淺議低空無人機(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，河道測量在水利系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。河道測量是針對河流的開發(fā)整治或者對河床以及兩岸的地形開展測繪工作，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題。低空無人機(jī)影像具有分辨率高、作業(yè)周期短、靈活性大等優(yōu)勢，無人機(jī)航測技術(shù)為逐步實現(xiàn)河道數(shù)字化管理提供基礎(chǔ)資料和技術(shù)支撐。本文針對傳統(tǒng)測量上的不足，將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于河道測量上，使得河道測量工作更加方便、快速進(jìn)行，高效推進(jìn)河道管理工作。

一、無人機(jī)組成

無人機(jī)是無人駕駛飛機(jī)的簡稱UAV（Unmanned Aerial Vehicle），是利用無線電遙控設(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，并在飛行過程中通過不斷調(diào)整飛行姿態(tài)從而完成設(shè)定任務(wù)。

無人機(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。無人機(jī)應(yīng)稱無人機(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)又稱為飛行管理與控制系統(tǒng)，屬于核心部分，對其在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴崟r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)對遙控指令進(jìn)行準(zhǔn)確傳輸，并保證接收、發(fā)送信息的實時性和可靠性，用以實現(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、無人機(jī)在河道管理上的應(yīng)用

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

1. 應(yīng)用無人機(jī)對河道進(jìn)行測量的意義和優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)，低空無人機(jī)遙感在河道測量中對起降場地的要求較低，幾十米的距離即可保證起降的安全性。同時，無人機(jī)在平臺的構(gòu)建和系統(tǒng)的維護(hù)維修上所花費的成本比較少，大大減少了河道測量的成本費用，并由于其效率高能夠帶來很大的經(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題：一方面是存檔數(shù)據(jù)時效性差；另一方面是時間分辨率不高。無人機(jī)航拍很好地解決了這一難題，團(tuán)隊可以隨時出發(fā)，隨時進(jìn)行拍攝，相比有人機(jī)測繪和衛(wèi)星拍攝，可在較短時間內(nèi)完成任務(wù)，并及時提供所需成果，且成本低。其次，無人機(jī)本身的體積比較少，在具體操作過程中相對簡單，工作效率會得到提高。對于受到河道地理位置和各種條件的影響，在測量開展之后容易出現(xiàn)一些高重疊度的影像，無人機(jī)在這類型影像的獲取上對后續(xù)工作的可靠性會有所增強(qiáng)。利用無人機(jī)對河道開展測量，可以短時間內(nèi)完成測量任務(wù)，降低了工作成本。

2. 操作流程

無人機(jī)工作流程如圖2。

利用無人機(jī)開展河道測量工作，首先對測量的場地進(jìn)行選擇，然后開展場地的風(fēng)向風(fēng)速測定和檢查工作，結(jié)合場地情況和實際要素，通過無人機(jī)配套設(shè)備地面站，給無人機(jī)派發(fā)任務(wù)，通過電腦對任務(wù)航道進(jìn)行設(shè)計，最后實施飛行任務(wù)。飛行航拍主要是自動拍攝，在降落之后自動地完成數(shù)據(jù)的匹配、檢測和預(yù)處理，減少后續(xù)處理所耗費的時間，提升測量的工作效率。可在特定區(qū)域，根據(jù)歷史影像和無人機(jī)飛行成果作影像對比，可更形象、直觀看出地物變化情況。

由于無人機(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。對土方工程的測量，先在數(shù)字化測圖軟件中展繪高程點，其次用ENVI 中的監(jiān)督分類法識別區(qū)域，并對區(qū)域進(jìn)行提取，然后利用所測高程建立DEM 高程網(wǎng)后繪制等高線，最后對同一區(qū)域進(jìn)行兩期測量，利用兩次觀測得到的高程數(shù)據(jù)建立模型后疊加，并計算兩期區(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 無人機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 無人機(jī)工作流程圖

3. 應(yīng)用

根據(jù)測量結(jié)果，可繪制正射圖、數(shù)字高程模型、地形圖等。同時對河道的非法排污、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)管理部門能夠及早發(fā)現(xiàn)、及時處理。（1）河道岸線整治，利用無人機(jī)技術(shù)可以進(jìn)行河湖岸線的管理。（2）河道三維建模，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)憑借快速高效、機(jī)動靈活、成本低等優(yōu)勢，正慢慢顛覆傳統(tǒng)測繪的作業(yè)方式，已成為測繪行業(yè)“新寵”，將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)上，實際就是在做一個三維模型，而建立起來的這個模型更加真實、更加直觀、更加符合實際。

三、精度測評

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

DEM 來源于無人機(jī)影像獲取pos高程數(shù)據(jù)，通過對高程點的匹配算法進(jìn)行同名點的高程匹配和校核生成相應(yīng)的點云數(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)過建立相應(yīng)的模型算法進(jìn)行點位的校核后，即是對其他數(shù)據(jù)的考評與參考標(biāo)準(zhǔn)。

為檢查測圖精度，通過星海達(dá)IRTK2 系列進(jìn)行實測40 個野外特征點三維數(shù)據(jù)，其特征點選取為斑馬線、建筑物拐角等明顯地物點。RTK 實測40 個點數(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)用的無人機(jī)精度已達(dá)到傳統(tǒng)測繪儀器的要求，可進(jìn)行常規(guī)工程放樣、地形測圖，為各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了作業(yè)效率。

四、結(jié)語

無人機(jī)的快速機(jī)動性非常突出，并且自身的重量比較小，在物資的消耗上比較低，不會出現(xiàn)人員危險的情況，在一些簡單條件的輔助之下就可以立即開展工作。無人機(jī)在使用過程中可以進(jìn)行低空飛行，在一段平整的路面實現(xiàn)起降之后，就可以比較快速、便利地對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用無人機(jī)拍攝后生成的數(shù)字高程模型和正射影像，完成對一些較隱蔽和不易發(fā)現(xiàn)的死角進(jìn)行測量及對河道的常態(tài)監(jiān)測，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■