風(fēng)的天氣進(jìn)行航測(cè)，減少外界因素可能造成的影響；另一種方式則是選擇智能導(dǎo)航與人工操作相結(jié)合的模式，在人為輔助下進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行測(cè)繪，保證測(cè)繪數(shù)據(jù)與影像資料的準(zhǔn)確性。此外，還可以在無(wú)人機(jī)上安裝POS 以及GPS 定位，輔助無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)量，從而提高測(cè)繪數(shù)據(jù)的精確性。

4 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在水利工程中的發(fā)展前景

隨著我國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)的成熟，該技術(shù)在航空攝影測(cè)量方面必然會(huì)得到更加廣闊的應(yīng)用，在水利工程測(cè)量、地籍測(cè)繪、災(zāi)后救援等方面均有較高的應(yīng)用價(jià)值，但同時(shí)也對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)的精度、信息反饋時(shí)效性等提出了一定的要求。未來(lái)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向主要有兩方面[7]：一方面是加強(qiáng)無(wú)人機(jī)的智能化程度，目前我國(guó)無(wú)人機(jī)在水利工程測(cè)量中仍存在大量的無(wú)效數(shù)據(jù)，影像資料也普遍存在重疊、模糊等情況，通過(guò)無(wú)人機(jī)智能化程度的提高，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)曝光補(bǔ)償、自動(dòng)調(diào)整拍攝角度等目標(biāo)，從而提高影像資料的準(zhǔn)確性；另一方面是無(wú)人機(jī)以及相關(guān)設(shè)備的微型化，能夠進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，使無(wú)人機(jī)在有限的時(shí)間內(nèi)完成更多的測(cè)繪任務(wù)，滿足大型水利工程測(cè)繪任務(wù)的需求。

此外，隨著我國(guó)大型水利工程需求的擴(kuò)大與變化，對(duì)空間規(guī)劃技術(shù)提出了較高的要求，同時(shí)遠(yuǎn)程控制與通信技術(shù)也是水利工程測(cè)量研究的重點(diǎn)內(nèi)容。隨著無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，在大型水利工程的施工、竣工過(guò)程中，無(wú)人機(jī)能夠?qū)臻g形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、完整的記錄，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與地面激光掃描技術(shù)有著較高的發(fā)展?jié)摿8]。但從我國(guó)的研究趨勢(shì)來(lái)看，大型水利工程動(dòng)態(tài)、靜態(tài)變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)還有待進(jìn)一步的發(fā)展，需要在技術(shù)手段、操作規(guī)程、監(jiān)測(cè)技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面進(jìn)行一定的創(chuàng)新，從而更好地進(jìn)行水利工程測(cè)量數(shù)據(jù)智能分析與數(shù)據(jù)表達(dá)，通過(guò)對(duì)形態(tài)與變形的監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提高水利工程的質(zhì)量，保證工程施工與運(yùn)營(yíng)的安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)水利工程項(xiàng)目所處的環(huán)境大多較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的人為實(shí)地測(cè)量與衛(wèi)星遙感技術(shù)均存在明顯的缺陷，難以在工程中推廣實(shí)施，而無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)則符合水利工程測(cè)量在全面性、準(zhǔn)確性、清晰性方面的需求，對(duì)工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)營(yíng)管理具有重要的意義。因此，應(yīng)當(dāng)重視對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的研究與探索，推動(dòng)無(wú)人機(jī)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用，從而促進(jìn)我國(guó)工程測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。