無人機遙感影像在水利監測領域的運用

楊治中

（阜陽市太和縣河道管理中心，安徽 阜陽 236600）

0 引 言

無人機遙感指的是運用無線電控制設備或機載計算機程序控制系統的一種飛行設備，利用遙感傳感器來獲得信息，通過計算機實現圖像信息的處理，按照要求制作為圖像。由于系統構造簡單且成本不高，所以適合各種人力無法達到、人力勘查難度較大、人力成本高或危險性較大的檢測和調查工作。憑借無人機的機動性與經濟性，無人機遙感影像技術已經成為各個監測領域研究的熱點。

1 自然洪澇防汛監測

無人機遙感影像可以更高效地獲取空間數據信息，而且續航時間較長，影像傳輸效率更高，相較于其他檢測手段更具經濟性和靈活性。自然洪澇防汛監測預警工作通常會涉及很多地勢險要或具有洪澇安全隱患的區域，在這類區域，憑借單純的人力手段難以進行有效探測，而無人機遙感則不受地形等環境因素影響，可以在第一時間趕到災害發生地區或監測目標地區，及時遙感探測洪澇險情區域的地形、地貌、水文等信息。基于無人機的攝影攝像功能，動態化傳輸洪澇災區的影像信息，可以幫助抗洪人員及時了解現場信息，在無人機遙感影像技術的支持下為抗洪救災工作提供必要的現場信息支持。如2004年廣西桂平市發生的洪澇災害中，救援人員利用無人機遙感監測技術對洪澇區和退水區等現場信息進行遙感監測并繪制遙感圖，是我國第一次運用自控微型無人機實現洪澇災害的遙感監測。2021年7月份，河南鄭州、開封、周口等地發生特大暴雨，給當地人民的生命、財產帶來嚴重威脅。無人機遙感技術的應用在此次洪澇險情中發揮了關鍵作用。無人機可以憑借較高的機動性，從全局視角掌握災害信息，針對救援人員難以到達的區域，無人機也能更靈活地偵察和反饋現場信息。同時，對于高危的湖泊河流等可以采用自動巡邏、智能化自動巡視等功能拍攝受災現場信息，還可以利用正射影像和歷史衛星影像的對比來判斷災情，對災情進行定量分析等。

2 無人機遙感水質監測

如今，無人機遙感影像技術不斷發展，在內陸水體的水環境監測中也發揮著重要作用。有關學者利用無人機獲得遙感數據，從而分析水污染的類型、分布、擴散趨勢等。中科院上海技術物理研究所研究的無人機SE-1平臺的小型多光譜成像儀在海洋污染、原油泄漏等嚴重水污染監測中發揮著重要作用。2012年，我國第一架自主研發的海洋監測無人直升機利用實時數據傳播和數據分析技術，對廣東近海海域進行執法檢查、環境監測等工作，為水質監測工作開發了全新的路徑，無人機獲得的高時空分辨率圖像可以實現II類水體水質的遙感監測[1]。

3 山區水利工程測繪測量

水利工程測繪測量一般包含平面高程控制測量以及地形測量、放線測量、變形觀測等內容。對于一些平原地區，水準測量與全站儀測量就可以達到理想的測量效果。但山區水利工程卻不能與平原地區一概而論。山區地勢錯綜復雜，傳統的光學儀器測量或衛星遙感等手段都具有一定的局限性，而無人機遙感影像技術的應用則更加靈活也更加節約成本。無人機遙感影像技術對于無人機起落的條件要求并不高，操作人員可以在安全地區進行操作，不僅節省了人力物力投入，而且無人機遙感的低空（1 000 m以下）飛行可以實現云層之下的拍攝，圖像的分辨率相對更高，為山區水利工程測繪測量工作提供了極大的便利，也保證了操作人員的生命安全。當前，我國應用的多種無人機都可以應用于山區水利工程測繪測量中，技術較為成熟的系統包括自檢校和自穩定多軸動態航拍系統，還可以運用有關軟件將多張航拍圖像拼接為一個整體，通過圖像拼接的方式降低成圖誤差，具體方法和原理如圖1所示。

圖1 圖像拼接方法與原理

4 水利規劃

水利規劃計劃的制定應當立足于地方經濟發展、自然地貌的基本條件之上，按照社會經濟發展對于水利工程建設的需求，確定水利發展的目標與方向。目前在我國“十二五”及“十三五”對水利建設提出的新要求以及中央治水興水政策方針的指引與推動下，水利行業的發展也迎來了新的契機，水利規劃計劃部門也始終將這一任務作為中心，應用更多的高新技術來輔助水利規劃。在水利規劃中，很多項目都處于偏僻或經濟欠發達的地區，這些地區的水利規劃工作大多缺乏有效的資料信息作為基礎，高分辨率的遙感影像也很難獲取，現有的資料信息大多太過陳舊，無法滿足后續水利規劃工作的需求。針對地區偏遠和資料獲取難度大等問題，運用無人機遙感影像技術更具效率性和經濟性。利用無人機獲取地形地貌數據信息，并且根據遙感所得信息建立對應的三維數據模型和地形圖等，能夠更精確地反映出當前的地形地貌情況，為后續水利規劃計劃的制定與決策提供可靠的信息支持。

5 水土保持監測

目前我國的水土流失問題十分嚴重，由于我國地理條件與社會經濟條件較為特殊，因此水土流失問題的治理也成為環境保護工作的重點問題。土壤侵蝕的定量調查是水土保持工作研究的關鍵問題之一。在調查實踐過程中，無人機遙感影像技術的運用可以發揮顯著作用，憑借其效率性、動態性、經濟性等優勢，現已成為土壤侵蝕調查的主要路徑方法。土壤侵蝕調查過程較為復雜，而且調查結果往往會受到各種自然條件和人為因素的影響，如自然條件包括氣候、植被覆蓋、地形、土壤條件等，人為因素則包含土地利用、道路修建、礦產開發等。而土壤侵蝕的影響因子也有所差別，例如水蝕通常參照通用的土壤侵蝕方程的因子指標，結合遙感技術和尋常技術結合的手段，能否獲得或能否方便在GIS中存取與計算。通常采用降水、地形、坡度、植被覆蓋率等作為土壤侵蝕量的估算因子指標，按照各時期階段土壤侵蝕強度的分級比對結果，對水保工程的治理結果進行評價，并為后續的水土保持工作規劃提供指導。無人機遙感影像技術的應用能夠在低空及低速等條件下實現監測目標區域的航拍，而且航拍成像照片非常真實可靠，能夠直觀反映出目標區域建設期產生的水土流失現狀與強度、分布位置等信息。之后將這些遙感所獲信息作為中心，利用GIS系統建立水土流失本底數據庫，從而了解土壤侵蝕的類型、侵蝕強度、侵蝕情況的發展等情況，為土壤侵蝕問題的治理提供更可靠的支持。無人機遙感影像技術的應用還能幫助人們掌握水土流失問題的發展趨勢以及特征，便于水土保持工作的規劃與治理，可以利用更低的成本，快速檢測大范圍的水土流失信息以及土壤侵蝕的影響因子，為后續基于GIS技術的水土流失問題分析提供有效基礎[2]。

6 灘涂資源動態監測

隨著社會經濟的不斷發展，如今灘涂的開發利用也展現出了新的格局。灘涂資源是自然條件下形成的一種隨時間推移產生變化的潮濕地帶，包含海灘、河灘、湖灘等概念。例如我國錢塘江河口兩岸、臺州灣、三門灣等淤泥性的灘涂和部分地區的侵蝕性灘涂。灘涂是海陸兩界相互影響的過渡性地帶，也是人們活動頻繁的地區，所以灘涂的變化也會為人們的活動帶來不同程度、不同性質的影響，其中部分因素如海岸侵蝕、淤漲等變化以及人工堤壩圍墾等因素變化都可能造成灘涂縮退或延展。例如，浙江沿海地區的灘涂已經有千余年的歷史，近些年圍墾工程的持續發展導致灘涂的變遷非常劇烈，為人們提供陸地生存發展空間的同時也產生了各種生態破壞問題，比如沿海的濕地面積不斷縮減，個別地區的水文條件也因此受到改變，航道的正常運行遭受波及、漁業資源受到破壞等。根據對灘涂變遷規律的了解，為了實現全國地區的生態環境安全以及經濟的可持續發展，做好灘涂資源的動態監測具有現實意義。而無人機遙感影像技術具有精確性、動態化、直觀性、宏觀性等優勢，可以輕易獲取到地表難以發現和難以識別的信息，這使其在大規模海岸線變化監測中具有非常高的應用價值。在灘涂資源調查與監測工作中，無人機遙感影像技術相較于衛星遙感技術也具有明顯優勢。無人機遙感影像技術可以實現定時定點的動態監測，衛星遙感由于過境時間或過境軌道的原因，若想在低潮位時準確經過并監測區域地理信息仍有一定的條件限制。無人機具有非常高的機動性，僅需飛行條件允許就能獲取灘涂的低潮位遙感影像信息，并與歷史遙感信息結合比對，分析灘涂的淤漲趨勢變化，為后續的圍墾作業提供更精確可靠的信息支持，而且無人機的經濟性可以節約大量的經費和時間成本，提高監測效率[3]。

7 水域動態監測

水資源是人們生活與生產必不可少的資源，但近些年由于人口數量的不斷增長、工業發展所帶來的污染問題等，導致水資源的供需矛盾和污染問題愈發嚴峻。水資源的科學開發、合理利用是經濟新常態下重點強調的問題，甚至關乎人們的生活質量以及經濟的可持續發展。從現實的角度來看，河流水系的分布、河流面積等信息的監測與計算是水資源保護與開發的關鍵條件，以往由于時間變化因素以及技術水平受限，很多河流水系的分布與流域面積等信息無法再準確反映當下的水域情況。水域動態監測工作的主旨在于了解研究目標區域的水域變化信息，通過這些信息的收集與處理，建立更貼近實際的水域統計、水域占比不平衡、水域調查等制度，提高水域資源信息的綜合服務價值，滿足經濟社會可持續發展以及水域資源管理保護的需求。無人機遙感影像技術的合理應用在水域資源監測中同樣可以發揮預期的作用，水域資源調查效率與準確率都相對較高，而且能節約大量的人力與物力資源。對現有的水域資源進行動態化監測，能夠及時更新監測調查結果，對水域資源的利用以及水域權屬界線等進行信息更新，根據既定的技術程序，應用完善的目視解譯及計算機自動識別結合的信息提取技 術，實現水域信息的采集與圖像編輯處理工作，獲得每一塊水域動態監測的類別、面積、分布信息等，建立相互聯系且信息共享的省級、市級、縣級水域動態監測數據庫與信息化管理系統。運用無人機遙感影像技術還能實現河道變化的動態化監測，對非法水域占用問題進行處理，預估和分析河道后續的發展趨勢等，為水域管理提供更全面可靠的信息支持。此外無人機遙感影像技術還可以在航道開發等方面發揮理想作用，具有非常高的社會價值與經濟價值[4-5]。

8 結 語

無人機遙感影像技術是一種先進的現代監測手段，可以在水利監測領域中發揮理想的技術輔助作用。無人機遙感影像技術擁有較高的靈活性與便利性、經濟性等特征，可以在自然洪澇防汛監測、水質監測、山區水利工程測繪測量、水利規劃、水土保持等方面發揮作用。在無人機遙感影像技術的應用過程中，需要根據不同水利監測領域的具體工作要求，合理發揮自身的遙感影像功能，進一步提高水利監測工作的開展效率，加快水利監測的長遠發展，助推現代科學技術的革新與進步。