史源，魏志斌，白美健，章少輝

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，100048，北京；2.河北省石家莊市冶河灌區(qū)引崗管理處，050200，石家莊）

無人機(jī)遙感技術(shù)在灌區(qū)信息化建設(shè)中的應(yīng)用探討

史源1，魏志斌2，白美健1，章少輝1

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，100048，北京；2.河北省石家莊市冶河灌區(qū)引崗管理處，050200，石家莊）

無人機(jī)遙感技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集靈活、成本低且可快速獲取超高分辨率影像的特點(diǎn)，在我國灌區(qū)信息化建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過介紹無人機(jī)遙感系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，從灌區(qū)信息化應(yīng)用的角度，介紹了無人機(jī)遙感系統(tǒng)在灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)快速分類、遙感ET監(jiān)測、輸配水系統(tǒng)優(yōu)化、攝影測量及水文模型應(yīng)用等方面的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：無人機(jī)；遙感；灌區(qū)信息化；應(yīng)用

2011年中央1號文件提出，全面推進(jìn)水利信息化建設(shè)，以水利信息化帶動水利現(xiàn)代化。在這樣的形勢下，灌區(qū)信息化建設(shè)也必將得到快速發(fā)展。灌區(qū)信息化實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，是灌區(qū)管理所需的灌溉面積、輸配水網(wǎng)絡(luò)、種植結(jié)構(gòu)、水情、農(nóng)情、工情等信息的采集、傳輸、存儲、處理與分析。由于時(shí)間的變遷和當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，灌區(qū)上述信息資料已不能及時(shí)準(zhǔn)確地反映當(dāng)前實(shí)際狀況。掌握真實(shí)、時(shí)效性強(qiáng)的灌區(qū)信息數(shù)據(jù)，是開展灌區(qū)信息化建設(shè)、提升信息化水平、加強(qiáng)水資源管理的基礎(chǔ)需要。

無人機(jī)（UAV，Unmanned Aerial Vehicles）遙感技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集靈活、成本低且可快速獲取超高分辨率影像的特點(diǎn)，是傳統(tǒng)航空攝影測量和衛(wèi)星遙感的重要補(bǔ)充。無人機(jī)技術(shù)在水利信息化應(yīng)用方面已經(jīng)較為成熟，已逐步應(yīng)用在水利工程監(jiān)測、重大水體污染事件監(jiān)測、洪澇災(zāi)害及堰塞湖災(zāi)情應(yīng)急監(jiān)測、江湖和河道信息監(jiān)測、黃河流域冰凌應(yīng)急監(jiān)測等領(lǐng)域。

在灌區(qū)信息化領(lǐng)域引入小型無人機(jī)技術(shù)，既可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測調(diào)查和測量手段實(shí)時(shí)采集難、作業(yè)范圍小等問題，又可以彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感及航空測量工作成本高、時(shí)效性差、精度低、受天氣狀況影響大等問題，實(shí)現(xiàn)對灌區(qū)信息數(shù)據(jù)定量、定性、定位、實(shí)時(shí)、高精度的獲取及分析。

一、無人機(jī)遙感系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)

1.無人機(jī)遙感系統(tǒng)的組成

無人機(jī)遙感平臺由動力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)及地面控制系統(tǒng)組成，各部分的性能和參數(shù)直接影響無人機(jī)遙感系統(tǒng)的作業(yè)范圍和應(yīng)用效果。

動力系統(tǒng)主要指無人機(jī)機(jī)身，提供無人機(jī)起降、空中穩(wěn)定、完成飛行任務(wù)所需要的動力。材質(zhì)根據(jù)機(jī)體大小分為泡沫塑料、塑料合成材料、碳纖維等，動力來源分為電動和油動兩種，動力裝置分為固定翼、單旋翼、多旋翼三種形式。機(jī)身具有一定的載荷能力，便于飛行控制系統(tǒng)和遙感系統(tǒng)的安裝。

飛行控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)空中作業(yè)過程，無人機(jī)的起降過程由作業(yè)人員在地面進(jìn)行遙控，到達(dá)預(yù)定高度后的定點(diǎn)控制通過飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行。控制模塊包括飛行姿態(tài)傳感器、飛控計(jì)算機(jī)、傳感器負(fù)載及穩(wěn)定平臺、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、無線信號收發(fā)裝置等，這部分設(shè)備固化在無人機(jī)動力系統(tǒng)中，能夠自主飛行及實(shí)時(shí)響應(yīng)地面遙控系統(tǒng)的指令，并實(shí)現(xiàn)航路及遙感影像數(shù)據(jù)的自動回傳。

遙感系統(tǒng)包括機(jī)載傳感器，如可見光傳感器（數(shù)碼相機(jī)）、近紅外及熱紅外等多光譜傳感器等，以及機(jī)載傳感器控制系統(tǒng)相關(guān)附屬裝置，主要作用是航攝影像的獲取和存儲。機(jī)載傳感器體積小，能夠進(jìn)行定時(shí)曝光和定點(diǎn)拍攝，數(shù)據(jù)采集完成后可以導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

地面控制系統(tǒng)主要由無線遙控和通信系統(tǒng)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和監(jiān)控軟件等部分構(gòu)成，負(fù)責(zé)無人機(jī)的航線規(guī)劃，通過設(shè)置遙感系統(tǒng)參數(shù)、航向及旁向重疊度、航跡航向等，精細(xì)規(guī)劃飛行任務(wù)，還可以進(jìn)行無人機(jī)飛行的姿態(tài)、航線等狀態(tài)的監(jiān)測和調(diào)控。

2.無人機(jī)遙感系統(tǒng)的特點(diǎn)

相較于衛(wèi)星遙感和有人機(jī)航空攝影測量，無人機(jī)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①飛行高度一般低于1 200m，在大部分地區(qū)可以不申請空域直接作業(yè)，應(yīng)急性好，作業(yè)周期短，作業(yè)時(shí)間極為靈活。

②作業(yè)高度低，可以獲得較高分辨率的影像數(shù)據(jù)（0.05～0.2m）以及大比例尺的灌區(qū)測繪成果（1∶1 000～1∶500）。

③無人機(jī)系統(tǒng)集成性較好，體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)航空攝影飛機(jī)，具有便攜性，2～3人即可完成現(xiàn)場作業(yè)。

④場地要求低，多旋翼無人機(jī)無須特定機(jī)場起飛，固定翼無人機(jī)只需要一塊較平整的空地即可完成起降，如果采用彈射起飛和傘降的方式，對場地基本無要求。

⑤無人機(jī)系統(tǒng)的整體投資較小，目前10萬元以下的無人機(jī)系統(tǒng)基本可以滿足航攝要求，且為一次性投資，此外，無人機(jī)是遙控飛行，危險(xiǎn)性也大大降低。

二、無人機(jī)在灌區(qū)信息化中的應(yīng)用

無人機(jī)遙感技術(shù)的最大優(yōu)勢在于能夠在灌區(qū)尺度提供宏觀的、實(shí)時(shí)的、精確的連續(xù)動態(tài)觀測成果，在灌區(qū)信息化中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)快速分類

灌區(qū)信息管理中，灌區(qū)的基本灌溉面積、種植結(jié)構(gòu)及比例是最重要的信息數(shù)據(jù)。根據(jù)種植結(jié)構(gòu)變化，制定不同種植作物的灌水定額，根據(jù)灌溉面積的變化，預(yù)測灌溉用水需求和趨勢，是實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理的基礎(chǔ)需要。利用無人機(jī)遙感的高分辨率、靈活機(jī)動的特性，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)點(diǎn)線面相結(jié)合的時(shí)空監(jiān)測，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)灌區(qū)人為或自然導(dǎo)致的灌溉面積及種植結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀和變化，可以預(yù)測不良發(fā)展趨勢，提供宏觀的科學(xué)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。田振坤等在北京順義利用低空無人機(jī)遙感平臺，以冬小麥和玉米為研究對象，基于農(nóng)作物波譜特征和NDVI變化閾值，提出了一種農(nóng)作物快速分類提取方法。試驗(yàn)表明，該方法處理時(shí)間短，分類精度高，冬小麥的分類精度達(dá)到96.62%，玉米的分類精度達(dá)到90.14%，圖像分辨率和分類精度較原有衛(wèi)星影像分類方法有較大的提高。

2.灌區(qū)遙感ET監(jiān)測

ET是作物棵間蒸發(fā)（E）和葉面蒸騰（T）的統(tǒng)稱，ET可以代表作物的真實(shí)耗水量，是灌區(qū)水資源管理和作物用水需水評價(jià)的一個(gè)重要參數(shù)，利用ET進(jìn)行用水控制和水資源分配是目前國內(nèi)外進(jìn)行水資源管理的新的有效手段。利用遙感技術(shù)監(jiān)測ET，能夠?qū)⒆魑镎羯⒘吭跁r(shí)空上的差別監(jiān)測出來，目前遙感方法幾乎成為監(jiān)測區(qū)域地表蒸散的唯一有效技術(shù)手段。衛(wèi)星遙感監(jiān)測ET的相關(guān)模型所用的波段主要是可見光（VIS）、近紅外（NIR）和熱紅外（TIR），監(jiān)測衛(wèi)星包括氣象同步衛(wèi)星GMS、極軌氣象衛(wèi)星NOAA系列、陸地資源衛(wèi)星Landsat系列等。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了遙感ET反演方法的研究，開發(fā)出很多較為成熟的模型及應(yīng)用模式。無人機(jī)搭載可見光傳感器自不必說，近年，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降，可用于小型無人機(jī)搭載的近紅外和熱紅外傳感器也趨于成熟及商用化，基于無人機(jī)的遙感ET監(jiān)測，可以突破衛(wèi)星遙感平臺的過境時(shí)間、分辨率、氣候條件等因素的限制，極大地提高相關(guān)模型的監(jiān)測和模擬精度。

3.灌區(qū)輸配水系統(tǒng)優(yōu)化

隨著我國農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)、農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營發(fā)展的需求，灌溉輸配水網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化和信息化已然成為節(jié)水灌溉的主要發(fā)展方向。灌區(qū)的輸配水網(wǎng)絡(luò)包括引水渠系/管網(wǎng)、排水溝/河網(wǎng)、湖泊和塘壩等，他們組成了整個(gè)灌溉系統(tǒng)。既有灌排水網(wǎng)絡(luò)的分布圖是通過測量得出，時(shí)效性和準(zhǔn)確性差，相當(dāng)一部分灌區(qū)甚至停留在示意圖階段。水體在中紅外波段的光譜特征非常明顯，無人機(jī)搭載紅外波段傳感器獲取的高分辨率遙感影像可以輕易地識別灌溉系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，此外，應(yīng)用相關(guān)解譯模型，結(jié)合灌區(qū)地形、水文資料，可以模擬灌區(qū)的水資源量。基于無人機(jī)系統(tǒng)同期采集的灌區(qū)地形地貌數(shù)據(jù)、灌區(qū)面積及種植結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，結(jié)合灌區(qū)灌溉輸配水網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，借助已有的水動力學(xué)模型和智能優(yōu)化模型，能快速自動地開展灌區(qū)輸配水系統(tǒng)和農(nóng)田布置模式的優(yōu)化和管理，極大地節(jié)約人力和物力，提高灌區(qū)的智能管理水平和水資源配置能力，達(dá)到最大限度節(jié)地、節(jié)水和節(jié)能的目的。

4.灌區(qū)攝影測量及水文模型應(yīng)用

基于無人機(jī)遙感的低空攝影測量是目前無人機(jī)應(yīng)用中最為成熟的領(lǐng)域之一。應(yīng)用無人機(jī)遙感平臺，在作業(yè)范圍內(nèi)設(shè)置航線規(guī)劃，以及相關(guān)的航向重疊度、旁向重疊度，進(jìn)行航空數(shù)字?jǐn)z影測量，并對數(shù)字影像進(jìn)行檢校批處理及影像拼接和排序、空中三角測量等處理，結(jié)合相關(guān)的軟件產(chǎn)品和航攝儀器，可以生成灌區(qū)的大比例地形圖及4D數(shù)字影像圖，即DRG（數(shù)字柵格地圖）、DLG（數(shù)字線化圖）、DEM（數(shù)字高程模型）、DOM（數(shù)字正射影像圖）。4D數(shù)字影像產(chǎn)品是開展灌區(qū)尺度下的降雨產(chǎn)匯流分析、灌溉排水模擬以及灌溉水資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)水文模型或水動力學(xué)模型，利用無人機(jī)系統(tǒng)通過攝影測量生成的4D數(shù)字影像產(chǎn)品，為灌區(qū)尺度水文循環(huán)模擬和水資源優(yōu)化配置等問題的解決提供了途徑。

三、結(jié)語

《全國水利信息化規(guī)劃綱要》提出“充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，深入開發(fā)和廣泛利用水利信息資源，包括水利信息的采集、傳輸、存儲、處理和服務(wù)，全面提升水利事業(yè)活動的效率和效能”。無人機(jī)以其自主、靈活、機(jī)動的起降形式和飛行方式，快速及低成本的數(shù)據(jù)獲取能力，在我國水利信息管理中具有巨大的應(yīng)用前景。灌區(qū)信息化建設(shè)應(yīng)以多源水利信息快速獲取、處理和融合技術(shù)為主要內(nèi)容，把無人機(jī)的應(yīng)用納入灌區(qū)信息化建設(shè)體系中，將大大提高灌區(qū)信息采集的準(zhǔn)確性及傳輸?shù)臅r(shí)效性，對其發(fā)展趨勢做出準(zhǔn)確及時(shí)的預(yù)測和預(yù)報(bào)，為灌區(qū)灌溉管理提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。■

［1］馮家莉，劉凱，朱遠(yuǎn)輝，等.無人機(jī)遙感在紅樹林資源調(diào)查中的應(yīng)用［J］.熱帶地理，2015（1）.

［2］聶喆，高廣利，郜海濱.無人機(jī)系統(tǒng)在水利上的應(yīng)用［J］.東北水利水電，2013（12）.［3］賈鵬宇，馮江，于立寶，等.小型無人機(jī)在農(nóng)情監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2015（4）.

責(zé)任編輯楊軼

App lication of UAV remote sensing technology in information construction for irrigation district s

//Shi Yuan，Wei Zhibin，BaiMeijian，Zhang Shaohui

UAV（Unmanned Aerial Vehicle）remote sensing technology，featured as high flexibility for data acquisition and obtaining ultrahigh resolution image in a high speed and low cost，has a wide application in information construction for irrigation districts in China.By introducing composition and features of UAV remote sensing system，prospects of adopting UAV remote sensing system for quick sorting of planting pattern，ETmonitoring，optimization of water transmission and distribution system and operation of photogrammetry and hydrological model in irrigation districts are evaluated from the point of extension of information technology.

UAV；remote sensing；informatization for irrigation district；application

TP393+TV

B

1000-1123（2016）09-0043-02

2016-03-03

史源，工程師，主要從事灌溉水資源信息化應(yīng)用研究。

國家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAD24B02），國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51509269）。