淺析無人機低空航攝在農田水利工程測繪中的應用

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：無人機低空航攝是利用遙感技術、飛行系統(tǒng)、傳感技術、智能通信技術、數(shù)字相機和導航技術，通過地面與遠程控制，促使無人機按照預定的航線完成影像拍攝任務。這種方式不僅高效，而且成本低，常常被應用于農田水利工程測繪，為其提供精準的地理信息支持。然而，受一些因素的影響，一些農田水利工程項目依然采用傳統(tǒng)的測繪技術，這不僅影響了測繪質量，也不利于農田水利工程項目的開展。基于此，對無人機低空航攝在農田水利工程測繪中的應用進行研究。通過分析無人機低空航攝的優(yōu)勢，結合傳統(tǒng)測繪技術的不足，探討在農田水利工程測繪中如何有效地應用無人機低空航攝。

關鍵詞：無人機低空航攝；農田水利工程；測繪技術

中圖分類號：S27 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）04–0-03

無人機低空航攝技術為地理信息數(shù)據(jù)的采集、處理和應用提供了新的途徑和方式。隨著無人機技術和攝影測量技術的不斷發(fā)展，無人機低空航攝的應用范圍不斷擴大，為各個領域的發(fā)展提供更加精準、高效的地理信息支持[1]。在農田水利工程項目中，將無人機低空航攝應用于地形測繪、水域監(jiān)測、施工監(jiān)測和評估等方面，能夠有效提高測繪效率，降低測繪成本，保證工程質量，進而為農田水利工程建設提供有力支持。因此，對無人機低空航攝技術在農田水利工程項目測繪中的應用進行深入研究。

1 農田水利工程測繪的基本概述

農田水利工程是為了改善農田灌溉、排水條件，提高農業(yè)綜合生產能力而實施的一系列工程措施。農田水利工程建設一直是我國農業(yè)現(xiàn)代化的重要內容，其目標是實現(xiàn)水資源的合理配置和高效利用，增強農田的抗旱、防洪能力，從而保障國家糧食安全。農田水利工程測繪是農業(yè)工程中的一項重要技術，主要涉及農田水利設施的規(guī)劃、設計、施工和運營等各個階段的數(shù)據(jù)收集、處理和應用[2]。其目的是為農田水利工程建設提供精確、可靠的地形和地理信息，以實現(xiàn)水資源的合理開發(fā)、優(yōu)化配置和高效利用。常見的農田水利工程類型包括：以水庫、灌溉渠系、調蓄水池、泵站等為主的灌區(qū)工程，防止洪澇災害的排水工程；以水井、集中供水設施等為主的為農村提供安全可靠水源的飲水工程。常用到的傳統(tǒng)測繪技術如全站儀、GPS，用來全面、細致測量項目的地形地貌，獲取精確數(shù)據(jù)。農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，甚至毫米級，為了達到這個精度要求，需要采取一系列誤差控制策略，如使用高精度設備、優(yōu)化測量流程、加強質量控制等。在測繪過程中，先通過實地測量方式獲取原始數(shù)據(jù)，然后利用專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進行整理、分析和建模，編繪成地形圖，將處理后的地形圖數(shù)據(jù)應用于農田水利工程的規(guī)劃、設計、施工和運營等各階段，為決策提供科學

依據(jù)[3]。

2 無人機低空航攝的基本概述

無人機低空航攝是指利用無人機技術進行低空飛行，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、自駕系統(tǒng)、航攝系統(tǒng)和后期相關處理軟件等，其中飛行平臺通常采用固定翼無人機或旋翼無人機，具有輕便、靈活和高度可定制化的特點；自駕系統(tǒng)負責無人機的導航、控制和飛行管理，確保無人機能夠按照預設的航線飛行和拍攝；航攝系統(tǒng)則包括高分辨率相機、光學鏡頭和圖像傳感器等，用于捕捉地面目標的圖像信息；在后期處理階段，相關軟件會對采集到的遙感影像進行預處理、幾何校正、影像拼接和增強等操作，以得到高質量的數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）。這些數(shù)字產品被廣泛應用于城市規(guī)劃、環(huán)境保護、農業(yè)監(jiān)測、災害評估等領域，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，從而實現(xiàn)快速測繪[4]。相較于傳統(tǒng)測繪的方式，無人機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、降低工作強度，節(jié)省時間和成本。

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

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

在靈活性方面，無人機低空航攝具有靈活性強、適應性強的特點，可以根據(jù)不同的任務需求和場地條件，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、準確的地理信息數(shù)據(jù)。

3 無人機低空航攝在農田水利工程項目測繪中的應用

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

3.1 地形測繪

無人機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)可以用于了解農田的地形地貌，為農田水利工程的規(guī)劃、設計和施工提供基礎數(shù)據(jù)。通過無人機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]。這有助于農田水利工程進行合理規(guī)劃，提高土地利用效率。

3.2 水域監(jiān)測

無人機低空航攝能夠全面調查農田區(qū)域內的水系情況，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)對于農田水利工程的建設和運行具有重要意義。同時，無人機低空航攝還能夠實時監(jiān)測水域的變化情況，通過分析拍攝的影像數(shù)據(jù)，可以及時發(fā)現(xiàn)水域污染、水質變化等問題。這有助于農田水利工程中水資源的保護和治理。

3.3 施工監(jiān)測與評估

在農田水利工程施工過程中，無人機低空航攝可以用于監(jiān)測施工進度、評估施工質量。通過對比施工前后的影像數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)施工中的問題，并及時進行調整，確保工程按計劃進行。

3.4 災害預警與應急響應

無人機低空航攝在農田水利工程中可以用于災害預警和應急響應，通過分析無人機拍攝的影像數(shù)據(jù)，可以及時發(fā)現(xiàn)洪澇、干旱等自然災害對農田的影響，為應急響應提供及時準確的信息支持[8]。當發(fā)生洪澇、干旱等自然災害后，無人機低空航攝還可以對受災農田進行快速評估，獲取災區(qū)的影像數(shù)據(jù)，為災后重建和恢復提供決策依據(jù)。

3.5 灌溉管理

無人機低空航攝可以用于農田水利工程的灌溉管理，通過分析影像數(shù)據(jù)，可以了解農田的需水量和灌溉情況，制定合理的灌溉計劃，提高灌溉效率，節(jié)約水資源[9]。同時，無人機低空航攝還可以高效地完成灌溉渠道的測量任務，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)的設計和施工。

4 無人機低空航攝的作業(yè)流程

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

4.1 像控點布設

在無人機低空航攝應用過程中，像控點布設是首要步驟。像控點是用于控制無人機拍攝地面照片的點，通過這些點，可以確保無人機按照預設的航線進行拍攝，并獲得高質量的地理信息數(shù)據(jù)。在具體的布設過程中，像控點的布設需要考慮測區(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，確定像控點的數(shù)量和位置，目的是控制布設的密度，提高無人機低空航攝的精度[10]。對于較小的測區(qū)，可以采用簡單的幾何圖形（如正方形、矩形等）進行布設；對于較大的測區(qū)，需要考慮地形起伏和變化，采用更加靈活的方式進行布設。如果測繪的區(qū)域比較復雜，在布設過程中可以提高布設的密度，以此來保證測繪數(shù)據(jù)的精準性。

4.2 航線規(guī)劃

航線規(guī)劃是無人機低空航攝中的重要環(huán)節(jié)，通過合理的航線規(guī)劃，確保無人機按照預定的航跡飛行，拍攝出高清晰度的影像，從而提取出精準的地理信息數(shù)據(jù)[11]。根據(jù)任務需求，合理規(guī)劃航線，確保拍攝的影像質量符合要求。通過優(yōu)化航線，減少無人機飛行時間和能耗，提高航攝效率。在具體的規(guī)劃中，需要根據(jù)實際情況，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、科學的飛行航線，確保無人機能夠順利完成航拍任務。在農田水利工程項目測繪中常常會根據(jù)地形地貌特征，將航攝區(qū)域劃分為若干個投影區(qū)，根據(jù)各區(qū)的特點進行航線規(guī)劃，以飛行距離、高度等參數(shù)的最大值為基準，制定最優(yōu)的航線方案[12]。同時，在遇到障礙物時，采取繞行或調整飛行高度的策略來避免碰撞。

4.3 飛行監(jiān)控

無人機低空航攝的飛行監(jiān)控是確保航拍任務順利進行的關鍵環(huán)節(jié)。通過實時監(jiān)測無人機的位置、高度、速度等參數(shù)，可以及時發(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]。在無人機飛行過程中，地面控制站需要對無人機的位置、高度、速度等進行實時監(jiān)控，確保無人機按照預定航線飛行，同時，要密切關注天氣變化和無人機狀態(tài)，做好應急處理準備。無人機上的傳感器設備包括GPS、高度計、速度傳感器等，用于實時監(jiān)測無人機的位置、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)降孛婵刂普荆┎僮魅藛T實時監(jiān)控和調整。在飛行監(jiān)控之前，還需要對所有設備進行細致檢查，檢查內容包括無人機機體、發(fā)動機、螺旋槳、攝像設備、定位系統(tǒng)等，確保無故障隱患、性能良好，并詳細記錄檢查情況，確保設備的正常運行。

4.4 無人機低空航攝數(shù)據(jù)處理

無人機低空航攝數(shù)據(jù)處理是指利用相關軟件對無人機拍攝的圖像和數(shù)據(jù)進行處理，提取有用的地理信息。處理過程包括圖像預處理、特征提取和信息提取等環(huán)節(jié)，在圖像預處理階段，需要對無人機拍攝的原始圖像進行輻射校正、幾何校正和色彩校正等操作，以提高圖像質量，同時，需要對圖像進行增強處理，如濾波、銳化等，以突出地物特征[14]。特征提取是無人機低空航攝數(shù)據(jù)處理的關鍵環(huán)節(jié)之一，通過對圖像中的地物特征進行提取和分類，可以識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）和遙感技術等相關軟件和技術。

在無人機低空航攝數(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，確保數(shù)據(jù)精度滿足要求，避免影響后續(xù)地理信息提取的準確性。在完整性方面，無人機拍攝的圖像和數(shù)據(jù)可能存在缺失或損壞的情況，因此，需要對數(shù)據(jù)進行檢查和修復，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)格式和標注方式，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和應用。在安全性方面，需要遵守相關法律法規(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)域的實際情況，并且具有無人化操作的特點，可以連續(xù)進行測繪工作，能夠大大提高測繪的時效性。在低空航攝過程中，無人機上的遙感裝置可以對獲取的影像和地面信息進行驗證和校正，進一步提高測繪結果的精確度，因此，無人機低空航攝在農田水利工程測繪中具有顯著的應用價值。它不僅能夠為農田水利工程建設提供更為精確、及時的數(shù)據(jù)支持，而且還能大大降低測繪工作的勞動強度，實現(xiàn)對測量目標的無損檢測。例如，無人機低空航攝的飛行監(jiān)控是確保航拍任務順利進行的重要環(huán)節(jié)。通過實時監(jiān)測無人機的飛行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，可以確保獲得高質量的地理信息數(shù)據(jù)，為后續(xù)的地理信息處理和應用提供保障。無人機低空航攝數(shù)據(jù)處理通過采用高精度的算法和技術，確保數(shù)據(jù)的完整性和可讀性，以及遵守相關法律法規(guī)和倫理規(guī)范，可以更好地服務于農業(yè)水利工程項目的測繪。

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