王世杰

(遼寧省凌源市水務(wù)局，遼寧 凌源 122500)

1 無人機概述

無人機技術(shù)是利用遙感傳感器、計算機、無人機等實現(xiàn)空中平臺搭建、數(shù)據(jù)信息采集、遙感影像處理的綜合型技術(shù)，其生成的圖像具有精度高、攜帶方便、自動化好、反映迅速等特點[1]。通過航拍、三維空間運算、矢量化處理等程序可以提取待測量對象的坡度、體積、形狀、植被覆蓋率等數(shù)據(jù)信息，從而解決傳統(tǒng)方法存在的效率低、精度差、到不了、看不全的問題[2]。

無人機實現(xiàn)飛行目標及完成相應(yīng)任務(wù)的根本途徑是攜帶不同的設(shè)備，其簡稱為“UAV”。根據(jù)不同的平臺結(jié)構(gòu)可以將無人機劃分成多旋翼無人機、無人直升機、固定翼無人機三類[3]。其中，固定翼無人機必須在動力系統(tǒng)作用下滑行跑道以實現(xiàn)起飛、降落；無人價值飛機存在飛行效率高、續(xù)航能力強、飛行速度快、載重量大等特點；多旋翼無人機和無人直升機可以定點懸?；虼怪苯德洌痫w和降落過程中甚至不需要起降場地，但存在飛行效率稍低、耗電大等缺點[4]。多旋翼無人機相對于無人直升機，一般存在成本較低、運行相對穩(wěn)定、操作方便、結(jié)構(gòu)比較簡單等優(yōu)點。文章以遼寧省防汛抗旱指揮部擁有的六旋翼無人機為研究對象，深入研究了其應(yīng)用特點和基本功能。

1.1 應(yīng)用特點

六旋翼無人機具有機動靈活、操作簡單、攜帶方便、價格低廉等特點，可搭載多種信息采集和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備完成多種任務(wù)。實際應(yīng)用時，多旋翼無人機系統(tǒng)易于維護、操作簡便、操作人員培訓(xùn)周期短且低空攝影系統(tǒng)成本低，能夠大大節(jié)省防汛抗旱投入的物力和人力。

1)自動化處理。高精度、全自動數(shù)據(jù)處理及影像提取是無人機技術(shù)的明顯優(yōu)勢，依據(jù)自動化功能可以實現(xiàn)像主點、相機型號、聚焦等EXIF信息的讀取，并準確的識別相機鏡頭徑向與切向畸變差系數(shù)，對影像畸邊進行自動校正，為輸出高精度影像提供支持。在自動化處理時無需對飛行姿態(tài)有關(guān)數(shù)據(jù)進行專門的處理，操控員按照地面提供的GPS信息就可以直接查看與處理[5]。根據(jù)系統(tǒng)自帶功能能夠完成初始影像、DOM、DEM等數(shù)據(jù)的處理，并為專業(yè)技術(shù)軟件(如RS、GIS等)計算提供數(shù)據(jù)信息，通過輸出可讀文件ERDAS、Arc GIS、 Socet Set等實現(xiàn)與攝影測量軟件的無縫集成[6]。

2)成果系統(tǒng)。通過自動切片處理DOM數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)的PNG、KML文件，采用Google Earth可以實現(xiàn)成果的預(yù)覽；此外，無人機技術(shù)與傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)，具有明顯的成果輸出速度和高精度數(shù)據(jù)優(yōu)勢。在完成影像正射校正的同時利用系統(tǒng)模塊，可以完成影像的勻色處理，將所有扭曲的視角進行校正后輸出影像。在DSM中每個像素都存在與其一一對應(yīng)的高度值與坐標，按照GIS標準軟件可以生成等高線以及精準測量坡度、距離、體積等數(shù)據(jù)。

3)空間分辨率達cm級。采用空間算法確定初始影像的相關(guān)參數(shù)及其真實位置，依據(jù)區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)、全部影像內(nèi)容和獨立的優(yōu)化技術(shù)無人機可以自動完成影像校準，并且保持測量、攝影輸出標準格式與所需數(shù)據(jù)格式一致[7]。根據(jù)無人機自帶GPS軟件可完成地理位置的估算，并且處理過程中無需其它GCP模塊，為了滿足更高精度的絕對定位需求可以利用直觀便攜的界面，經(jīng)空間計算與控制點的田間實現(xiàn)cm級分辨率精度和1∶200比例尺等高線的輸出。

4)反應(yīng)快速。無人機技術(shù)在幾分鐘內(nèi)就可以實現(xiàn)DEM預(yù)覽及鑲嵌處理，硬件配置低且運算速度快，采用常用的筆記本就可以完成運行。

1.2 基本功能

系統(tǒng)具備高度自動化生產(chǎn)3D產(chǎn)品、超快速影像匹配處理、高自動化定向計算、影像快速處理等全部實用功能，可以生產(chǎn)數(shù)字格柵地圖DSM、高質(zhì)量數(shù)字正射影像圖DOM和高精度數(shù)字高程模型DEM，具體如下：

1)數(shù)據(jù)提取功能。①飛行軌跡的設(shè)計。根據(jù)實地踏勘和遙感影像等數(shù)據(jù)資料，應(yīng)全面分析測區(qū)內(nèi)的地形地貌、土地利用情況等信息，在此基礎(chǔ)上合理設(shè)計飛行軌跡，其中分辨率、飛行高度與架次、起落點、影像重疊率等為重點設(shè)置的環(huán)節(jié)。②像控點信息的采集。遵循易糞便、分布均勻的原則，對測區(qū)內(nèi)明顯標志物的經(jīng)緯度、高程信息利用差分GPS提取，通常要設(shè)置5-7個標志點，選擇已建立的地面影像控制點作為航拍影像后期處理的精度設(shè)置基準。③遙感影像信息的獲取。對重復(fù)影像進行篩選刪除處理，從而確定信息豐富、信息度較高的影像，并調(diào)整合適的亮度、顏色完成影像輸出。

2)數(shù)據(jù)管理功能。主要包括影像與基本數(shù)據(jù)的輸入或輸出、圖件與圖廓整飾的輸出、各種參數(shù)的設(shè)置、各種過程的批處理、三維立體景觀顯示災(zāi)區(qū)被測區(qū)域、基本的影像處理、不同網(wǎng)格密度的質(zhì)量報告與質(zhì)量控制等功能。

3)影像匹配與定向計算功能。主要包括影像匹配、影像匹配預(yù)處理、全自動絕對定向、相對定向和內(nèi)定向等功能。

4)生成正射影像功能。通過一系列的運算和初始化處理，結(jié)合加密后的點云集合以及運算數(shù)據(jù)成果自動生成DSM和正射影像。

2 實例應(yīng)用

2.1 三維工情量測

拍攝、建模、測量與分析典型性地質(zhì)災(zāi)害隱患點，詳細流程如下：

1)數(shù)據(jù)采集。對系統(tǒng)規(guī)劃被測工情區(qū)域采用掛載傾斜攝像機的六旋翼無人機，并且通過地面站駕駛員可以實現(xiàn)三維建模飛行航線的控制。飛行啟動后飛機將按照航線，自動飛行采集數(shù)據(jù)并完成自動返航。①拼接與融合影像：首先幾何校正飛行器造成的圖像旋轉(zhuǎn)、投影變形、相機鏡頭畸變，并完成圖像特征的自動配準和圖像對齊；然后采用合適的方法并按照圖像內(nèi)部特征完成配準處理，其中點特征匹配時圖像拼接領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的方法，為全自動拼接圖像提供了強有力的技術(shù)支持；最后，對配準后的圖像邊界進行縫合和平滑配準，所以區(qū)域影響必須經(jīng)幾何校正和圖形配準融合等一系列處理。②空中三角測量：考慮影像連接點、側(cè)區(qū)內(nèi)已知點和地面控制點，考慮物方空間坐標利用平差法求解外方位元素。相鄰相片中的同名定向點坐標利用自動匹配技術(shù)進行提取，相對定向點就是輸出的初始像點坐標，而絕對定向則利用野外實測的GPS像控制點來確定；然后，對圖像三維坐標零平差法生成，并導(dǎo)出相應(yīng)的文件；最后，按照實際需求與以上文件設(shè)置網(wǎng)格間距并生成不規(guī)則三角網(wǎng)，高程點利用內(nèi)插法進行計算，在此基礎(chǔ)上生成DSM數(shù)據(jù)。

2)三維建模。采用工作站上的“三維建模軟件”導(dǎo)入采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)一系列運算處理搭建三維模型，每1.5h耗時可完成1km2的三維建模。

3)測量分析。以各種數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)生成三維建模圖，同時完成面積、高度、距離等多種測量和線面繪制。在其他分析軟件中也可導(dǎo)入測量所得的數(shù)據(jù)，并完成淹沒演示、剖面、填挖方、雷達、可視域及通視等一系列分析，通過對研究區(qū)域典型性地質(zhì)災(zāi)害隱患點的測量分析、三維建模、數(shù)據(jù)采集等，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)，為遼寧省防汛抗旱指揮決策以及重點區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害處理提供技術(shù)支持。

2.2 災(zāi)情巡查攝影

1)災(zāi)情巡查。災(zāi)情發(fā)生時，采用搭載高清云臺攝像器的六旋翼無人機，并且圍繞災(zāi)區(qū)定義飛行航線，駕駛員可使用手扶式遙控器駕駛無人機高空拍攝災(zāi)情或利用地面站控制系統(tǒng)使無人機自動巡航拍攝。然后將畫面通過無線電技術(shù)或衛(wèi)星通訊車傳輸?shù)降孛婕爸笓]中心，指揮中心和現(xiàn)場人員可以直觀地獲取災(zāi)情概況，從而為防汛抗旱決策指揮提供支持。

2)災(zāi)情攝影。對系統(tǒng)規(guī)劃災(zāi)區(qū)采用掛載傾斜攝像機的六旋翼無人機，并且通過地面站駕駛員可以實現(xiàn)正攝飛行航線的控制，無人機自動完成數(shù)據(jù)的采集和返航。對采集的數(shù)據(jù)可利用三維建模軟件實行處理，從而獲取DOM圖。例如，受持續(xù)強降雨影響某地區(qū)突發(fā)山洪泥石流，并導(dǎo)致當(dāng)?shù)厝罕姳焕В嗍鳑_毀淹沒村民住宅等。因此，水毀建筑物的大致位置可以通過災(zāi)前災(zāi)后圖像的對比來確定，進而快速的確定人員被困地點。在暴雨中利用六旋翼無人機，救護人員可以實現(xiàn)水毀現(xiàn)場信息的持續(xù)采集，并向指揮中心傳送采集的圖像信息。依據(jù)實時信息指揮中心要精準指揮，最大程度的降低財產(chǎn)損失和人員傷亡。

2.3 應(yīng)急救援指揮

1)高空喊話。對危險區(qū)域利用掛載無限高音喇叭的六旋翼無人機，可以實現(xiàn)高空巡航和錄制音頻的循環(huán)播放，預(yù)警廣播，緊急疏散；此外，也可實時喊話安撫被困人員等。

2020年，在遼寧防汛應(yīng)急搶險救援演練中六旋翼無人機高空搜索出數(shù)名被困群眾，并發(fā)揮安撫情緒、高空喊話的重要作用，收到傳回影像后指揮部對被困群眾排出水域救援專業(yè)隊員施救，救援演練中無人機取得較好的應(yīng)用效果。

2)定點拋投。采用掛載高空拋投器的六旋翼無人機及其實時傳輸回來的圖像，可精準的確定投放位置，并將投物器利用手持遙控器打開，在所需地點準確拋投繩索、救生衣、急救包、頭盔等貨物以供被困人員使用。

2020年，在遼寧防汛應(yīng)急搶險救援演練中無人機發(fā)現(xiàn)落水群眾后，投落救生衣為施救提供了有利條件。

2.4 水利行業(yè)的應(yīng)用

1)無人機硬件生產(chǎn)成本將隨著產(chǎn)業(yè)鏈配套的日趨成熟而大幅度下降，未來其市場價格將不斷下降，各專業(yè)應(yīng)用軟件也將日趨完善與成熟，市場關(guān)注度和消費級無人機客戶群體將不斷攀升，專業(yè)級無人機市場具有較大的潛力且各個細分領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U大，客戶規(guī)模表現(xiàn)出明顯的增長趨勢，在環(huán)境監(jiān)測、水利工程、能源、防汛抗旱、國土資源、搶險救災(zāi)等領(lǐng)域?qū)⒌玫礁訌V泛而深入的應(yīng)用。

2)對于湖泊、河流和水庫等，無人機可以對水域范圍內(nèi)的實時變化情況實現(xiàn)連續(xù)不斷的監(jiān)測，通過獲取影像資料、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等一系列信息，并采用專業(yè)的分析軟件實現(xiàn)信息化、智能化水域管理，為加快經(jīng)濟社會發(fā)展提供技術(shù)支撐。

3)在影像信息獲取時無人機技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢：安全可靠、操作簡單、攜帶方便、遙測設(shè)備靈活，起降無需大面積場地且連續(xù)作業(yè)能力較強；無人機可拍攝高重疊率、大比例尺、高精準度的影像，一般在云層以下飛行并獲取高精度局部信息。所以，在水土保持、水利管理、土壤監(jiān)測等領(lǐng)域也可利用無人機技術(shù)，可以檢查洪災(zāi)區(qū)域、監(jiān)測水庫與水情、河道走向等，并且在災(zāi)情發(fā)生時還可查看淹沒區(qū)域、水毀橋梁等情況，

3 結(jié) 語

無人機技術(shù)在遼寧省水利行業(yè)中的應(yīng)用還處于起始階段，隨著無人機在水文監(jiān)測、水土保持、水資源、防汛抗旱等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將顯著提高災(zāi)情、旱情、水雨情信息傳輸?shù)臅r效性及采集的準確性，為水資源評價、防洪抗旱調(diào)度方案制定、準確的預(yù)報與預(yù)測等提供科學(xué)的決策依據(jù)。