無人機(jī)低空遙感技術(shù)在水文應(yīng)急演練中的應(yīng)用

孫振勇 王世平 彭萬兵

(長江水利委員會(huì)水文局長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020)

無人機(jī)低空遙感技術(shù)在水文應(yīng)急演練中的應(yīng)用

孫振勇 王世平 彭萬兵

(長江水利委員會(huì)水文局長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020)

在高危復(fù)雜環(huán)境下，快速有效獲取水文信息是當(dāng)前水文應(yīng)急監(jiān)測能力提升的關(guān)鍵。水文部門必須運(yùn)用先進(jìn)的儀器設(shè)備與技術(shù)措施，對水文信息進(jìn)行快速高效的采集、傳輸和處理，為搶險(xiǎn)排險(xiǎn)提供準(zhǔn)確、可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。無人機(jī)系統(tǒng)低空遙感技術(shù)以其機(jī)動(dòng)靈活、影像分辨率高、成果豐富多樣、成本低廉等特點(diǎn),在應(yīng)急監(jiān)測中發(fā)揮著越來越重要的作用。介紹了無人機(jī)航攝遙感系統(tǒng)的基本構(gòu)成和作業(yè)方法，結(jié)合2015年全國水文應(yīng)急演練，對模擬災(zāi)區(qū)進(jìn)行了應(yīng)急監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理。結(jié)果表明，基于無人機(jī)低空遙感技術(shù)進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測，可大幅提高水文監(jiān)測精度和搶險(xiǎn)救災(zāi)處置效率。

水文應(yīng)急監(jiān)測;無人機(jī); 遙控技術(shù)；低空遙感

1 研究背景

自然災(zāi)害或突發(fā)事件， 大多具有發(fā)生的突然性、 形式的多樣性、 結(jié)果的危害性、 處理處置的艱巨性和危害的持續(xù)性等特征[1]， 這就要求通過現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測來快速收集翔實(shí)的數(shù)據(jù)信息， 從而為災(zāi)害、 次生災(zāi)害的調(diào)查及應(yīng)急指揮決策等提供有效技術(shù)支撐。 與常規(guī)水文測驗(yàn)和水文監(jiān)測相比， 應(yīng)急監(jiān)測具有不同的要求和特點(diǎn)。 本文分析了當(dāng)前水文應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)的基本特點(diǎn)， 闡述了無人機(jī)系統(tǒng)的組成及低空遙感技術(shù)的作業(yè)方法， 結(jié)合2015年全國水文應(yīng)急演練， 對基于無人機(jī)低空遙感技術(shù)的應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)、 監(jiān)測精度和搶險(xiǎn)救災(zāi)處置效率進(jìn)行分析和評價(jià)。

2 當(dāng)前水文應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)的特點(diǎn)

災(zāi)害應(yīng)急救援提高效率的關(guān)鍵因素是及時(shí)獲取災(zāi)害區(qū)域的災(zāi)情信息。如何快速、準(zhǔn)確地獲取相關(guān)數(shù)據(jù)已經(jīng)成為應(yīng)急搶險(xiǎn)的難題和研究熱點(diǎn)。應(yīng)急水文監(jiān)測受特殊災(zāi)害環(huán)境下各種不利因素的制約，對儀器設(shè)備的要求更高。經(jīng)過調(diào)研和大量的儀器設(shè)備技術(shù)指標(biāo)分析，在唐家山堰塞湖、舟曲泥石流等突發(fā)災(zāi)害處置中的運(yùn)用實(shí)踐表明，當(dāng)前應(yīng)急水文監(jiān)測主要使用免棱鏡全站儀、高精度GPS、電波流速儀、衛(wèi)星遙感監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)裝備[2]。當(dāng)前水文應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)管理體系日趨完善，儀器設(shè)備先進(jìn)成熟，具備了以下特點(diǎn)： ①圍繞水文應(yīng)急預(yù)案、水文應(yīng)急管理體制、機(jī)制和法制建設(shè), 水文應(yīng)急管理體系成熟完善[3]； ②監(jiān)測技術(shù)智能一體，數(shù)據(jù)獲取實(shí)現(xiàn)了多元性、綜合性、大面積的同步觀測；③ 效率和精度高，經(jīng)濟(jì)效益擴(kuò)大；④大量采用非觸源式作業(yè)模式，逐漸擺脫環(huán)境制約影響，大大提高了安全性能[4]。

無人機(jī)作業(yè)方式主要為800 m以下的低空飛行，與傳統(tǒng)航空攝影測量和衛(wèi)星光學(xué)遙感相比，可以不受云層遮擋，是有效的彌補(bǔ)手段[5]。無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)具有快速機(jī)動(dòng)、影像分辨率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低廉的特點(diǎn)，且屬于非觸源式作業(yè)方式，能勝任各類高危區(qū)域作業(yè)，適用于各種災(zāi)害的應(yīng)急救援[6]。

3 無人機(jī)低空遙感技術(shù)

3.1 無人機(jī)系統(tǒng)組成

無人機(jī)系統(tǒng)航攝遙感平臺(tái)可分為飛行器系統(tǒng)、通訊鏈路和地面控制站三大部分，詳見圖1。飛行器系統(tǒng)的主要功能是接收航線規(guī)劃并實(shí)施飛行計(jì)劃。地面控制站主要功能包括任務(wù)規(guī)劃、飛行實(shí)時(shí)控制、姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收和指揮調(diào)度。飛行器系統(tǒng)通過通訊鏈路與地面控制站進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)傳遞,以便工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行器的飛行狀態(tài)[7]。

圖1 無人機(jī)系統(tǒng)航攝遙感平臺(tái)構(gòu)架

3.2 影像數(shù)據(jù)獲取

無人機(jī)低空航攝需要經(jīng)過航線設(shè)計(jì)、航線飛行、質(zhì)量檢查和像控測量等步驟[8]，影像獲取的關(guān)鍵是任務(wù)規(guī)劃，包括航跡規(guī)劃、任務(wù)分配規(guī)劃與系統(tǒng)保障和應(yīng)急預(yù)案規(guī)劃等,其中,航跡規(guī)劃是任務(wù)規(guī)劃的主體和核心。影像數(shù)據(jù)獲取流程如圖2所示。

圖2 無人機(jī)系統(tǒng)影像數(shù)據(jù)獲取流程[9]

4 影像處理

鑒于災(zāi)害的突發(fā)性以及災(zāi)后環(huán)境的復(fù)雜性，通常不可能按常規(guī)的航空攝影進(jìn)行設(shè)計(jì)和飛行航攝。姿態(tài)的雜亂以及飛行航線的不規(guī)則造成了成像影像像對的旋角、傾角過大，從而加大了影像匹配難度，嚴(yán)重影響了影像的重疊度。應(yīng)急監(jiān)測核心技術(shù)問題就在于航攝數(shù)據(jù)的快速處理，包括少地面控制甚至無地面控制的影像糾正，航攝影像圖的快速拼接和糾正、影像勻光等。

4.1 畸變差改正

數(shù)碼相機(jī)由于鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)原因未進(jìn)行嚴(yán)格的校正，也沒有進(jìn)行內(nèi)方位元素準(zhǔn)確測定，故拍攝得到的普通影像存在非線性光學(xué)畸變誤差。在焦距不變的前提下，鏡頭畸變屬于系統(tǒng)誤差。因此，在處理普通數(shù)碼相機(jī)影像時(shí)，需要在進(jìn)行空中三角測量前先進(jìn)行畸變差改正。

畸變差改正通常有兩種方法：①直接改正法，即通過直接計(jì)算畸變圖像上每個(gè)像素的改正坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)圖像改正；②間接改正法則是通過計(jì)算每個(gè)改正像素在畸變圖像上的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)圖像的改正[10]。此次應(yīng)急監(jiān)測采用的是直接改正法。

4.2 空中三角測量

空中三角測量時(shí),為了獲取像片上的像點(diǎn)坐標(biāo)，求解影像的定向元素和測圖所需的控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。常用的方法主要有為航帶法區(qū)域網(wǎng)空三測量、獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)空三測量和光速法區(qū)域網(wǎng)空三測量[11]。

光束法區(qū)域網(wǎng)平差是以投影中心點(diǎn)、像點(diǎn)和相應(yīng)的地面點(diǎn)三點(diǎn)共線為條件，以單張像片為解算單元，借助像片之間的公共點(diǎn)和野外控制點(diǎn)，把各張像片的光束連成一個(gè)區(qū)域進(jìn)行整體平差，解算出加密點(diǎn)坐標(biāo)?；纠碚摴綖橹行耐队暗墓簿€條件方程式：

(1)

式中：x,y為某像點(diǎn)的像空間坐標(biāo)，f為攝影機(jī)主距；X，Y，Z為該像點(diǎn)對應(yīng)的地面坐標(biāo)；XS，YS，ZS為外方位線元素；a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3為外方位角元素表示的方向余弦。由式(1)可知，區(qū)域網(wǎng)平差精度主要取決于像控點(diǎn)的外業(yè)采集精度。因此，布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量均勻分布在整個(gè)航攝區(qū)域，且選擇的地物點(diǎn)地形特征比較明顯[12]。

4.3 快拼圖生成

圖像自動(dòng)拼接技術(shù)是指通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖形和色彩學(xué)技術(shù)，將空間上存在一定重疊的兩幅或者多幅圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，并融合成一幅完整全新的圖像的技術(shù)[13]。鑒于應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性需要,可通過快速拼圖軟件對無人機(jī)低空航攝高分辨率影像進(jìn)行鑲嵌拼，快速得到災(zāi)區(qū)全影像圖[14]。快拼圖無需GPS信息和相機(jī)參數(shù)，可以自動(dòng)識(shí)別相機(jī)焦距，能自動(dòng)平差和粗差剔除，自動(dòng)生成快拼圖(DSM)和正射糾正。利用快拼軟件制作，還可以實(shí)現(xiàn)DSM編輯和量測功能，從而可以從DSM上進(jìn)行距離、面積、體積等量算。嚴(yán)格意義上看，快拼圖精度上比數(shù)字正射影像圖(DOM)要低的多，但是可在2 h左右獲得災(zāi)區(qū)大致信息，在災(zāi)情分析、決策等方面具有一定的實(shí)用性。

5 水文應(yīng)急演練應(yīng)用

2015年在重慶舉行的全國水文應(yīng)急演練現(xiàn)場，模擬了重慶市長江支流木洞河流域內(nèi)發(fā)生特大暴雨洪水，引起河岸坍塌并形成了堰塞湖情況。長江水利委員會(huì)水文局應(yīng)急搶險(xiǎn)總隊(duì)上游支隊(duì)緊急奔赴現(xiàn)場實(shí)施水文應(yīng)急監(jiān)測，收集災(zāi)區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)資料[15]。演練區(qū)域內(nèi)左右岸人工堆砌了堰塞體壩，沿河兩岸植被茂密，地形起伏較大，沿河岸高差至百米。該處交通不便，僅有一條縣道通往該處，且公路距河邊高差較大，僅有田間泥濘小路下至河邊，儀器設(shè)備運(yùn)送極為困難。演練區(qū)整體地勢為河流由西向東地帶低洼，河岸向南北陡增，最低海拔169 m，最高海拔495 m。

應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)人員針對現(xiàn)場環(huán)境，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，采用四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，搭載索尼A7r相機(jī)，相機(jī)鏡頭焦距為35 mm，預(yù)設(shè)飛行的相對航高為330 m，預(yù)設(shè)航向重疊度70%,旁向重疊度45%。對現(xiàn)場進(jìn)行航線規(guī)劃，檢查無誤后發(fā)送至飛行器系統(tǒng)中。飛行器系統(tǒng)啟動(dòng)后按照預(yù)設(shè)航線實(shí)施影像數(shù)據(jù)獲取，并將拍攝的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)或通過地面微波站實(shí)施傳輸。全程中在地面控制站實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行。本次低空遙感航攝飛行，沿東西方向飛行了8條航線，共拍攝了200多張影像。另外搭載了高清數(shù)碼攝像機(jī)實(shí)時(shí)獲取并向后方指揮中心傳輸影像數(shù)據(jù)達(dá)3.54 G，所獲取的無人機(jī)影像地面分辨率達(dá)到0.05 m級(jí)。圖3為全國水文應(yīng)急演練木洞河流域模擬災(zāi)害區(qū)無人機(jī)快拼DSM圖(數(shù)字表面模型圖)。

圖3 全國水文應(yīng)急演練木洞河流域模擬災(zāi)害區(qū)無人機(jī)快拼DSM示意

本次演練采用航天遠(yuǎn)景MapMatrix數(shù)字正射影像處理軟件進(jìn)行正射影像糾正與制作。在完成空中三角測量后，就可以進(jìn)行正射影像生成、數(shù)字高程模型獲取等。圖4為無人機(jī)航拍制作的全國水文應(yīng)急演練模擬災(zāi)害區(qū)高分辨率DOM圖(數(shù)字正射影像圖)。

圖4 全國水文應(yīng)急演練模擬災(zāi)害區(qū)高分辨率DOM示意

6 結(jié) 論

此次水文應(yīng)急演練監(jiān)測顯示，無人機(jī)低空遙感技術(shù)能快速、有效地應(yīng)對水文應(yīng)急監(jiān)測，起到有力的技術(shù)支撐作用，確保處置安全有效。無人機(jī)低空遙感影像技術(shù)主要表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

(1) 遙感平臺(tái)豐富多樣，成果多元化。無人機(jī)低空遙感技術(shù)搭載數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、紅外儀等多種遙感設(shè)備，可以同時(shí)獲取測區(qū)的快拼圖、數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型等各類數(shù)據(jù)產(chǎn)品。還可獲得測區(qū)的地質(zhì)地貌、地形植被、水文土壤等各類綜合信息。

(2) 機(jī)動(dòng)靈活，降低了作業(yè)強(qiáng)度，提高了安全性能。無人機(jī)低空航攝航拍，不受高層云霧天氣影響，且無人機(jī)本身結(jié)構(gòu)簡便，易搬運(yùn)和安裝。地面站人員通過通訊鏈路控制飛行器遙感航拍采集數(shù)據(jù)，無需人員直接到達(dá)危險(xiǎn)困難區(qū)域作業(yè)，保障了作業(yè)安全。同時(shí)依靠人機(jī)交互的計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，大大減輕了工作強(qiáng)度。

(3) 精度高、效率快。無人機(jī)低空遙感技術(shù)在災(zāi)害發(fā)生后，可第一時(shí)間利用快拼軟件獲取災(zāi)后全貌圖像，宏觀快速地獲取災(zāi)情信息，也可進(jìn)行空三解析獲取高精度高分辨率DOM、DEM等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，實(shí)時(shí)分析災(zāi)情。

通過在水文應(yīng)急演練中成功運(yùn)用表明，無人機(jī)低空遙感技術(shù)可在水文應(yīng)急監(jiān)測中將發(fā)揮較強(qiáng)的優(yōu)勢，不僅可用于災(zāi)害區(qū)域整體評估、堰塞體幾何特征估算、堰塞湖體面積量算和回水位置確定等領(lǐng)域，還能夠在有效規(guī)避人員安全隱患條件下，收集到寶貴的災(zāi)區(qū)水文資料，為搶險(xiǎn)救援提供及時(shí)的災(zāi)情數(shù)據(jù)信息。

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(編輯：李 慧)

2017-03-31

孫振勇，男，長江水利委員會(huì)水文局長江上游水文水資源勘測局，工程師.

1006-0081(2017)06-0032-04

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