小型無人機在水利工程勘測中的應用

　　摘 要：無人機行業發展迅速，在水利工程勘測項目中，有很多環節實際使用無人機進行工作。本文結合行業發展趨勢，對無人機在水利工程中的應用情況及其可以實現的內容進行了調查，現作如下表述，希望能對相關行業有一定的借鑒作用。

　　關鍵詞：小型無人機;水利工程;勘測;應用

　　《山西水利雜志》辦刊宗旨是圍繞水利工作實際，宣傳與貫徹黨和國家有關水利工作的方針、政策，反映與交流水利建設與管理諸方面的成績、經驗、情況、問題和意見，在指導水利工作、推廣典型經驗、介紹水利經濟理論、提倡科學治水和學術爭鳴、促進水利工作改革、提高經濟效益方面發揮積極作用。

　　水利工程是為了控制、利用和保護地表及地下水資源與環境而修建的各項工程建設的總稱。按其服務對象，可分為防洪工程、農田水利、水力發電、航道和港口工程、供水和排水工程、環境水利工程、海涂圍墾工程等[1]。中小型水利工程勘測，通常存在項目規模小，投資不高，技術人員少，技術復雜等問題。而小型無人機便于攜帶、起降靈活，可以實現自主飛行與低空飛行，較好地契合了小型水利工程的規模小，技術人員少的特點。

　　小型無人機系統，通常由飛行平臺、傳感器系統、操控軟件、地面輔助設備等組成，其中，傳感器的基礎功能包括攝像及攝影，也可以結合輔助設備包括定位定姿系統、聲像系統、光電系統等實現更多功能，具有成本低、機動靈活、影像實時傳輸、高危地區探測等特點[2]。目前，小型無人機已經可以開展測繪航空攝影、攝影測量等工作。

　　1攝影攝像

　　小型無人機的基本功能是攝影攝像，該功能在水利工程中的應用有以下幾個方面：①丘陵地區、線狀工程的現場勘查航拍;②制作全景VR產品。

　　1.1現場查勘

　　丘陵、山區地帶的水利項目的特點是現場作業條件較差、交通不便，而需要查勘、了解的信息較多。傳統作業模式需要設計人員步行上山實地查勘，該模式效率低下，部分區域需要向導，甚至后勤人員搬運物資徒步上山，工作難度大、效率低，且存在一定的安全隱患。小型無人機的特點，有效彌補了傳統作業模式的缺點。勘察人員攜帶無人機作業，相當于在項目空中多了一雙眼睛，小型無人機已經可以做到7km的無線圖傳信號，在實際山區操作過程中，可以實現1km以內的安全飛行，可以對項目區現狀情況一覽無遺。海涂圍墾、河道等線狀工程，縱向大，橫向窄，傳統現場勘查不能很好地了解工程全貌，需要多人多次到現場分段分點了解。而無人機航拍可以一次性將起飛位置半徑5km的現場面貌進行航拍視頻拍攝，數據獲取簡便，效率高。此類線狀工程的現場查勘，特別適合用無人機作為輔助手段。

　　數據獲取由無人機的攝影攝像功能完成，通過操控設備，可以實時進行拍照，成果自動保存在無人機設備的存儲卡中，內業只需要對存儲卡中的圖像、視頻進行拷貝即可，成果以TIF格式的圖像及MOV格式的影像文件為主。數字資料可以長期保存，便于管理，反復調閱，利于后期的檔案制作。

　　1.2 VR全景產品制作

　　VR全景，是將相機環 360 度拍攝的一組或多組照片拼接成一個全景圖像，其算法是通過識別匹配特征點對，去除錯誤的匹配特征點對，保留正確的匹配特征點對，從而進行提純和拼接，實際運用中相鄰圖像有約30%的重疊度即可完成全景圖的制作。有了全景圖之后，通過計算機技術實現全方位的真實場景還原，并可以進行互動[3]。

　　專業VR全景相機需要多個鏡頭，在固定點的水平方向及上下方向進行圖片素材采集。無人機技術可以從空中進行數據獲取，根據無人機攜帶的鏡頭參數，通常以水平0°、俯角30°、俯角60°、俯角90°、仰角30°，以水平及豎直重疊度不低于30%的要求對項目地進行照片拍攝，即可獲取到可以進行全景圖制作的基礎資料。全景圖的制作主要通過Helmut Dersch公司的PTgui軟件進行，輸出全景圖之后，再通過Photoshop軟件對全景圖進行細節完善。制作完成后的全景圖可以上傳到互聯網，實現在線瀏覽，也可以使用Pano2VR軟件，將全景圖制作成FLASH文件，便于離線瀏覽。

　　制作完成的全景圖，反映的是項目現場的實際情況，在勘察設計過程中，既可以直接通過VR全景圖與參建各方進行一些現場展示，也可以在全景圖的基礎上，制作成可以進行互動的設計效果圖。如圖1所示。

　　2無人機攝影測量

　　航空攝影測量，是從二維對地觀測影像提取三維地表空間信息的一門科學與技術。該技術從一開始利用各項輔助數據減少地面控制點成圖，到以3S(GPS、GIS、RS)為主要技術手段，以4D產品(DEM、DOM、DLG、DRG)生產為最終目標的數字攝影測量時代[4]。隨著技術的進步，目前小型無人機也可以進行4D產品制作，且更加安全便捷，成本也更低。

　　以大疆無人機為例，其2018年出品的Phantom4RTK，通過無人機自主飛控軟件DJI GS pro，按照航空攝影規范劃分航測分區及航線，設置航拍參數如相片重疊度、航線旋偏角、飛行高度等，即可以使無人機按照既定規劃航線自主飛行，自主拍攝，自主返航，完成航空相片拍攝工作。外業相片拍攝時，還需要布設足夠的地面像控點，并測量其坐標、高程。至此，外業數據采集便完成了，相比傳統測量方法，極大地節約了人力、物力。

　　內業數據處理時，使用Pix4Dmapper軟件。Pix4Dmapper 無人機數據處理系統解決了無人機數據處理過程中的 POS 信息不準確或沒有、處理速度慢、操作復雜、數據量大等問題， 實現了無人機數據處理的快速、自動化、專業化的高精度處理， 無需專業知識，無需人工干預，即可將數千張影像快速制作成專業的、精確的二維地圖和三維模型。該軟件的成果包括正射影像圖DOM、數字表面模型DSM、數字地面模型DEM、Google瓦片KML、三維模型OBJ、三維點云LAS/文本、空三結果和精度報告等[5]。數據處理時，加入外業相片控制點，進行空三解算、絕對定向，制作完成的帶有準確坐標、高程信息DOM、DSM可以通過EPS地理信息工作站成圖。制作完成的數字線劃圖DLG，成果精度經驗證可以滿足1：1000大比例尺地形測量的需要[6]。無人機的應用使傳統測繪工作流程更優，效率更高。