淺析無人機航拍技術(shù)在水電行業(yè)中的應(yīng)用

王 增 竹

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

無人機航拍技術(shù)是最近發(fā)展迅速的一種新技術(shù)，它是利用輕型無人機搭載專業(yè)相機，獲取目標區(qū)域的高清影像的技術(shù)。相比傳統(tǒng)影像獲取方法，無人機航拍技術(shù)具有效率高、成本低、作業(yè)范圍廣、拍攝角度獨特、機動靈活等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到影視廣告制作、信息監(jiān)測和其他需要高清影像的專業(yè)中[1-2]。

水電是清潔能源，具有可再生、無污染、運行費用低等優(yōu)點，是我國大力發(fā)展的一種能源形式。水電站多分布在西部高山峽谷等水能資源蘊藏豐富的地區(qū)，自然條件相對惡劣，傳統(tǒng)攝影方法難以及時有效地獲取數(shù)據(jù)。采用無人機航拍技術(shù)，可以在復(fù)雜的環(huán)境中快速獲取高清影像數(shù)據(jù)，提高效率。通過對影像進行矯正和后續(xù)處理，可以得到高精度的正射影像(DOM)和三維模型，廣泛地應(yīng)用于電站規(guī)劃、建設(shè)和運維等各個階段[3-4]。

1 無人機航拍技術(shù)簡介

無人機(Unmanned Aerial Vehicle)是一種由無線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱的無人駕駛飛行器。它最早出現(xiàn)于20世紀20年代，當時是作為訓(xùn)練用的靶機使用的，軍事上使用較多。隨著計算機技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)和數(shù)碼相機技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，目前，無人機上加載GPS 、數(shù)碼相機等設(shè)備后，應(yīng)用在航空攝影測量、地球物理勘探、災(zāi)情監(jiān)測、土地利用調(diào)查等民用領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要的作用[5]。

無人機航拍技術(shù)，以獲取高分辨率數(shù)字影像為應(yīng)用目標，以自動駕駛飛機為飛行平臺，以高分辨率數(shù)碼像機位傳感器，最終獲取小面積、真彩色、大比例尺、現(xiàn)勢性強的航測遙感數(shù)據(jù)。無人機航拍系統(tǒng)，具有“三高一低”的重要特性，即高機動性、高分辨率、高度集成、低成本。

無人機航拍系統(tǒng)的組成主要包括：飛行器、控制站和通訊鏈路等，如圖1所示。其中飛行器中的飛控系統(tǒng)(飛行管理和控制系統(tǒng))是無人機航拍系統(tǒng)的核心，對無人機的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確度、實時性等都有重要影響，對飛行性能起著決定性的作用。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以保證對遙控指令的準確傳輸，以及無人機接收、發(fā)送信息的實時性和可靠性，以保證信息反饋及時有效，順利、準確地完成任務(wù)[3]。

圖1 無人機航拍系統(tǒng)的組成

無人機按照尺度大小可以分為輕型(7 kg以下)、小型(7～116 kg)和大型(116～5 700 kg)三類。按照任務(wù)高度可分為超低空(0～100 m)、低空(100～1 000 m)、中空(1 000～7 000 m)、高空(7 000～18 000 m)和超高空(大于18 000 m)等。按照無人機產(chǎn)生升力的原理可以分為氣球、飛艇、固定翼無人機、旋翼無人機和撲翼機等類型。現(xiàn)在無人機航拍技術(shù)多采用輕型固定翼或旋翼無人機，在中低空范圍內(nèi)作業(yè)。固定翼和旋翼無人機的比較見表1。

表1 固定翼和旋翼無人機對比[3]

無人機航拍技術(shù)在水電行業(yè)的應(yīng)用，主要包括高清影像和三維模型兩個方面的應(yīng)用，下面將分別闡述。

2 無人機航拍高清影像的應(yīng)用

2.1 全景影像

全景影像技術(shù)(Panoramic Photography Technology)，是指拍攝能夠呈現(xiàn)360°完整場景范圍照片的技術(shù)，通過視角的變換，可以讓人身臨其境，其實現(xiàn)方法主要是使用相機環(huán)360°拍攝的一組或多組照片，進而拼接成一個全景圖像。全景影像技術(shù)具有真實性強，播放設(shè)備硬件要求低，導(dǎo)覽性、交互強等優(yōu)點，越來越受到人們的關(guān)注。它可以應(yīng)用于各種商品的廣告與推銷、遠程教學(xué)、旅游業(yè)、新聞機構(gòu)、娛樂業(yè)、多媒體演示、建筑業(yè)、古建筑藝術(shù)等。

通過無人機航拍系統(tǒng)拍攝的水電站的多組照片，合成水電站的全景圖像，可以直觀地看到水電站工程的全貌，并且能夠根據(jù)不同的需要輸出特定角度的照片，不需要無人機復(fù)飛，大大擴展了無人機航拍技術(shù)的應(yīng)用范圍。最終生成的全景成果通過第三方平臺(如騰訊全景、720云等)展示，平臺中提供自定義熱點功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多個場景的快速切換和訪問。全景成果也可以生成本地FLASH和HTML文件，作為匯報展示的素材。另外，通過與VR技術(shù)相結(jié)合，可以制作沉浸式全景漫游、虛擬街景等產(chǎn)品，借助于VR頭盔等硬件實現(xiàn)更好地展示效果。

圖2 全景影像制作流程和應(yīng)用場景

圖3 以720云為平臺的全景影像展示系統(tǒng)

2.2 無人機航拍監(jiān)測

無人機航拍監(jiān)測主要是利用無人機的影像實時傳輸、高分辨率、機動靈活等優(yōu)點，對目標區(qū)域特別是人無法到達的高危區(qū)域進行監(jiān)測，它能夠及時獲取目標區(qū)域的影像信息，并根據(jù)需要錄制相應(yīng)視頻。無人機航拍監(jiān)測在水電行業(yè)的應(yīng)用主要包括地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、江湖河道監(jiān)測、輸電線路巡檢和環(huán)保水保監(jiān)測等[3-5]。

水電站周邊環(huán)境復(fù)雜，易發(fā)生地震、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。由于交通不便，人工拍攝地質(zhì)災(zāi)害點難度較大且視角有限。采用無人機航拍監(jiān)測，機動快速、成本低，可以多角度拍攝，大大減輕人工拍攝的壓力，為消除隱患和災(zāi)后救援提供第一手可靠資料。2018年10月11日3時，金沙江川藏交界江達縣波羅鄉(xiāng)白格村發(fā)生山體滑坡，導(dǎo)致金沙江斷流并形成堰塞湖。在搶險過程中，無人機航拍及時傳回滑坡現(xiàn)場圖片，為應(yīng)急救援及災(zāi)害防護提供了可靠依據(jù)。

無人機搭載的遙感數(shù)據(jù)采集、接收和處理等軟硬件，可以對湖泊水庫、河流河道的有關(guān)信息進行快速獲取，為水利部門及環(huán)保部門提供方便、快捷、多角度的監(jiān)控信息。聶喆[1]等開展了無人機對黃河河道冰凌航拍工作，具有穩(wěn)定性好、起降靈活、安全性高、實效性強等優(yōu)勢，同時利用無人機遙感影像進行凌汛險情調(diào)查與堤防病害識別，具有人力成本低、時間快、復(fù)查周期短，可以迅速發(fā)現(xiàn)或更新凌汛險情及堤防病害的發(fā)生、發(fā)展和變化情況等優(yōu)點。

超/特高壓輸電線路輸送距離長、塔架高并穿越大量深山大河，自然條件復(fù)雜多變。傳統(tǒng)的輸電線路巡檢采用人工(裸眼目視或攜帶設(shè)備)地面觀察或登桿(塔)排查等傳統(tǒng)手段，不僅受自然條件制約，而且勞動強度大，人身安全存在隱患，巡檢效率低。隨著無人機技術(shù)的日趨完善，以無人飛行器為巡檢載體、地面監(jiān)控設(shè)備為支撐的輸電線路巡檢系統(tǒng)，因具有廣覆蓋、高效率、高可靠、低風險和低成本的優(yōu)勢，正在受到愈來愈廣泛的關(guān)注。楊成順等[6]研究了基于多旋翼無人機的輸電線路智能巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)已在輸電線路巡檢中初步應(yīng)用，結(jié)果表明其能夠高效、自主、準確識別并診斷特高壓輸電線路的典型缺陷與故障。

水土保持監(jiān)測是借助多種手段，采取綜合性的方式，從水土資源的保護、維護資源的可持續(xù)利用以及維持良好生態(tài)環(huán)境出發(fā)，對造成水土流失的成因，水土流失的數(shù)量、影響范圍、強度、造成的危害以及防治的成效等指標進行動態(tài)監(jiān)測和評估。隨著無人機航拍技術(shù)不斷成熟和完善，它在水土保持監(jiān)測方面應(yīng)用的越來越廣泛。梁志鑫等[7]提出運用無人機技術(shù)結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)開展生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測新方法，以提高生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測的效率、精度及自動化程度。其主要工作流程為：先獲取高清影像，然后利用遙感影像處理軟件對影像進行拼接、糾正、調(diào)色等處理；通過野外調(diào)查，建立解譯標志；依據(jù)解譯標志針對影像提取植被覆蓋度及土地利用信息；利用GIS坡度分析功能從DEM數(shù)據(jù)空間分析獲取坡度信息。

3 無人機傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用

3.1 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，通過在無人機飛行平臺上搭載多臺傳感器(如圖4所示，目前常用的是五鏡頭相機)，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正片(一組影像)，鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片(四組影像)[8]。

圖4 傾斜攝影相機和影像獲取示意

傾斜攝影獲取的影像經(jīng)過糾偏和后續(xù)加工處理，通過專用測繪軟件可以生產(chǎn)傾斜攝影模型。相對于正射影像，傾斜影像模型能讓用戶從多個角度觀察地物，更加真實地反映地物的實際情況，極大地彌補了基于正攝影像應(yīng)用的不足。傾斜攝影技術(shù)生成的三維模型和局部細節(jié)見圖5。通過配套軟件的應(yīng)用，可直接基于成果影像進行包括高度、長度、面積、角度、坡度等的量測，擴展了傾斜攝影技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用。此外，相較于三維GIS技術(shù)應(yīng)用龐大的三維數(shù)據(jù)，應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)獲取的影像的數(shù)據(jù)量要小得多，其影像的數(shù)據(jù)格式可采用成熟的技術(shù)快速進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)共享應(yīng)用[9]。

傾斜攝影測量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果，直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證。同時有效提升模型的生產(chǎn)效率，采用人工建模方式一兩年才能完成的一個中小城市建模工作，通過傾斜攝影建模方式只需要3～5個月時間即可完成，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟代價和時間代價。

圖5 傾斜攝影技術(shù)生成的三維模型和局部細節(jié)

3.2 傾斜攝影技術(shù)在水電行業(yè)的應(yīng)用

傾斜攝影技術(shù)在水電行業(yè)的應(yīng)用主要包括兩個方面：一是在高精度的三維模型上實現(xiàn)長度、角度和體積等物理量的測量，得到相關(guān)的工程量；二是基于實景模型，為水電站的運維和管理提供真實可靠的平臺。

通過專業(yè)的GIS軟件(如超圖的SuperMap)，可以基于傾斜攝影三維模型進行多個物理量的測量。如石料場的開挖，通過對模型的前后對比，快速得到開挖量等信息，為工程建設(shè)提供依據(jù)。此外，還可以通過格式轉(zhuǎn)換(見圖6)，將三維模型導(dǎo)入到專業(yè)三維軟件(如CATIA)中，基于模型得到更多的數(shù)據(jù)。王慶棟等[10]研究了利用傾斜攝影和3ds Max技術(shù)之間的對接，將兩種軟件的優(yōu)勢結(jié)合，提供一種實用、快捷高效、半自動的建模方案。

圖6 傾斜攝影三維模型與專業(yè)軟件對接

傾斜攝影技術(shù)生成的三維模型，具有豐富的可視細節(jié)，與現(xiàn)在的地形貼圖模型相比，真實度更高，可以為水電站的規(guī)劃設(shè)計和運維管理提供逼真的平臺。實現(xiàn)對從規(guī)劃到建設(shè)和運維的全過程“一張圖”管理，為智慧電站信息服務(wù)建設(shè)注入全新的活力[11]。另外，由于傾斜攝影三維模型真實度高，可以在突發(fā)自然災(zāi)害(如地震、泥石流、滑坡)時，提供第一時間的現(xiàn)場影像，從而為救災(zāi)提供指導(dǎo)。

依托無人機航拍技術(shù)的不斷進步，傾斜攝影技術(shù)在近兩年發(fā)展迅速，但它也存在著數(shù)據(jù)量大、軟硬件投入高、單體化較困難和細節(jié)需修補等問題，例如，進行空三處理的軟件價格較高，硬件上需要購置計算能力強的服務(wù)器等，這些都在一定程度上限制了其在水電行業(yè)的應(yīng)用。相信隨著技術(shù)的不斷革新，傾斜攝影技術(shù)會為水電行業(yè)的發(fā)展貢獻更大的力量。

4 結(jié) 語

無人機航拍技術(shù)具有機動靈活、成本較低、圖像清晰等優(yōu)點，基于無人機航拍技術(shù)獲得的高清影像和三維模型，在水電行業(yè)中有著越來越廣泛的應(yīng)用。但它的缺點也不容忽視，如飛行受天氣因素影響較大，大風雨雪天氣無法工作，在高海拔地區(qū)續(xù)航衰減嚴重，影像存在畸變需要后期修正等。如何充分發(fā)揮無人機航拍的優(yōu)點，擴展在行業(yè)中的應(yīng)用，是今后水電信息化工作思索和努力的方向。