無人機傾斜攝影測量技術在水利工程中的應用

摘 要：無人機傾斜攝影測量技術已成為水利工程中一種重要的測繪手段，該技術通過無人機進行高精度的三維建模和地形測量，不僅可以提高水利工程設計的精度和效率，還可以減少對工程現場的干擾。

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；測量技術；水利工程

中圖分類號：TV221" " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2023）09-0086-03

0 引言

在2013年，我國水利部就開展了“水利工程無人機遙感技術及應用示范項目”，推進了無人機技術在水利工程中的探索和應用。隨著技術不斷成熟，無人機傾斜攝影測量技術已經逐漸取代傳統測繪手段，成為水利工程設計的重要工具。深入的政策指導也進一步促進了無人機傾斜攝影測量技術在水利工程中的應用和發展。

1 無人機傾斜攝影測量組成分析

1.1 無人機飛行平臺

無人機飛行平臺是指支撐無人機整體運行和執行任務的基礎設施，其由電池、電機、傳感器、通信模塊、自主導航系統等多個組件和系統構成。不同種類的無人機飛行平臺具有各自的特點和優勢。例如，固定翼無人機平臺通常采用推進器進行飛行，具有長時間續航和較快的飛行速度，可用于大范圍區域的測繪、搜救和監視等任務；多旋翼無人機平臺則具有垂直起降和懸停等特點，適用于緊湊空間和室內環境的任務。無人機飛行平臺的質量、結構和材料也會對其性能和應用產生重要影響。

1.2 傾斜相機

傾斜相機由攝像機模塊、傾斜控制單元和存儲單元3部分構成，其核心部件為攝像機模塊，其包括多個高分辨率的CMOS或CCD傳感器、高精度鏡頭以及高精度機械結構。這些傳感器和機械機構可以實現向側面傾斜拍攝，從而獲取地面目標的三維信息。該設備的傾斜角度范圍通常在10～30°，這一角度范圍能獲取到高精度影像數據。

傾斜控制單元是傾斜相機的關鍵控制部件，主要負責控制傾斜相機的傾斜角度和方向，以確保拍攝到的影像數據與地面坐標系一致。存儲單元負責存儲拍攝的影像數據和相關的航拍信息，以便進行后續的數據處理和分析[1]。

目前，傾斜相機已廣泛應用于城市規劃、道路監測、地質災害評估、建筑物測量等領域。在城市規劃領域，傾斜相機可以獲取高精度的建筑物立面圖像，為城市空間布局和規劃設計提供重要支持。在道路監測領域，可快速獲取道路的三維信息和縱斷面數據，有助于進行道路運行狀況評估和交通管理。在地質災害評估領域，能獲取地質構造的三維信息，有助于進行地質災害風險評估和防治措施的制定。在建筑物測量領域，傾斜相機還可獲取高精度的建筑物立面圖像，為建筑物的設計、施工和維護提供重要支持。

1.3 飛行控制系統

無人機作為一種重要的飛行平臺，其飛行控制系統是無人機的核心組成部分。該系統主要包括飛控電板、慣性導航系統、氣壓與空速傳感器以及GPS接收機等部分。其中，飛控電板是飛行控制系統的關鍵部分，可以對飛機的飛行姿態、航線等參數進行精確控制。慣性導航系統則通過使用加速度計和陀螺儀等裝置，實時測量和計算飛行器的速度、加速度和方向等信息，從而提供飛機的導航信息。氣壓與空速傳感器則可以準確感知大氣壓力和飛行速度，為拍攝曝光瞬間的相片位置信息與姿態參數提供支持[2]。

1.4 地面控制站

地面控制站是無人機系統中的重要組成部分，主要由控制臺、顯示屏、無線通信設備和計算機等多個部件組成。控制臺作為地面控制站的核心部件，承擔無人機起飛、降落、航線規劃和執行等任務。在航線規劃方面，操作人員需要根據無人機任務的特定需求，結合環境因素和飛行特性等參數，制定合適的航線方案，確保無人機能夠高效完成任務。顯示屏能實時顯示航拍數據、地圖和航線等信息，以協助操作人員更好地監控無人機飛行情況。

無線通信設備是實現無人機與地面控制站之間實時數據傳輸的重要設備。利用無線通信設備，無人機可以實時將數據和圖像傳輸至地面控制站，從而使得操作人員可以更好地監控無人機的飛行情況，并根據實時數據調整航線或執行任務。計算機則承擔著數據處理、影像處理和圖像生成等任務。在數據處理方面，地面控制站通過計算機進行數據的校正、融合和處理，以保證航拍數據的精度和可用性。在影像處理方面，計算機負責對航拍影像進行色彩校正、圖像增強和噪聲消除等處理，以獲得高質量的影像數據。

2 無人機傾斜攝影測量技術在水利工程中的優勢

2.1 高精度

該技術采用高精度的GPS、慣性測量單元和相機，能夠快速、準確地獲得地面數據。通過傾斜攝影技術，相機可以在一次拍攝中獲取地面和立面影像，從而獲得更加全面的信息。無人機在飛行過程中可以實時調整拍攝高度、角度和方向，進一步提高數據的精度。

與傳統的水利工程測量方法相比，無人機傾斜攝影測量技術具有更高的精度和準確性，能夠滿足高精度測量的需求。在水利工程中，在水庫水位監測、水電站大壩變形監測等方面，高精度的數據對工程的安全性和可靠性有著至關重要的作用。

2.2 高效性

無人機可以通過傾斜攝影技術獲取大量的高清圖像，對施工現場進行全方位、高精度的覆蓋，還能在不影響現場施工的前提下，迅速完成對大范圍區域的測量和監測。無人機傾斜攝影測量技術能夠實現對施工現場的實時監控和數據處理，快速獲取施工過程中的關鍵信息，提高管理效率。在水利工程中，借助無人機傾斜攝影測量技術可以大大提高施工和管理效率，對工程進度、質量和安全等方面進行控制，并為后續的設計和施工提供準確的基礎數據，給水利工程提供全生命周期的支持。

2.3 安全性

水利工程建設存在較大的安全風險，尤其是在高空、險峻、復雜地形的環境下，施工人員的人身安全更是面臨著巨大的挑戰。無人機可以在不接近現場的情況下獲取高精度圖像，從而減少人員接觸現場的需求，避免了高空、陡坡等危險環境下的人員活動。為施工人員提供詳細的工程地形信息，有利于在施工前制定科學合理的施工方案，避免了因施工方案不合理帶來的安全隱患。此外，它還能實現對施工現場的實時監控和數據處理，可以快速獲取施工過程中的關鍵信息，及時發現施工中的風險隱患，避免風險的進一步擴大。

3 無人機傾斜攝影測量技術的具體運用內容

3.1 水利工程施工

該技術可以利用無人機快速、高精度地獲取建筑現場的三維模型數據和高分辨率影像，為建筑管理者提供全面、立體的視角和詳細的信息支持。利用傾斜攝影測量技術，可以實時監測和分析建筑現場的地形變化、施工進度和施工質量等參數，并及時發現和解決問題。

傾斜攝影測量技術通過數據處理和分析，實現對建筑現場上的材料和設備的管理和跟蹤，包括識別、數量統計和質量監測等。這有助于提高建筑工程施工過程的效率和安全性，幫助管理者更好地掌握建筑現場的運行情況，優化施工流程，降低成本。

3.2 水庫巡查

傳統水庫巡查存在很多問題，如工作量大、周期長、精度低等，而無人機傾斜攝影測量技術可以有效地解決這些問題。該技術通過使用無人機進行空中攝影，可以實現對水庫周邊環境以及水庫內部的高精度監測，實時獲取水庫水位、壩體變形、附近地質地貌等信息。通過對獲取的數據進行深度處理，生成高精度的三維地圖、數字高程模型等產品，為水庫巡查及監測提供全面的數據支持。利用這些數據，水庫管理部門可以實現對水庫的全面巡查和監測，提高監測精度和反應速度，進一步提高水庫管理的水平和效率。

3.3 水壩檢測

利用無人機傾斜攝影測量技術進行水壩檢測的具體操作包括以下5個步驟：①確定檢測區域，包括水壩本身以及水壩下游區域。②選擇合適的傾斜攝影儀器并安裝在無人機上，同時進行航線規劃，確保覆蓋整個區域并盡可能減少重復拍攝。③無人機按照預定的航線進行飛行，并進行傾斜攝影。期間確保無人機與障礙物的安全距離，飛行過程中進行姿態調整。④進行點云處理、影像處理和三維建模等，以生成高分辨率、高精度的三維地形數據和水壩表面圖像。通過分析這些數據，進行水壩表面變形分析、水位監測等，并得出水壩結構的安全性評估、潰壩風險評估等數據。⑤根據分析結果編寫報告，并輸出詳細說明內容，包括檢測過程中出現的問題和應對措施等內容。

3.4 測量水庫淹沒區面積

通過無人機的傾斜攝影技術，可以獲取高分辨率、高精度的航空影像數據，對水庫淹沒區進行全面的覆蓋，實現對淹沒區域的快速、準確的面積測量。在測量過程中，需要先在水庫淹沒區域內選擇適宜的攝影高度和傾斜角度，以確保獲取的影像數據具有足夠的重疊度和分辨率。然后通過傾斜攝影測量軟件對影像數據進行預處理，處理后生成數字高程模型和三維模型。利用數字高程模型和三維模型進行水庫淹沒區域的面積計算，可以得到水庫淹沒區域的面積、周長和體積等參數。

相比于傳統的測量方法，無人機傾斜攝影測量技術具有成本低、效率高、精度高、數據量大等優點。無人機傾斜攝影測量技術還可以在不同天氣和環境條件下進行測量，且可以避免傳統測量方法中常常會出現的人為誤差和測量偏差。

3.5 水災預警

結合數字高程模型和遙感技術，可以實現對水體漫灘區域和河道的高效監測和分析，實時監測水位、水流、降雨量等信息，并通過數據分析和處理，快速識別出可能出現水患的區域，實現水災預警。無人機傾斜攝影技術還可以在水災發生后，通過快速勘察，獲取高精度的水災損失評估和災情分析數據，為搶險救災提供精細化的支持。例如，利用無人機傾斜攝影技術進行河道水位監測，可以在水位超過警戒線時，及時通知相關人員進行疏散和預防措施。通過比對歷史數據，可以發現河道淤積、河道變窄等問題，及時提出改善方案。

4 無人機傾斜攝影測量技術在水利工程中的應用技術

4.1 傾斜攝影測量數據的快速采集與處理

采用該技術可以快速采集大量高分辨率的影像數據，從而實現對水庫、水壩、河道和水文測量等領域的高效監測和管理。為了保證數據的準確性和完整性，測繪人員可以在無人機上部安裝多個攝像機，并按照預定的航線和方向實施影像采集。例如，在水利工程測繪中，利用無人機傾斜攝影測量技術可以拍攝數千張照片，測量總區域的面積可以達到數平方公里，影像重疊度可以高達80%以上，地表分辨率可以達到每像素2 cm。

為了提高數據處理的準確性，測繪人員還可以使用GPS-RTK設備進行空中三角網平差處理，從而提供更加精確的數據支持。在數據處理方面，現代化的軟件如Pix4D mapper和Agisoft Metashape可以實現自動點云配準、數字表面模型構建、三維模型生成等多種功能，從而使數據處理效率得到進一步提高。

4.2 無人機航行規劃和航線設計

針對水利工程的特殊要求，測繪人員需要在航線設計中，考慮到水利工程地形特點、目標區域面積和復雜度、采集數據分辨率和重疊度等因素，以達到最優的采集效果。在進行無人機航線設計時，可以使用專業軟件進行規劃，確定航線長度和寬度、高度、速度、圖像重疊度等參數。根據水利工程的不同特點，可以選擇不同的航行模式，如全景模式、圓周模式、網格模式等，實現全方位、多角度的圖像采集。在設計航線時，應注意避開障礙物和危險區域，保證無人機的安全。

除了航線設計，無人機飛行中的動態調整也十分重要。測繪人員應時刻關注無人機的狀態和攝像機的拍攝情況，及時調整航線和高度，保證采集到的數據質量和完整性。在航行中，要注意無人機與其他航空器的交通規則和空域管理，確保飛行的安全。

4.3 獲取水庫蓄水曲線

水庫蓄水曲線是指水庫在不同時期的蓄水量與水位之間的關系，對于水庫管理具有重要的意義。借助無人機傾斜攝影測量技術，可以實現對水庫蓄水曲線的高效獲取。

首先，無人機可以通過傾斜攝影技術獲取水庫不同水位下的高清圖像，從而實現對水庫在不同水位下的三維建模。其次，通過對不同水位下三維模型的比對，可以快速準確地計算出水庫在不同水位下的蓄水量。最后，通過將水庫中的蓄水量與水位之間的關系繪制成蓄水曲線，可以為日常水利工程管理提供準確可靠的數據支持。

4.4 水利工程的圖像處理和建模

通過傾斜攝影技術，可以獲取大量高清圖像，將這些圖像進行處理和拼接，可生成高精度的三維模型。通過三維建模技術，可以利用水利工程的地形、建筑、設備等信息進行精確建模，為施工管理提供可視化的工具和支持。無人機傾斜攝影測量技術還可以實現對施工現場的實時監控和數據處理，為施工管理提供更多的數據支持。水利工程的圖像處理和建模在施工前期的設計和規劃中具有重要作用，通過對施工現場的高精度數據獲取和建模，可以為施工前期的設計和規劃提供準確的數據支持。

4.5 河流水位測量與水文建模技術

傾斜攝影可以捕捉大量的地面信息，利用計算機視覺算法可生成三維重建和數字高程模型（DEM）。傾斜攝影可以對地表進行快速而準確的水體提取，以便進行水體表面積、體積等計算。這些數據可以用于水文建模、預測河流水位和水文，并為水文學研究提供基礎數據。

5 結束語

無人機傾斜攝影測量技術在我國水利工程中的應用前景十分廣闊。隨著技術的不斷成熟和推廣應用，該技術將會在水利工程的設計、施工和維護中扮演更加重要的角色。隨著政策的推動和市場提出新需求，無人機傾斜攝影測量技術也會不斷創新和發展，為水利工程的建設和運營提供更加智能化、精準化、高效化的支持。

參考文獻

[1] 萬會明.傾斜攝影測量技術在水利工程測繪中的應用[J].江西水利科技，2022，48（2）：121-125.

[2] 張藝凡.無人機傾斜攝影測量技術在電力工程中的應用[J].四川水泥，2022（3）：69-71.