無人機低空影像技術(shù)在水利地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

樊灝 邢立文 樊漓 劉瑞強

縱觀我國近年來的科技發(fā)展態(tài)勢，不難發(fā)現(xiàn)我國科學(xué)技術(shù)已處于飛速發(fā)展階段。由于傳統(tǒng)航攝影像的時效性和空間分辨率較低，導(dǎo)致整體視覺效果較差，因此在一些突發(fā)事件的監(jiān)測中無法得到有效應(yīng)用。伴隨無人機低空影像技術(shù)的發(fā)展，無人機已成為當(dāng)前最具發(fā)展?jié)摿Φ臏y繪技術(shù)，尤其是在近幾年的幾次水利地質(zhì)災(zāi)害后，無人機低空影像技術(shù)在輔助救援，災(zāi)情探測等方面，作出了重要貢獻(xiàn)。接下來，筆者將從無人機低空影像技術(shù)的概念與優(yōu)勢入手，深入分析無人機低空影像技術(shù)在水利地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用。

一、無人機低空影像技術(shù)概述

伴隨我國經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提升，我國科技實力也日漸雄厚，遙感技術(shù)與攝影測量的科學(xué)發(fā)展使得人類能夠使用低空、高空甚至外空的傳感器來獲得地表特征和各類影像數(shù)據(jù)，通過提取各種目標(biāo)事物的物理特征和信息，分析其形狀、位置、變化及其與環(huán)境的相互關(guān)系，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用在水利地質(zhì)災(zāi)害中具有重要意義。無人機產(chǎn)生于1917年，是一類不載人的飛行器，是用無線電遙控設(shè)備進(jìn)行操作控制的。無人機遙感技術(shù)主要是由無人飛行器平臺、較高分辨率的數(shù)碼傳感器、GPS導(dǎo)航定位及信息處理數(shù)據(jù)幾部分構(gòu)成的，并將計算機技術(shù)、GPS技術(shù)及信息處理技術(shù)相融合，通過利用無線電設(shè)備對飛行器進(jìn)行控制，以達(dá)到快速獲取信息的目的。

無人機低空影像技術(shù)起源于上世紀(jì)九十年代，是一種新的攝影測量技術(shù)。近年來，伴隨社會發(fā)展的需要，無人機技術(shù)開始在國家的大力支持下飛速發(fā)展起來，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷推廣。與衛(wèi)星、載人航空等獲取影像的技術(shù)相比，通過無人機技術(shù)獲取的影像具有高分辨率、經(jīng)濟性和實時性強的優(yōu)勢，對各種災(zāi)害的預(yù)防與控制具有極為重要的意義。

無人機的飛行數(shù)據(jù)是利用無線傳輸通道實時進(jìn)行傳輸?shù)?，地面監(jiān)控人員根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，可以更改無人機飛行路線，進(jìn)行擬定一份更為準(zhǔn)確的飛行路線并讓無人機繼續(xù)執(zhí)行指令。低空無人機影像測量技術(shù)主要是用于針對調(diào)查范圍較小的或者應(yīng)急性的調(diào)查任務(wù)，如水利地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測等等，其利用無人駕駛的特點，通過各種傳感器來獲取地面信息，在使用計算機技術(shù)進(jìn)行圖像處理，在對應(yīng)急性調(diào)查任務(wù)中，可有效降低人身安全風(fēng)險。

二、無人機低空影像技術(shù)的優(yōu)勢

（一）安全可靠性

伴隨近年來我國水利地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)，我國對水水利地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測愈加重視，隨著無人機低空影像技術(shù)的應(yīng)用于普及，在水利地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中越來越多的應(yīng)用無人機低空影響技術(shù)，這在很大程度上提高了對水利地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測效率。在對水利地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測中，利用無人機低空影像技術(shù)中的GPS定位系統(tǒng)可有效確定受災(zāi)地點的位置，利用無人機低空影像技術(shù)中的數(shù)碼傳感器可有效確保成像的效果，再結(jié)合其中的信息處理技術(shù)，可以更好的完成水利地質(zhì)監(jiān)測，提高監(jiān)測效率，確保監(jiān)測工作的安全性和科學(xué)性。

（二）成本較低

無人機低空影像技術(shù)在造價過程中明顯要比航拍飛機系統(tǒng)更為簡單。與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相比，利用無人機低空影像技術(shù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測時，能有效減少對人力物力資源的投入，因為傳統(tǒng)航拍監(jiān)測系統(tǒng)需要飛行員對飛機進(jìn)行操控，且該技術(shù)受天氣因素影響較大，如若在監(jiān)測過程中遇到暴雨天氣，還需考慮天氣因素帶來的損失。對無人機的操控只需相關(guān)人員對操作工作和技能的學(xué)習(xí)即可得到，另外，無人機搭載的設(shè)備科技含量較高，在實際的拍攝過程中會有較高的精確度和準(zhǔn)確性。

（三）靈活性較強，影像分辨度較高

與傳統(tǒng)航拍技術(shù)相比，無人機低空影像技術(shù)有較多優(yōu)勢，如：體型小、運行速度快等，無人機的靈活性較強，其可以在特定的局域性或者天氣不好的條件下進(jìn)行拍攝，無人機由于其體型較小，因此對下落方式及下落地點都沒有什么特殊要求，就傳統(tǒng)航拍而言，其體型較大，因此，在進(jìn)行下落時需找一個空曠的地方完成其下落工作。另外，無人機在拍攝過程中對圖像的處理技術(shù)要比傳統(tǒng)航拍更加細(xì)膩，不易受云層影響，一般來講，無人機的低空飛行高度超過50m，甚至達(dá)到100m，其測繪的精度也能達(dá)到1：1000的精度，其低空拍攝的影像分辨率極高。

三、無人機低空影像技術(shù)在水利地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

（一）在水利行業(yè)中的應(yīng)用

1. 水域環(huán)境動態(tài)監(jiān)測

在使用無人機進(jìn)行影像獲取時，前期準(zhǔn)備工作與傳統(tǒng)航空影像獲取相同，首先要根據(jù)水域環(huán)境選擇一個合適的飛行平臺，然后再對資料收集、測區(qū)踏勘、儀器設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)檢查，另外，對無人機低空影像獲取系統(tǒng)而言，還需測試其硬件設(shè)備，如機上發(fā)射部分、無線圖傳發(fā)射器和地面接收與顯示部分。前期準(zhǔn)備工作結(jié)束后，開始按照無人機航線設(shè)計實施飛行，對水域?qū)崟r動態(tài)監(jiān)測，采用空中三角技術(shù)對拍攝進(jìn)行糾正和修復(fù)，以有效防止拍攝過程中的漏洞，最后查明范圍內(nèi)水域的變化情況，根據(jù)所獲得的影響數(shù)據(jù)，分析當(dāng)前水域情況，進(jìn)而進(jìn)行合適的水域調(diào)查、水域管理及其他水域管理制度，實現(xiàn)對水域的信息化管理，進(jìn)而得到更為全面、清晰的影像資料。

2. 水土保持監(jiān)測

水土流失問題一直是我國長期關(guān)注的重點問題，進(jìn)行水土保持監(jiān)測是一項十分艱巨的任務(wù)，通過無人機低空遙感技術(shù)，借助無人機機動靈活的起降方式、自主飛行方式、快速響應(yīng)的多數(shù)據(jù)獲取能力，對完成水情監(jiān)測、河道走向、水庫監(jiān)測、洪災(zāi)區(qū)域檢查等具有重要意義。由于水利工程規(guī)模較大，對水域內(nèi)水土保持及水土流失情況進(jìn)行統(tǒng)計，若單純依靠人工處理，難以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過無人機低空影像技術(shù)，對土壤侵蝕定量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而來完成水土保持的研究。

（二）在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

1. 地質(zhì)災(zāi)害排查測評

通過采用無人機低空影像技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害排查測評時，為準(zhǔn)確得到相關(guān)數(shù)據(jù)，還需對無人機的拍攝數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，處理方式一般分為以下幾種：（1）利用野外可測控制點標(biāo)定變焦鏡頭，并對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行分析，解出攝像機的外參數(shù)，并進(jìn)行圖像的單幅糾正。（2）通過大比例尺的地形圖，選擇合適的控制點，按照攝影測量法進(jìn)行幾何糾正。最后得到相應(yīng)的地質(zhì)環(huán)境影像數(shù)據(jù)，再提取災(zāi)區(qū)地質(zhì)狀況的二維和三維圖像，實現(xiàn)對災(zāi)區(qū)地貌的全面展示。再充分借助無人機低空影像技術(shù)的GIS技術(shù)，針對災(zāi)區(qū)的內(nèi)地質(zhì)條件、氣候預(yù)測和植被破壞程度等進(jìn)行繪圖，利用GIS的空間分析能力，對地質(zhì)災(zāi)區(qū)情況進(jìn)行等級評定，從而方便后續(xù)救援工作的展開。

2. 對地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)事件的處理

對于突發(fā)事件，如果采用傳統(tǒng)航拍方式進(jìn)行繪測地形圖制作，不僅會浪費較多時間，浪費大量人力物力財力，還得不到應(yīng)有的效果，例如，在2008年汶川地震中，由于震區(qū)所處地形是山區(qū)，且多暴雨、多余震，環(huán)境較為惡劣，若在這樣的環(huán)境下采用傳統(tǒng)航拍對災(zāi)區(qū)所在地進(jìn)行地面影響的繪測，往往難度較大，獲取不及時，從而影響救災(zāi)進(jìn)程。利用無人機低空影像技術(shù)對災(zāi)區(qū)進(jìn)行地面影像繪測，其不受惡劣環(huán)境的影響，可以直接進(jìn)入災(zāi)區(qū)實施動態(tài)監(jiān)測，能讓人們在短時間內(nèi)得到災(zāi)區(qū)的基本信息，了解災(zāi)區(qū)當(dāng)前情況，為后續(xù)的災(zāi)區(qū)重建工作提供了有力的幫助。

四、結(jié)語

無人機低空影像技術(shù)作為一種新型的科學(xué)技術(shù)，在推動中國經(jīng)濟發(fā)展方面具有重要意義。且無人機具有靈活輕便的特點，在水利地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中具有較高的利用價值，將其應(yīng)用于該工程中，很大程度上降低了檢測成本，提高了監(jiān)測效率和監(jiān)測質(zhì)量，有效防止了各種水利地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，其作用不容小覷。