淺析無人機(jī)低空航攝在農(nóng)田水利工程測繪中的應(yīng)用

收稿日期：2024-02-06

作者簡介：王全民（1988—），男，甘肅天水人，工程師，主要從事水利勘測研究。

摘 要：無人機(jī)低空航攝是利用遙感技術(shù)、飛行系統(tǒng)、傳感技術(shù)、智能通信技術(shù)、數(shù)字相機(jī)和導(dǎo)航技術(shù)，通過地面與遠(yuǎn)程控制，促使無人機(jī)按照預(yù)定的航線完成影像拍攝任務(wù)。這種方式不僅高效，而且成本低，常常被應(yīng)用于農(nóng)田水利工程測繪，為其提供精準(zhǔn)的地理信息支持。然而，受一些因素的影響，一些農(nóng)田水利工程項(xiàng)目依然采用傳統(tǒng)的測繪技術(shù)，這不僅影響了測繪質(zhì)量，也不利于農(nóng)田水利工程項(xiàng)目的開展?；诖?，對(duì)無人機(jī)低空航攝在農(nóng)田水利工程測繪中的應(yīng)用進(jìn)行研究。通過分析無人機(jī)低空航攝的優(yōu)勢，結(jié)合傳統(tǒng)測繪技術(shù)的不足，探討在農(nóng)田水利工程測繪中如何有效地應(yīng)用無人機(jī)低空航攝。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)低空航攝；農(nóng)田水利工程；測繪技術(shù)

中圖分類號(hào)：S27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）04–0-03

無人機(jī)低空航攝技術(shù)為地理信息數(shù)據(jù)的采集、處理和應(yīng)用提供了新的途徑和方式。隨著無人機(jī)技術(shù)和攝影測量技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)低空航攝的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，為各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展提供更加精準(zhǔn)、高效的地理信息支持[1]。在農(nóng)田水利工程項(xiàng)目中，將無人機(jī)低空航攝應(yīng)用于地形測繪、水域監(jiān)測、施工監(jiān)測和評(píng)估等方面，能夠有效提高測繪效率，降低測繪成本，保證工程質(zhì)量，進(jìn)而為農(nóng)田水利工程建設(shè)提供有力支持。因此，對(duì)無人機(jī)低空航攝技術(shù)在農(nóng)田水利工程項(xiàng)目測繪中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

1 農(nóng)田水利工程測繪的基本概述

農(nóng)田水利工程是為了改善農(nóng)田灌溉、排水條件，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力而實(shí)施的一系列工程措施。農(nóng)田水利工程建設(shè)一直是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置和高效利用，增強(qiáng)農(nóng)田的抗旱、防洪能力，從而保障國家糧食安全。農(nóng)田水利工程測繪是農(nóng)業(yè)工程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，主要涉及農(nóng)田水利設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營等各個(gè)階段的數(shù)據(jù)收集、處理和應(yīng)用[2]。其目的是為農(nóng)田水利工程建設(shè)提供精確、可靠的地形和地理信息，以實(shí)現(xiàn)水資源的合理開發(fā)、優(yōu)化配置和高效利用。常見的農(nóng)田水利工程類型包括：以水庫、灌溉渠系、調(diào)蓄水池、泵站等為主的灌區(qū)工程，防止洪澇災(zāi)害的排水工程；以水井、集中供水設(shè)施等為主的為農(nóng)村提供安全可靠水源的飲水工程。常用到的傳統(tǒng)測繪技術(shù)如全站儀、GPS，用來全面、細(xì)致測量項(xiàng)目的地形地貌，獲取精確數(shù)據(jù)。農(nóng)田水利工程測繪的精度要求非常高，通常要求將測量誤差控制在厘米級(jí)，甚至毫米級(jí)，為了達(dá)到這個(gè)精度要求，需要采取一系列誤差控制策略，如使用高精度設(shè)備、優(yōu)化測量流程、加強(qiáng)質(zhì)量控制等。在測繪過程中，先通過實(shí)地測量方式獲取原始數(shù)據(jù)，然后利用專業(yè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和建模，編繪成地形圖，將處理后的地形圖數(shù)據(jù)應(yīng)用于農(nóng)田水利工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營等各階段，為決策提供科學(xué)

依據(jù)[3]。

2 無人機(jī)低空航攝的基本概述

無人機(jī)低空航攝是指利用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行低空飛行，拍攝地面影像并生成地圖、模型等地理信息數(shù)據(jù)的過程。主要涉及飛行平臺(tái)、自駕系統(tǒng)、航攝系統(tǒng)和后期相關(guān)處理軟件等，其中飛行平臺(tái)通常采用固定翼無人機(jī)或旋翼無人機(jī)，具有輕便、靈活和高度可定制化的特點(diǎn)；自駕系統(tǒng)負(fù)責(zé)無人機(jī)的導(dǎo)航、控制和飛行管理，確保無人機(jī)能夠按照預(yù)設(shè)的航線飛行和拍攝；航攝系統(tǒng)則包括高分辨率相機(jī)、光學(xué)鏡頭和圖像傳感器等，用于捕捉地面目標(biāo)的圖像信息；在后期處理階段，相關(guān)軟件會(huì)對(duì)采集到的遙感影像進(jìn)行預(yù)處理、幾何校正、影像拼接和增強(qiáng)等操作，以得到高質(zhì)量的數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）。這些數(shù)字產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、災(zāi)害評(píng)估等領(lǐng)域，不僅高效、成本低、精度高，而且還極具靈活性。

在效率方面，無人機(jī)低空航攝能夠快速收集大量數(shù)據(jù)，并且能夠快速生成數(shù)字表面模型（DSM）與數(shù)字高程模型（DEM）等高度模型，從而實(shí)現(xiàn)快速測繪[4]。相較于傳統(tǒng)測繪的方式，無人機(jī)低空航攝能夠大大提高工作效率，并且能夠減少工作人員的工作量、降低工作強(qiáng)度，節(jié)省時(shí)間和成本。

在成本方面，傳統(tǒng)測繪會(huì)產(chǎn)生人力、物力、時(shí)間等多種成本，而無人機(jī)低空航攝能夠減少人力投入，降低人工成本，不需要進(jìn)行設(shè)備搬遷和安裝，能夠降低物力成本，同時(shí)還可以縮短工作周期，從而大大降低測繪成本。

在精度方面，無人機(jī)低空航攝采用先進(jìn)的攝影測量技術(shù)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的地形圖繪制、模型構(gòu)建和數(shù)據(jù)采集。相較于傳統(tǒng)的測繪方法，無人機(jī)低空航攝可以提高定位精度和測量精度，進(jìn)而提高測繪數(shù)據(jù)的可信度和可用性[5]。

在靈活性方面，無人機(jī)低空航攝具有靈活性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以根據(jù)不同的任務(wù)需求和場地條件，選擇合適的飛行高度、拍攝角度和分辨率等參數(shù)，從而獲得更加全面、準(zhǔn)確的地理信息數(shù)據(jù)。

3 無人機(jī)低空航攝在農(nóng)田水利工程項(xiàng)目測繪中的應(yīng)用

無人機(jī)低空航攝具有高度的機(jī)動(dòng)性，能夠適應(yīng)各類飛行拍攝環(huán)境，有效降低測繪難度，無論是在復(fù)雜的地形地貌下，還是在惡劣的氣候條件下，都能高效、精準(zhǔn)地測繪。

3.1 地形測繪

無人機(jī)低空航攝能夠快速獲取高分辨率的影像數(shù)據(jù)，通過專業(yè)的軟件處理，可以生成高精度的數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像圖（DOM）。這些數(shù)據(jù)可以用于了解農(nóng)田的地形地貌，為農(nóng)田水利工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過無人機(jī)低空航攝獲取的影像數(shù)據(jù)，可以清晰地分辨土地利用的類型，如水田、旱地、林地等[6]。這有助于農(nóng)田水利工程進(jìn)行合理規(guī)劃，提高土地利用效率。

3.2 水域監(jiān)測

無人機(jī)低空航攝能夠全面調(diào)查農(nóng)田區(qū)域內(nèi)的水系情況，包括河流、湖泊、水庫等的分布、規(guī)模和形態(tài)等信息[7]。這些數(shù)據(jù)對(duì)于農(nóng)田水利工程的建設(shè)和運(yùn)行具有重要意義。同時(shí)，無人機(jī)低空航攝還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測水域的變化情況，通過分析拍攝的影像數(shù)據(jù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)水域污染、水質(zhì)變化等問題。這有助于農(nóng)田水利工程中水資源的保護(hù)和治理。

3.3 施工監(jiān)測與評(píng)估

在農(nóng)田水利工程施工過程中，無人機(jī)低空航攝可以用于監(jiān)測施工進(jìn)度、評(píng)估施工質(zhì)量。通過對(duì)比施工前后的影像數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)施工中的問題，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保工程按計(jì)劃進(jìn)行。

3.4 災(zāi)害預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)

無人機(jī)低空航攝在農(nóng)田水利工程中可以用于災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)，通過分析無人機(jī)拍攝的影像數(shù)據(jù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)洪澇、干旱等自然災(zāi)害對(duì)農(nóng)田的影響，為應(yīng)急響應(yīng)提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息支持[8]。當(dāng)發(fā)生洪澇、干旱等自然災(zāi)害后，無人機(jī)低空航攝還可以對(duì)受災(zāi)農(nóng)田進(jìn)行快速評(píng)估，獲取災(zāi)區(qū)的影像數(shù)據(jù)，為災(zāi)后重建和恢復(fù)提供決策依據(jù)。

3.5 灌溉管理

無人機(jī)低空航攝可以用于農(nóng)田水利工程的灌溉管理，通過分析影像數(shù)據(jù)，可以了解農(nóng)田的需水量和灌溉情況，制定合理的灌溉計(jì)劃，提高灌溉效率，節(jié)約水資源[9]。同時(shí)，無人機(jī)低空航攝還可以高效地完成灌溉渠道的測量任務(wù)，獲取渠道的位置、走向、寬度、深度等信息，這些數(shù)據(jù)有助于優(yōu)化灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工。

4 無人機(jī)低空航攝的作業(yè)流程

無人機(jī)低空航攝是指利用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行低空飛行，通過搭載的攝像設(shè)備獲取地面影像，并利用相關(guān)軟件進(jìn)行處理，生成具有地理信息屬性的數(shù)據(jù)。無人機(jī)低空航攝在農(nóng)田水利工程項(xiàng)目測繪應(yīng)用中的作業(yè)流程如下：

4.1 像控點(diǎn)布設(shè)

在無人機(jī)低空航攝應(yīng)用過程中，像控點(diǎn)布設(shè)是首要步驟。像控點(diǎn)是用于控制無人機(jī)拍攝地面照片的點(diǎn)，通過這些點(diǎn)，可以確保無人機(jī)按照預(yù)設(shè)的航線進(jìn)行拍攝，并獲得高質(zhì)量的地理信息數(shù)據(jù)。在具體的布設(shè)過程中，像控點(diǎn)的布設(shè)需要考慮測區(qū)的大小、地形地貌、天氣條件等因素。常用的方式是差分定位測量，根據(jù)測區(qū)面積和精度要求，確定像控點(diǎn)的數(shù)量和位置，目的是控制布設(shè)的密度，提高無人機(jī)低空航攝的精度[10]。對(duì)于較小的測區(qū)，可以采用簡單的幾何圖形（如正方形、矩形等）進(jìn)行布設(shè)；對(duì)于較大的測區(qū)，需要考慮地形起伏和變化，采用更加靈活的方式進(jìn)行布設(shè)。如果測繪的區(qū)域比較復(fù)雜，在布設(shè)過程中可以提高布設(shè)的密度，以此來保證測繪數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

4.2 航線規(guī)劃

航線規(guī)劃是無人機(jī)低空航攝中的重要環(huán)節(jié)，通過合理的航線規(guī)劃，確保無人機(jī)按照預(yù)定的航跡飛行，拍攝出高清晰度的影像，從而提取出精準(zhǔn)的地理信息數(shù)據(jù)[11]。根據(jù)任務(wù)需求，合理規(guī)劃航線，確保拍攝的影像質(zhì)量符合要求。通過優(yōu)化航線，減少無人機(jī)飛行時(shí)間和能耗，提高航攝效率。在具體的規(guī)劃中，需要根據(jù)實(shí)際情況，充分考慮各種因素，如地形起伏、建筑物分布、天氣變化等，制定安全、高效、科學(xué)的飛行航線，確保無人機(jī)能夠順利完成航拍任務(wù)。在農(nóng)田水利工程項(xiàng)目測繪中常常會(huì)根據(jù)地形地貌特征，將航攝區(qū)域劃分為若干個(gè)投影區(qū)，根據(jù)各區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行航線規(guī)劃，以飛行距離、高度等參數(shù)的最大值為基準(zhǔn)，制定最優(yōu)的航線方案[12]。同時(shí)，在遇到障礙物時(shí)，采取繞行或調(diào)整飛行高度的策略來避免碰撞。

4.3 飛行監(jiān)控

無人機(jī)低空航攝的飛行監(jiān)控是確保航拍任務(wù)順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)的位置、高度、速度等參數(shù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決航拍過程中的問題，避免意外情況的發(fā)生[13]。在無人機(jī)飛行過程中，地面控制站需要對(duì)無人機(jī)的位置、高度、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保無人機(jī)按照預(yù)定航線飛行，同時(shí)，要密切關(guān)注天氣變化和無人機(jī)狀態(tài)，做好應(yīng)急處理準(zhǔn)備。無人機(jī)上的傳感器設(shè)備包括GPS、高度計(jì)、速度傳感器等，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)的位置、高度、速度等參數(shù)，這些數(shù)據(jù)通過無線通信鏈路傳輸?shù)降孛婵刂普?，供操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整。在飛行監(jiān)控之前，還需要對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行細(xì)致檢查，檢查內(nèi)容包括無人機(jī)機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳、攝像設(shè)備、定位系統(tǒng)等，確保無故障隱患、性能良好，并詳細(xì)記錄檢查情況，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

4.4 無人機(jī)低空航攝數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)低空航攝數(shù)據(jù)處理是指利用相關(guān)軟件對(duì)無人機(jī)拍攝的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取有用的地理信息。處理過程包括圖像預(yù)處理、特征提取和信息提取等環(huán)節(jié)，在圖像預(yù)處理階段，需要對(duì)無人機(jī)拍攝的原始圖像進(jìn)行輻射校正、幾何校正和色彩校正等操作，以提高圖像質(zhì)量，同時(shí)，需要對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，如濾波、銳化等，以突出地物特征[14]。特征提取是無人機(jī)低空航攝數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，通過對(duì)圖像中的地物特征進(jìn)行提取和分類，可以識(shí)別出不同的地物類型。常用的特征提取方法包括基于邊緣、基于紋理、基于形狀等[15]。信息提取是基于特征提取的結(jié)果，提取地理信息數(shù)據(jù)，如地形高度、地表覆蓋類型等，這一過程需要借助地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感技術(shù)等相關(guān)軟件和技術(shù)。

在無人機(jī)低空航攝數(shù)據(jù)處理過程中，需要注意數(shù)據(jù)的精度、完整性、可讀性、安全性。在精度方面，需要采用高精度的算法和技術(shù)，確保數(shù)據(jù)精度滿足要求，避免影響后續(xù)地理信息提取的準(zhǔn)確性。在完整性方面，無人機(jī)拍攝的圖像和數(shù)據(jù)可能存在缺失或損壞的情況，因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和修復(fù)，確保數(shù)據(jù)的完整性。在可讀性方面，需要采用易于理解的數(shù)據(jù)格式和標(biāo)注方式，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用。在安全性方面，需要遵守相關(guān)法律法規(guī)和倫理規(guī)范，確保數(shù)據(jù)的安全性和保密性。

5 結(jié)束語

低空航攝所得影像具有立體化和數(shù)字化的特征，可以更直觀地呈現(xiàn)測量區(qū)域的實(shí)際情況，并且具有無人化操作的特點(diǎn)，可以連續(xù)進(jìn)行測繪工作，能夠大大提高測繪的時(shí)效性。在低空航攝過程中，無人機(jī)上的遙感裝置可以對(duì)獲取的影像和地面信息進(jìn)行驗(yàn)證和校正，進(jìn)一步提高測繪結(jié)果的精確度，因此，無人機(jī)低空航攝在農(nóng)田水利工程測繪中具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。它不僅能夠?yàn)檗r(nóng)田水利工程建設(shè)提供更為精確、及時(shí)的數(shù)據(jù)支持，而且還能大大降低測繪工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)測量目標(biāo)的無損檢測。例如，無人機(jī)低空航攝的飛行監(jiān)控是確保航拍任務(wù)順利進(jìn)行的重要環(huán)節(jié)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)的飛行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，可以確保獲得高質(zhì)量的地理信息數(shù)據(jù)，為后續(xù)的地理信息處理和應(yīng)用提供保障。無人機(jī)低空航攝數(shù)據(jù)處理通過采用高精度的算法和技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的完整性和可讀性，以及遵守相關(guān)法律法規(guī)和倫理規(guī)范，可以更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)水利工程項(xiàng)目的測繪。

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