朱 菲

（遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003）

無人機技術(shù)在觀音閣水庫的應用研究

朱 菲

（遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003）

隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，其在水利行業(yè)的應用受到廣泛的關(guān)注。為提升水利信息化水平，運用無人機技術(shù)作為空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，是對衛(wèi)星、有人飛機遙感等傳統(tǒng)遙感技術(shù)的有力補充。以無人機技術(shù)為核心，以其在觀音閣水庫的測繪應用為實例，介紹無人機地面站的操作流程，以及圖像數(shù)據(jù)處理軟件Pix4Dmapper 的使用方法，論證無人機具有適用地形廣泛，影像傳輸實時性強，運行成本低，操縱快速高效等優(yōu)點；最后剖析無人機技術(shù)在山洪災害、水資源、水利工程測量規(guī)劃等方面的應用方向，并指出其在水利行業(yè)發(fā)展亟需解決的問題。

無人機；水利；遙感；信息化

0 引言

無人駕駛飛行器簡稱為無人機（UAV），是采用無線電遙控設備或自備的程序控制裝置實現(xiàn)操縱的不載人飛機[1]。由無人機機體，飛行控制、數(shù)據(jù)鏈、發(fā)射回收、載荷等子系統(tǒng)，以及電源系統(tǒng)等構(gòu)成無人機系統(tǒng)（UVS）[2]。根據(jù)作業(yè)任務要求的差異，無人機搭載的載荷系統(tǒng)也不盡相同。當?shù)涂诊w行時，可搭載正射云臺和可見光相機對地面垂直拍攝，得到具有一定重疊度的圖像和 POS 數(shù)據(jù)，再經(jīng)過無人機圖像處理，得到作業(yè)區(qū)的正射影像（DOM）、數(shù)字表面（DSM）等模型成果。無人機作為一項新興的遙感監(jiān)測平臺，具有實時性好，效率高，風險小，成本低的優(yōu)點，越來越受到測繪人員的青睞。

觀音閣水庫位于遼寧省本溪市滿族自治縣境內(nèi)太子河上游，是一座以防洪、供水為主，兼有灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大（I）型水利樞紐工程[3]。2017 年 5 月，首次采用多旋翼無人機大范圍、全覆蓋地對觀音閣水庫進行航測作業(yè)，得到水庫影像信息一手資料，為科學測繪、合理施工、防洪減災提供有效的技術(shù)支持。

1 地面站調(diào)試

地面站是無人機系統(tǒng)的指揮和控制中心，主要實現(xiàn)飛行控制、數(shù)據(jù)鏈管理及機載任務設備控制功能[4]，同時可以監(jiān)控無人機系統(tǒng)運行狀況，包括飛行狀態(tài)、任務載荷、動力系統(tǒng)參數(shù)等。在組裝飛機完成后，將地面站主控和 GPS 差分天線與計算機相連接，分別打開主控和飛機遙控器的電源，選擇正確的遙控模型后，使飛機接通電源。按以下步驟調(diào)試：1）通過對自駕儀安裝、發(fā)動機測試、自駕儀、地面站等 4 個模塊參數(shù)的設置與調(diào)試，使無人機達到正常的工作狀態(tài)；2）在主界面加載地圖，目的是在規(guī)劃無人機的航線時，可以根據(jù)地圖的地物、地貌確定飛機飛行時的相對方位，使操作員能為執(zhí)行任務選擇有利的地形和起降點位置；3）實現(xiàn)飛行任務規(guī)劃與執(zhí)行，包括航線規(guī)劃和航拍參數(shù)設置 2 部分內(nèi)容。

1.1 航線規(guī)劃

航線規(guī)劃要依據(jù)任務和地形環(huán)境的情況、無人機飛行性能、天氣條件等因素，設置航線規(guī)劃參數(shù)，計算得到生存能力最強，任務完成最佳，綜合指標最優(yōu)的航線[5]，主要有自由航線規(guī)劃和航攝飛行計劃 2 種方式。

自由航線規(guī)劃是在地圖上自由規(guī)劃航點，從而形成一個閉合飛行線路，并且，可以對每個航點進行編輯，包括位置、高度、機頭和航線夾角、任務動作等信息，也可以對整個航線進行編輯、刪除、查看和保存。無人機起飛后，將進入輸入的起始航點，按照指定的航線執(zhí)行任務。目前，自由航線規(guī)劃主要用于航拍攝像或者航測線狀目標。

航攝飛行計劃是拍攝正射影像最常用的航線規(guī)劃方法，也稱為掃描航線規(guī)劃。掃描航線規(guī)劃的目的是通過對無人機及機載相機的設置，對航線規(guī)劃區(qū)域拍攝一系列具有一定航向和旁向重疊度的照片，主要用于航測面狀目標。本次觀音閣水庫大壩正射影像作業(yè)使用的是航攝飛行計劃，實現(xiàn)無人機按照既定軌跡飛行獲取水庫航拍圖的目的。

1.2 航拍參數(shù)設置

航拍參數(shù)設置分為飛行、成像和載荷等 3 部分參數(shù)內(nèi)容，具體分類如圖 1 所示。飛行參數(shù)中飛行高度指飛行器相對于平均平面的高度；飛行速度是指設定的突防和巡航的速度；飛行方向一般采用正東西或者正南北的順序或者逆序向；航線長度指任務飛行方向作業(yè)區(qū)域長度；航線數(shù)量是指區(qū)域航攝線的實際條數(shù)。

圖 1 航拍參數(shù)分類

成像參數(shù)需要在重疊度設置模塊輸入成圖比例尺、航向和旁向重疊度，當成圖比例尺設定后，地面分辨率將自動生成。在水利行業(yè)中，根據(jù)地形地勢條件不同，航向和旁向重疊度的經(jīng)驗值也不同。對于地面起伏不大的測區(qū)，例如對灌區(qū)、河流、平原水庫等工程的測繪，建議航向重疊度設置為 70%～75%，旁向重疊度設置為 60%～65%。對于觀音閣水庫這樣的山丘水庫或山洪溝地面高程變化大的測區(qū)，建議航向重疊度設置為 80%，旁向重疊度設置為 70%。

載荷參數(shù)需要在航拍參數(shù)設置中選擇所使用的相機型號，與之對應的相機參數(shù)將自動生成，可顯示出相機分辨率、焦距和快門差等信息。如果在備選的選項里沒有對應的相機型號，可以在相機管理中手動設置，再選擇相機安裝方向即可。值得注意的是，相對航高、拍照和航線間距分別在成圖比例尺，航向和旁向重疊度數(shù)值設定好后，自動生成，無需手動添加。

2 圖像數(shù)據(jù)處理

無人機測繪在水利行業(yè)的應用有效地彌補了衛(wèi)星和有人機等遙感之間的空白點[6]，提升了遙感的時效性、連續(xù)性和精確性，但受到自身性能的限制，具有穩(wěn)定性差、載荷輕、姿態(tài)精度不夠等缺點，給測繪技術(shù)帶來困難和挑戰(zhàn)。所以，在傳統(tǒng)測繪技術(shù)的基礎上，無人機測繪的圖像數(shù)據(jù)處理對處理軟件和技術(shù)人員專業(yè)水平提出了新的要求。

2.1 圖像處理軟件

Pix4Dmapper 是目前常用的無人機數(shù)據(jù)和航空影像處理軟件，具有自動化水平高，可同時處理多架次、數(shù)千張影像，支持多種傳感器和自動識別相機型號的優(yōu)點。軟件的輸入要素是 .jpg 或 .tiff 格式的觀音閣水庫影像及 POS 等數(shù)據(jù)，如果對成果無地理坐標要求，也可以不輸入圖像的 POS 數(shù)據(jù)。Pix4Dmapper 數(shù)據(jù)處理成果包括正射影像圖（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）、Google 瓦片（KML）、三維點云（LAS）、空三結(jié)果和質(zhì)量報告等。

2.2 數(shù)據(jù)初步處理

導入水庫影像和 POS 數(shù)據(jù)之后，Pix4Dmapper軟件可以對數(shù)據(jù)進行本地處理，包括初步處理、點云加密、生成 DSM 和 DOM 等 3 個步驟。初步處理的目的是過濾掉圖像的噪聲干擾和校正鏡頭畸變的影響，保證后續(xù)的處理質(zhì)量，包括快速和高精度處理。其中，快速處理主要用于測區(qū)拍攝完成后的即時圖像快拼，可以直觀地查看觀音閣水庫的航拍區(qū)域圖，并快速檢驗飛行數(shù)據(jù)的質(zhì)量情況?？焖偬幚硗瓿珊?，Pix4Dmapper 軟件會自動生成質(zhì)量報告，主要內(nèi)容包括工程摘要、質(zhì)量檢測、校正細節(jié)、重疊圖像數(shù)、相機優(yōu)化參數(shù)等項目，為飛行數(shù)據(jù)是否滿足要求提供參考。

2.3 數(shù)據(jù)高精度處理

高精度處理是生成觀音閣水庫影像成果的必經(jīng)過程。首先，需要對飛機飛行的姿態(tài)、速度、高度及地球自轉(zhuǎn)多種原因?qū)е聢D像相對于地面目標發(fā)生的幾何畸變進行幾何校正[7]。其次，依據(jù)立體像對的相對和絕對定向等攝影測量原理，利用全站儀對測區(qū)具有明顯特征的位置進行測量。選取測區(qū)周圍區(qū)域 6 個控制點，中心區(qū)域 1～2 個控制點，并確保它們分布相對均勻?？紤]到觀音閣水庫部分測區(qū)高程變化較大，可增加部分控制點提高數(shù)據(jù)精度。最后，進行空中三角測量和點云加密，如圖 2 所示。在這里，可以利用多臺計算機對飛行數(shù)據(jù)行進分批、分期處理，再將處理結(jié)果整合，從而節(jié)省處理的時間。此外，Pix4Dmapper 軟件具有其他輔助功能，如鑲嵌修編功能，可以對水庫扭曲的大壩邊緣圖像進行替換，也可以對選定的圖像區(qū)域進行亮度、對比度的調(diào)試；點云過濾功能可以通過設置將部分點云過濾掉，保留有用的點云，有利于成圖效果及后期開發(fā)。

圖 2 空中三角測量

2.4 數(shù)據(jù)圖像成果

經(jīng)過高精度處理后，可獲得較為準確的各影像外方位元素，依據(jù)這類定向元素，利用數(shù)字微分糾正的間接方法，能夠得到單張水庫航攝像片的正射影像?？紤]到無人機飛行高度較低，單張像片具有視野范圍較小的缺點，需要采用圖像拼接技術(shù)進一步拼接出大區(qū)域場景的正射影像，主要包括圖像配準和融合 2 個步驟。最終，得到觀音閣水庫的 DOM和 DSM，分別如圖 3 和 4 所示。

圖 3 觀音閣水庫大壩正射影像圖

圖 4 觀音閣水庫數(shù)字表面模型圖

3 無人機技術(shù)在水利行業(yè)的發(fā)展

近幾年，在我國無論是消費級無人機還是工業(yè)級無人機均得到快速發(fā)展。工業(yè)級無人機應用最廣泛的是電力、國土、環(huán)保等部門，其中水利行業(yè)無人機應用發(fā)展相對滯后。但是，隨著水利信息化的不斷發(fā)展，無人機技術(shù)逐漸與水利行業(yè)中諸多業(yè)務相結(jié)合，特別是在山洪災害監(jiān)測與災后評估、緊急搜救、冰凌應急監(jiān)測、水土保持規(guī)劃與監(jiān)測、水資源用地信息管理[8]、水利工程劃界確權(quán)測量與監(jiān)測、水域覆蓋面積調(diào)查、工程施工規(guī)劃、工程勘察測量、土石方工程量計算等方面扮演越來越重要的角色。與此同時，無人機技術(shù)革新也不斷地應用到水利行業(yè)中。在無人機機型方面，從固定翼、多旋翼，到變模態(tài)、多模態(tài)，無人機不斷發(fā)展與進化。在搭載設備方面，利用機載的多光譜相機監(jiān)測土壤墑情，利用機載傾斜相機激光雷達構(gòu)建高精度水利工程三維及山洪溝數(shù)字高程等模型，利用機載熱成像儀監(jiān)測非法入河排污口等。在未來，不同種類的無人機及機載設備可以利用自身的優(yōu)勢滿足水利發(fā)展的廣泛需求。

4 結(jié)語

無人機技術(shù)在水利行業(yè)發(fā)展的同時也存在一些問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）由于無人機發(fā)展的時間相對比較短，對無人機技術(shù)的不了解，導致對無人機的誤解甚至是偏見。許多人對無人機的了解只局限于諸如大疆等品牌的消費級無人機，甚至有些人對無人機的概念還停留在玩具或者航模上，觀念意識的局限性影響了無人機的發(fā)展。

2）水利行業(yè)無人機大多在自然條件惡劣的野外山區(qū)作業(yè)，加之無人機行業(yè)發(fā)展還不十分健全，售后責任界定不清，相關(guān)保險業(yè)務也發(fā)展不完善，增加了無人機作業(yè)的風險。

3）無人機飛行相關(guān)的法律法規(guī)尚未完全成熟，包括低空空域開放及開放后的管理，以及如何界定重要水利工程航拍數(shù)據(jù)是否涉密等問題依然存在，制約了無人機的發(fā)展。

隨著無人機及周邊行業(yè)的不斷完善，相關(guān)“云監(jiān)管”技術(shù)的深入應用，以及相關(guān)法律體系的逐步完善，將進一步促進無人機行業(yè)的健康、有序發(fā)展。

[1] 鄭波，湯文仙. 全球無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2014 (8): 8-11.

[2] 甄云卉，路平. 無人機相關(guān)技術(shù)與發(fā)展趨勢[J]. 兵工自動化，2009，28 (1): 14-16.

[3] 董永剛. 觀音閣水庫控制網(wǎng)的布設與實施[J]. 東北水利水電，2016，34 (9): 3-5.

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[8] 姜文來，唐曲，雷波. 水資源管理學導論[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2005: 269-270.

Research on application of unmanned aerial vehicle technology in Guanyinge Reservoir

ZHU Fei
(Liaoning Province Hydropower Science Research Institute, Shenyang 110003, China)

With continuous evolution of UAV technology, the development of its application in water conservancy industry receives wide attention. To improve the level of water resources informatization, UAV technology provides an important means of space data acquisition, which is a powerful supplement of those traditional remote sensing technology, such as satellite and manned aircraft remote sensing. The operation procedure of UAV ground station and the usage of image data processing software Pix4Dmapper are both introduced based on the core of UAV technology and the mapping application on Guanyinge Reservoir. Those advantages that are wide ranges of terrain application,strong real-time transmission of videos, low cost of management and eff i cient operation of projects are proved. The application direction is analyzed in aspects of mountain torrents disaster, water resource, hydrographic engineering survey, etc. And the problems to be solved are pointed out in the industry of water conservancy.

unmanned aerial vehicle (UAV); water resources; remote sensing; informatization

V279；TP873

A

1674-9405(2017)06-0055-04

10.19364/j.1674-9405.2017.06.011

2017-07-06

朱 菲（1990-），女，遼寧沈陽人，研究生，主要從事水利自動化及信息化研究。