吳嫡捷，張世安

（1.黃河水利委員會河南黃河河務局，河南 鄭州 450003；2.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003）

在水利領(lǐng)域中，及時準確地獲取和監(jiān)測水資源、水質(zhì)和水文信息對于水資源管理、災害防控和水利工程建設具有重要意義。傳統(tǒng)的水利數(shù)據(jù)采集方法存在人力成本高、數(shù)據(jù)采集周期長、覆蓋范圍有限等問題。隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展和成熟，無人機航測技術(shù)已成為一種高效、靈活且具有巨大潛力的水利數(shù)據(jù)采集手段，該技術(shù)結(jié)合了航空攝影、遙感和地理信息系統(tǒng)等多個領(lǐng)域的技術(shù)，通過搭載各種傳感器和設備，可以獲取高分辨率、多維度的水利數(shù)據(jù)。無人機航測技術(shù)的應用可以實現(xiàn)對水資源的調(diào)查和監(jiān)測、洪水風險評估與預警、水利工程施工監(jiān)理與質(zhì)量控制等多個方面的需求，為水利領(lǐng)域的決策提供科學依據(jù)[1-5]。

1 無人機航測技術(shù)的概述

1.1 定義和原理

無人機航測技術(shù)是指利用無人機平臺搭載各種傳感器和設備，通過航空攝影、遙感和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段，對地面、水域等目標進行高效、精確的數(shù)據(jù)采集和測量的技術(shù)。它將無人機的飛行能力與先進的傳感器技術(shù)相結(jié)合，能夠快速獲取大范圍、復雜地形的高分辨率數(shù)據(jù)，為水利領(lǐng)域的調(diào)查、監(jiān)測和決策提供準確、全面的信息支持。無人機航測技術(shù)原理主要包括以下幾個方面。

1）飛行控制。無人機通過先進的飛行控制系統(tǒng)，包括GPS 導航、慣性測量單元（IMU）和自動駕駛系統(tǒng)等，實現(xiàn)飛行軌跡的規(guī)劃和控制[6]。飛行路徑可以提前設定，也可以根據(jù)實時需求進行調(diào)整。

2）數(shù)據(jù)采集。無人機搭載多種傳感器和設備，如相機、激光雷達、熱紅外傳感器等，可以獲取不同類型的數(shù)據(jù)[7]。相機用于航空攝影，可以獲取高分辨率的圖像數(shù)據(jù)；激光雷達可以進行地形測量和障礙物探測；熱紅外傳感器用于檢測地表溫度和熱紅外信息等。

3）數(shù)據(jù)處理與分析。無人機采集到的數(shù)據(jù)需要進行處理和分析，以提取有用的信息[8]。數(shù)據(jù)處理軟件可以進行圖像拼接、數(shù)字高程模型（DEM）生成、地物分類等操作，從而得到準確的地理信息。

4）數(shù)據(jù)應用。無人機獲取和處理的數(shù)據(jù)可以應用于水資源調(diào)查與監(jiān)測、洪水風險評估與預警、施工監(jiān)理與質(zhì)量控制等水利領(lǐng)域[9]，通過分析數(shù)據(jù)，可以了解水體的面積和水位變化、水質(zhì)參數(shù)、地表形態(tài)等關(guān)鍵信息，為決策者提供科學依據(jù)。

無人機航測技術(shù)原理和方法的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，為水利領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集和應用帶來了全新的可能性。通過合理的系統(tǒng)設計和優(yōu)化的技術(shù)配置，無人機航測技術(shù)可以獲取高效、精確的數(shù)據(jù)，提升水利領(lǐng)域的工作效率和決策水平。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無人機航測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖是描述無人機航測技術(shù)中各個組成部分及其相互關(guān)系的圖，如圖1 能夠清晰地展示無人機航測系統(tǒng)的組成要素及其在數(shù)據(jù)采集過程中的功能和作用。無人機平臺攜帶各種傳感器和設備進行飛行任務，飛行控制系統(tǒng)確保飛行軌跡和穩(wěn)定性，傳感器和設備采集各種數(shù)據(jù)，通信和導航系統(tǒng)確保數(shù)據(jù)傳輸和飛行安全，數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析，從而得到準確的地理信息，這些組成部分之間通過數(shù)據(jù)流和指令流進行連接和交互，無人機平臺與傳感器和設備之間通過接口進行連接，傳感器和設備將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)進行處理，處理后的數(shù)據(jù)可以通過通信系統(tǒng)傳輸給地面控制站或其他終端設備做進一步分析和應用。

圖1 無人機航測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 無人機航測技術(shù)的軟硬件

2.1 軟件

無人機航測技術(shù)的軟件包括飛行控制軟件和數(shù)據(jù)處理與分析軟件，這些軟件提供了無人機航測任務的規(guī)劃、控制和數(shù)據(jù)處理的功能，為無人機航測技術(shù)的應用提供支持。

1）飛行控制軟件

飛行控制軟件用于規(guī)劃和控制無人機的飛行任務，主要功能：根據(jù)航測任務的需求和要求，飛行控制軟件可以根據(jù)地理信息和空域約束，自動生成飛行路徑，包括起飛、航線、轉(zhuǎn)彎、拍攝點等關(guān)鍵節(jié)點[10]；通過GPS 導航和慣性測量單元（IMU）等技術(shù)，實現(xiàn)無人機的自動駕駛功能，能夠根據(jù)預設的飛行路徑和航測任務要求，自動控制無人機的航向、高度和速度等參數(shù)[11]；實時監(jiān)控無人機的飛行狀態(tài)和參數(shù)，包括飛行速度、姿態(tài)、電池電量等，通過監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員可以隨時掌握無人機的飛行情況，保證任務的安全和順利進行[12]。

2）數(shù)據(jù)處理與分析軟件

數(shù)據(jù)處理與分析軟件用于對采集到的航測數(shù)據(jù)進行處理、分析和提取有用信息，它具備以下主要功能：對采集到的航空圖像進行處理和拼接，生成無人機飛行區(qū)域的全景圖像[13]，通過圖像處理算法，可以自動匹配、校正和拼接圖像，生成高分辨率、無接縫的全景圖像；利用采集到的激光雷達數(shù)據(jù)或圖像數(shù)據(jù)，生成數(shù)字高程模型（DEM）和三維地形模型[14]，這些模型可以提供地形測量、地貌分析和體積計算等功能，為水利領(lǐng)域的工程設計和規(guī)劃提供支持；通過圖像處理和機器學習算法，可以自動識別水體、建筑物、植被等地物類型，并提取相關(guān)的屬性和特征信息，這樣的地物分類和識別能夠在水利領(lǐng)域的水資源調(diào)查和監(jiān)測中提供精確的地物信息，幫助監(jiān)測水體的變化、分析植被覆蓋情況，以及發(fā)現(xiàn)潛在的問題和風險；將處理后的數(shù)據(jù)以直觀的方式展示出來，為決策者和研究人員提供可靠的信息支持，通過軟件的功能和算法，無人機航測技術(shù)可以實現(xiàn)高效、準確的數(shù)據(jù)處理和分析，為水利領(lǐng)域的決策和管理提供科學依據(jù)。

2.2 硬件

無人機航測技術(shù)的硬件部分包括無人機平臺及其相關(guān)設備和傳感器，這些硬件設備提供了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)哪芰?，是無人機航測技術(shù)的實際實施工具。

1）無人機平臺

無人機平臺是無人機航測技術(shù)的核心組成部分，選擇合適的無人機平臺對于實現(xiàn)高質(zhì)量的航測數(shù)據(jù)采集至關(guān)重要。常見的無人機平臺類型包括多旋翼無人機、固定翼無人機和垂直起降無人機，它們同時具備高穩(wěn)定性、長航時能力、多功能載荷能力等特點，但不同的飛行特性適合應用于不同的作業(yè)場景。多旋翼無人機具有垂直起降和懸停能力，能夠在較小的空間內(nèi)進行精準懸停和飛行[15]，這使其在需要低空細致觀察和近距離拍攝的水利應用中具有優(yōu)勢，如水體測量和水質(zhì)監(jiān)測。固定翼無人機具有長航時能力和較大的航程，適用于大范圍的快速航測任務[16]，它們通常搭載高分辨率相機和激光雷達等傳感器，用于生成高精度的地形模型和進行地物分類等應用。垂直起降無人機結(jié)合了固定翼和多旋翼的優(yōu)勢，能夠在垂直和水平方向上靈活運動[17]，它們在需要垂直起降和長航時的任務中表現(xiàn)出色，如大規(guī)模水資源調(diào)查和洪水風險評估等。

2）傳感器和設備

無人機航測技術(shù)中使用的傳感器和設備多樣化，需根據(jù)任務需求和測量目標的不同而選擇不同的設備。常見的傳感器和設備：相機用于航拍圖像的采集，可以是普通相機或者專業(yè)航空相機[18]，相機可以獲取高分辨率的圖像數(shù)據(jù)，用于地物識別、變化監(jiān)測和地圖制作等；光雷達（LiDAR）可以通過發(fā)射激光束并測量其返回時間來獲取地面或物體的高度和三維坐標信息[19]，可以提供高精度的地形數(shù)據(jù)，用于數(shù)字高程模型（DEM）的生成和地物特征的提取；紅外熱像儀可以測量物體的熱輻射，用于檢測地表溫度分布、水體溫度變化和熱點識別等[20]，紅外熱像儀在水利領(lǐng)域的應用包括水資源監(jiān)測、漏水檢測和熱污染源的識別等；多光譜傳感器可以捕捉多個波段的光譜信息，用于植被生長狀態(tài)、植被覆蓋和植被健康狀況的監(jiān)測[21]，通過多光譜圖像的處理和分析，可以提供植被指數(shù)和植被分類等信息；全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收機用于無人機的定位和導航，利用全球定位系統(tǒng)（如GPS）提供的衛(wèi)星信號來確定無人機的位置和速度[22]，GNSS 接收機的準確性對于無人機航測任務的成功實施至關(guān)重要；數(shù)據(jù)傳輸和存儲設備用于將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至地面控制站或其他終端設備，并進行存儲和備份[23]，這些設備包括無線通信模塊、存儲卡、硬盤等，能夠確保數(shù)據(jù)的及時傳輸和安全存儲。

3）通信和導航系統(tǒng)

為了實現(xiàn)無人機航測任務的順利進行，無人機系統(tǒng)需要可靠的通信和導航系統(tǒng)。通信系統(tǒng)包括無線通信模塊和地面控制站，通過與地面控制站的通信，操作人員可以監(jiān)控無人機的狀態(tài)、調(diào)整航線和接收實時數(shù)據(jù)[24]，無線通信模塊確保了地面控制站與無人機之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。導航系統(tǒng)使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（如GPS）來確定無人機的位置、速度和航向[25]，準確的導航系統(tǒng)對于實現(xiàn)精準的航測數(shù)據(jù)采集和飛行路徑規(guī)劃至關(guān)重要。

通過合理選擇和配置無人機平臺、傳感器和設備，以及配備可靠的通信和導航系統(tǒng)，無人機航測技術(shù)能夠在水利領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、高效率的應用。這些硬件組件的選擇和性能將直接影響航測數(shù)據(jù)的精度、分辨率和覆蓋范圍，從而對水利工程規(guī)劃、水資源管理和洪水風險評估等提供有力的支持。

3 在水資源調(diào)查與監(jiān)測中的應用

3.1 水面面積測量與水位監(jiān)測

水面面積和水位是水資源調(diào)查和管理中重要的參數(shù)。無人機航測技術(shù)可以提供高精度的水面面積測量和水位監(jiān)測，為水資源管理提供準確的數(shù)據(jù)支持。

1）水面面積測量精度評估

通過無人機航測技術(shù)獲取的航空圖像或激光雷達數(shù)據(jù)，結(jié)合圖像處理和分析算法，可以準確測量水體的面積[26]。評估水面面積測量的精度可達到1.5～5.0 cm2，需要考慮圖像分辨率、相機標定和幾何校正、高程數(shù)據(jù)配準等因素。高分辨率的航空圖像可以提供更精細的水體邊界和細節(jié)信息，從而提高測量精度；相機的幾何校正和標定可以消除圖像畸變和投影誤差，保證測量結(jié)果的準確性；通過激光雷達獲取的地面高程數(shù)據(jù)可以與圖像進行配準，以獲得更準確的水體邊界和面積信息。

評估水面面積測量的精度通常采用與實地測量結(jié)果的比對來進行，通過對比分析，可以評估無人機航測技術(shù)在水面面積測量方面的準確性和可靠性。

2）水位監(jiān)測精度評估

無人機航測技術(shù)可以通過激光雷達或其他傳感器測量水位，提供水體水位的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)[27]。評估水位監(jiān)測的精度可達到1.5～5.0 cm，需要考慮激光雷達測量精度、系統(tǒng)定標和準確度校正、環(huán)境因素影響等因素。激光雷達的測量精度對水位監(jiān)測結(jié)果的準確性具有直接影響；對無人機航測系統(tǒng)進行定標和準確度校正可以消除系統(tǒng)誤差，提高水位監(jiān)測結(jié)果的準確性；水體表面波動、浪涌和水質(zhì)變化等因素會對水位測量結(jié)果產(chǎn)生影響，需要綜合考慮和補償。

評估水位監(jiān)測精度通常涉及與現(xiàn)場測量或其他水文觀測站點的對比，通過與實地測量結(jié)果進行比對，可以評估無人機航測技術(shù)在水位監(jiān)測方面的準確性和可靠性。

3.2 水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測

水質(zhì)參數(shù)的準確監(jiān)測對于水資源管理和環(huán)境保護至關(guān)重要。無人機航測技術(shù)可以獲取高分辨率的水體圖像和光譜數(shù)據(jù)，用于水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測和評估[28]，水質(zhì)參數(shù)主要包括常規(guī)五參數(shù)、氨氮、氯化物、氟化物、重金屬、石油類揮發(fā)酚、葉綠素、藍綠藻、硝酸鹽等，監(jiān)測的精度需要考慮以下因素。

1）光譜傳感器精度評估

無人機搭載的多光譜傳感器可以獲取不同波段的光譜數(shù)據(jù)，用于水體中的水質(zhì)參數(shù)推測。評估光譜傳感器的精度包括波段分辨率和光譜分辨率、輻射校正和大氣校正。傳感器的波段分辨率決定了可以檢測的光譜范圍，而光譜分辨率決定了能夠分辨的光譜特征，較高的分辨率有助于提高水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測精度。光譜數(shù)據(jù)需要進行輻射校正和大氣校正，以消除光照條件和大氣因素對數(shù)據(jù)的影響，校正的準確性對于水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測結(jié)果的精度具有重要影響。

2）水質(zhì)參數(shù)推測算法評估

基于獲取的光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測樣本和相關(guān)算法，可以推測水體中的水質(zhì)參數(shù)。評估水質(zhì)參數(shù)推測算法的精度包括算法的準確性和適用性、樣本數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量。算法需要準確地建立光譜特征與水質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系，并適用于不同的水體類型和環(huán)境條件；算法的精度受到用于建模和驗證的樣本數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量的影響，樣本數(shù)據(jù)應具有代表性和多樣性，以提高推測結(jié)果的可靠性。

通過與實地采樣和實驗室分析結(jié)果的對比，可以評估無人機航測技術(shù)在水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測方面的準確性和可行性。準確評估無人機航測技術(shù)在水資源調(diào)查與監(jiān)測中的監(jiān)測精度，有助于確定其在水利領(lǐng)域的應用潛力和可靠性，為水資源管理和決策提供可靠的依據(jù)，有助于改善水利工程的規(guī)劃、設計和運營。

4 在洪水風險評估與預警中的應用

4.1 地表高程測量

無人機航測技術(shù)在洪水風險評估與預警中扮演著重要角色，能夠獲取高分辨率的地表形態(tài)信息，其中，地表高程的測量精度是至關(guān)重要的[29]。通過搭載激光雷達（LiDAR）或多光譜相機等傳感器，無人機可以獲取地表的高程數(shù)據(jù)，并生成數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。DEM能夠提供準確的地表高程信息，為洪水風險評估與預警提供必要的基礎數(shù)據(jù)。

無人機航測技術(shù)在地表高程測量方面的精度不大于1.5 cm，其影響因素涉及到數(shù)據(jù)采集、處理和精度驗證等方面。在數(shù)據(jù)采集方面，無人機的飛行高度、飛行速度、圖像重疊度等參數(shù)會影響測量結(jié)果的精度，適當?shù)娘w行參數(shù)設置和路徑規(guī)劃能夠提高地表高程測量的精確性。在數(shù)據(jù)處理方面，需要進行點云數(shù)據(jù)的配準、濾波和插值等操作，以獲得光滑且準確的地表高程模型。最后，通過與地面控制點進行比對和驗證，可以評估無人機航測技術(shù)在地表高程測量中的具體精度。

4.2 地表覆蓋分類與變化檢測

除了地表高程測量，無人機航測技術(shù)還可用于地表覆蓋分類與變化檢測，對洪水風險評估與預警具有重要意義[30]。利用無人機獲取的高分辨率影像數(shù)據(jù)，結(jié)合遙感圖像處理和機器學習算法，可以實現(xiàn)對地表覆蓋類型的準確分類和監(jiān)測。

無人機航測技術(shù)在地表覆蓋分類與變化檢測方面的精度同樣需要考慮數(shù)據(jù)采集、處理和驗證等環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)采集方面，無人機航行的高度、相機參數(shù)和影像采集模式等因素會對地表覆蓋分類的精度產(chǎn)生影響。在數(shù)據(jù)處理方面，需要進行影像預處理、特征提取和分類算法的應用，以獲得準確的地表覆蓋分類和變化信息。最后，可以通過與地面真實數(shù)據(jù)的對比驗證，對無人機航測技術(shù)在地表覆蓋分類與變化檢測中的精度進行評估。

5 在水利工程施工監(jiān)理與質(zhì)量控制中的應用

無人機航測技術(shù)在水利工程施工監(jiān)理與質(zhì)量控制方面發(fā)揮著重要的作用，可以提供高效、準確的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，以確保施工過程的合規(guī)性和質(zhì)量可控性。

5.1 主要儀器設備的技術(shù)參數(shù)

1）激光雷達

激光雷達用于獲取地面和地形的高程數(shù)據(jù)，可以提供高精度的地形模型和地物三維信息，技術(shù)參數(shù)包括測距精度、角度分辨率、掃描頻率等。

2）多光譜相機

多光譜相機用于獲取不同波段的光譜數(shù)據(jù)，用于土壤、植被和地表覆蓋的監(jiān)測和分析，技術(shù)參數(shù)包括相機的波段范圍、波段分辨率、空間分辨率等。

3）紅外熱像儀

紅外熱像儀用于檢測和監(jiān)測水利工程中的溫度變化，如滲漏、熱點和異常熱量，技術(shù)參數(shù)包括熱像儀的溫度靈敏度、空間分辨率、測量范圍等。

5.2 技術(shù)應用

1）施工過程監(jiān)測

通過航空攝影和激光掃描技術(shù)，實時監(jiān)測施工現(xiàn)場的進展、變化和質(zhì)量狀況，以及檢測施工過程中可能存在的問題和風險[31]。

2）工程質(zhì)量檢測

利用無人機獲取的高分辨率圖像和數(shù)據(jù)，對水利工程的質(zhì)量進行評估和檢測，包括結(jié)構(gòu)、地基、管道等方面的檢測和分析[32]。

3）安全監(jiān)控

通過紅外熱像儀等設備，對水利工程的安全隱患進行監(jiān)測和預警，如滲漏、裂縫、異常溫度等情況[33]。

5.3 性能要求

1）高精度和高分辨率

無人機航測技術(shù)需要提供高精度的數(shù)據(jù)采集和測量，以滿足水利工程施工監(jiān)理和質(zhì)量控制的要求。同時，高分辨率的數(shù)據(jù)可以提供細節(jié)豐富的圖像和模型，用于精確分析和評估。

2）實時監(jiān)測和反饋

無人機航測技術(shù)應具備實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測能力，能夠及時捕捉施工現(xiàn)場的變化和問題，并及時反饋給相關(guān)人員，以支持及時的決策和調(diào)整。

3）數(shù)據(jù)處理和分析能力

無人機航測技術(shù)需要具備數(shù)據(jù)處理和分析的能力，能夠?qū)Λ@取的圖像、激光掃描數(shù)據(jù)等進行有效處理和分析，并生成可視化的結(jié)果和報告。

4）環(huán)境適應性

無人機航測技術(shù)應適應不同的水利工程環(huán)境和場景，包括復雜的地形、天氣條件和工程結(jié)構(gòu)等。相應的傳感器和設備應具備良好的適應性和可靠性，以確保在各種條件下的正常運行和數(shù)據(jù)采集。

5）操作安全性和可靠性

無人機航測技術(shù)在施工現(xiàn)場需要確保操作的安全性和可靠性。應制定和執(zhí)行相應的操作規(guī)范、飛行計劃和應急預案，以確保無人機航測過程的安全和可控。

6 結(jié)語

無人機航測技術(shù)在水資源調(diào)查與監(jiān)測中，通過高分辨率的圖像采集和數(shù)據(jù)處理，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的水面面積測量和水位監(jiān)測，這為水資源管理和決策提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，提高了水資源的監(jiān)測精度和管理效率。在洪水風險評估與預警中，通過獲取高分辨率的地表形態(tài)信息，可以精確地分析洪水淹沒區(qū)域和水流動態(tài)，提供了洪水災害風險評估的重要依據(jù)，同時能夠?qū)崟r監(jiān)測洪水發(fā)展情況，并及時提供預警信息，提高了洪水預警的準確性和時效性。在水利工程施工監(jiān)理與質(zhì)量控制中，通過高精度的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，可以實時監(jiān)測施工現(xiàn)場的進展情況和質(zhì)量狀況，提供了可靠的數(shù)據(jù)支持和監(jiān)控手段，同時能夠快速獲取大范圍的數(shù)據(jù)，提高了施工監(jiān)理的效率和準確性。在未來的研究和實踐中，建議不斷優(yōu)化技術(shù)手段和提高系統(tǒng)性能，以滿足水利領(lǐng)域?qū)_數(shù)據(jù)的需求，并加強對無人機航測技術(shù)的標準化和規(guī)范化，促進無人機航測技術(shù)在水利領(lǐng)域的推廣和應用，進一步提升水利工作的效率和水平，推動水利領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展。