淺析無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)在水電行業(yè)中的應(yīng)用

王 增 竹

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)是最近發(fā)展迅速的一種新技術(shù)，它是利用輕型無(wú)人機(jī)搭載專(zhuān)業(yè)相機(jī)，獲取目標(biāo)區(qū)域的高清影像的技術(shù)。相比傳統(tǒng)影像獲取方法，無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)具有效率高、成本低、作業(yè)范圍廣、拍攝角度獨(dú)特、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到影視廣告制作、信息監(jiān)測(cè)和其他需要高清影像的專(zhuān)業(yè)中[1-2]。

水電是清潔能源，具有可再生、無(wú)污染、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)大力發(fā)展的一種能源形式。水電站多分布在西部高山峽谷等水能資源蘊(yùn)藏豐富的地區(qū)，自然條件相對(duì)惡劣，傳統(tǒng)攝影方法難以及時(shí)有效地獲取數(shù)據(jù)。采用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，可以在復(fù)雜的環(huán)境中快速獲取高清影像數(shù)據(jù)，提高效率。通過(guò)對(duì)影像進(jìn)行矯正和后續(xù)處理，可以得到高精度的正射影像(DOM)和三維模型，廣泛地應(yīng)用于電站規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)維等各個(gè)階段[3-4]。

1 無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)簡(jiǎn)介

無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle)是一種由無(wú)線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱的無(wú)人駕駛飛行器。它最早出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代，當(dāng)時(shí)是作為訓(xùn)練用的靶機(jī)使用的，軍事上使用較多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)和數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，目前，無(wú)人機(jī)上加載GPS 、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備后，應(yīng)用在航空攝影測(cè)量、地球物理勘探、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、土地利用調(diào)查等民用領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要的作用[5]。

無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，以獲取高分辨率數(shù)字影像為應(yīng)用目標(biāo)，以自動(dòng)駕駛飛機(jī)為飛行平臺(tái)，以高分辨率數(shù)碼像機(jī)位傳感器，最終獲取小面積、真彩色、大比例尺、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的航測(cè)遙感數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)，具有“三高一低”的重要特性，即高機(jī)動(dòng)性、高分辨率、高度集成、低成本。

無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)的組成主要包括：飛行器、控制站和通訊鏈路等，如圖1所示。其中飛行器中的飛控系統(tǒng)(飛行管理和控制系統(tǒng))是無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)的核心，對(duì)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確度、實(shí)時(shí)性等都有重要影響，對(duì)飛行性能起著決定性的作用。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以保證對(duì)遙控指令的準(zhǔn)確傳輸，以及無(wú)人機(jī)接收、發(fā)送信息的實(shí)時(shí)性和可靠性，以保證信息反饋及時(shí)有效，順利、準(zhǔn)確地完成任務(wù)[3]。

圖1 無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)的組成

無(wú)人機(jī)按照尺度大小可以分為輕型(7 kg以下)、小型(7～116 kg)和大型(116～5 700 kg)三類(lèi)。按照任務(wù)高度可分為超低空(0～100 m)、低空(100～1 000 m)、中空(1 000～7 000 m)、高空(7 000～18 000 m)和超高空(大于18 000 m)等。按照無(wú)人機(jī)產(chǎn)生升力的原理可以分為氣球、飛艇、固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)和撲翼機(jī)等類(lèi)型。現(xiàn)在無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)多采用輕型固定翼或旋翼無(wú)人機(jī)，在中低空范圍內(nèi)作業(yè)。固定翼和旋翼無(wú)人機(jī)的比較見(jiàn)表1。

表1 固定翼和旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)比[3]

無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)在水電行業(yè)的應(yīng)用，主要包括高清影像和三維模型兩個(gè)方面的應(yīng)用，下面將分別闡述。

2 無(wú)人機(jī)航拍高清影像的應(yīng)用

2.1 全景影像

全景影像技術(shù)(Panoramic Photography Technology)，是指拍攝能夠呈現(xiàn)360°完整場(chǎng)景范圍照片的技術(shù)，通過(guò)視角的變換，可以讓人身臨其境，其實(shí)現(xiàn)方法主要是使用相機(jī)環(huán)360°拍攝的一組或多組照片，進(jìn)而拼接成一個(gè)全景圖像。全景影像技術(shù)具有真實(shí)性強(qiáng)，播放設(shè)備硬件要求低，導(dǎo)覽性、交互強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。它可以應(yīng)用于各種商品的廣告與推銷(xiāo)、遠(yuǎn)程教學(xué)、旅游業(yè)、新聞機(jī)構(gòu)、娛樂(lè)業(yè)、多媒體演示、建筑業(yè)、古建筑藝術(shù)等。

通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)拍攝的水電站的多組照片，合成水電站的全景圖像，可以直觀地看到水電站工程的全貌，并且能夠根據(jù)不同的需要輸出特定角度的照片，不需要無(wú)人機(jī)復(fù)飛，大大擴(kuò)展了無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的應(yīng)用范圍。最終生成的全景成果通過(guò)第三方平臺(tái)(如騰訊全景、720云等)展示，平臺(tái)中提供自定義熱點(diǎn)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)場(chǎng)景的快速切換和訪問(wèn)。全景成果也可以生成本地FLASH和HTML文件，作為匯報(bào)展示的素材。另外，通過(guò)與VR技術(shù)相結(jié)合，可以制作沉浸式全景漫游、虛擬街景等產(chǎn)品，借助于VR頭盔等硬件實(shí)現(xiàn)更好地展示效果。

圖2 全景影像制作流程和應(yīng)用場(chǎng)景

圖3 以720云為平臺(tái)的全景影像展示系統(tǒng)

2.2 無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)

無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)主要是利用無(wú)人機(jī)的影像實(shí)時(shí)傳輸、高分辨率、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)區(qū)域特別是人無(wú)法到達(dá)的高危區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，它能夠及時(shí)獲取目標(biāo)區(qū)域的影像信息，并根據(jù)需要錄制相應(yīng)視頻。無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)在水電行業(yè)的應(yīng)用主要包括地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、江湖河道監(jiān)測(cè)、輸電線路巡檢和環(huán)保水保監(jiān)測(cè)等[3-5]。

水電站周邊環(huán)境復(fù)雜，易發(fā)生地震、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。由于交通不便，人工拍攝地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)難度較大且視角有限。采用無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)，機(jī)動(dòng)快速、成本低，可以多角度拍攝，大大減輕人工拍攝的壓力，為消除隱患和災(zāi)后救援提供第一手可靠資料。2018年10月11日3時(shí)，金沙江川藏交界江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)白格村發(fā)生山體滑坡，導(dǎo)致金沙江斷流并形成堰塞湖。在搶險(xiǎn)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)航拍及時(shí)傳回滑坡現(xiàn)場(chǎng)圖片，為應(yīng)急救援及災(zāi)害防護(hù)提供了可靠依據(jù)。

無(wú)人機(jī)搭載的遙感數(shù)據(jù)采集、接收和處理等軟硬件，可以對(duì)湖泊水庫(kù)、河流河道的有關(guān)信息進(jìn)行快速獲取，為水利部門(mén)及環(huán)保部門(mén)提供方便、快捷、多角度的監(jiān)控信息。聶喆[1]等開(kāi)展了無(wú)人機(jī)對(duì)黃河河道冰凌航拍工作，具有穩(wěn)定性好、起降靈活、安全性高、實(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用無(wú)人機(jī)遙感影像進(jìn)行凌汛險(xiǎn)情調(diào)查與堤防病害識(shí)別，具有人力成本低、時(shí)間快、復(fù)查周期短，可以迅速發(fā)現(xiàn)或更新凌汛險(xiǎn)情及堤防病害的發(fā)生、發(fā)展和變化情況等優(yōu)點(diǎn)。

超/特高壓輸電線路輸送距離長(zhǎng)、塔架高并穿越大量深山大河，自然條件復(fù)雜多變。傳統(tǒng)的輸電線路巡檢采用人工(裸眼目視或攜帶設(shè)備)地面觀察或登桿(塔)排查等傳統(tǒng)手段，不僅受自然條件制約，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，人身安全存在隱患，巡檢效率低。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的日趨完善，以無(wú)人飛行器為巡檢載體、地面監(jiān)控設(shè)備為支撐的輸電線路巡檢系統(tǒng)，因具有廣覆蓋、高效率、高可靠、低風(fēng)險(xiǎn)和低成本的優(yōu)勢(shì)，正在受到愈來(lái)愈廣泛的關(guān)注。楊成順等[6]研究了基于多旋翼無(wú)人機(jī)的輸電線路智能巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)已在輸電線路巡檢中初步應(yīng)用，結(jié)果表明其能夠高效、自主、準(zhǔn)確識(shí)別并診斷特高壓輸電線路的典型缺陷與故障。

水土保持監(jiān)測(cè)是借助多種手段，采取綜合性的方式，從水土資源的保護(hù)、維護(hù)資源的可持續(xù)利用以及維持良好生態(tài)環(huán)境出發(fā)，對(duì)造成水土流失的成因，水土流失的數(shù)量、影響范圍、強(qiáng)度、造成的危害以及防治的成效等指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。隨著無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)不斷成熟和完善，它在水土保持監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用的越來(lái)越廣泛。梁志鑫等[7]提出運(yùn)用無(wú)人機(jī)技術(shù)結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)展生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)新方法，以提高生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)的效率、精度及自動(dòng)化程度。其主要工作流程為：先獲取高清影像，然后利用遙感影像處理軟件對(duì)影像進(jìn)行拼接、糾正、調(diào)色等處理；通過(guò)野外調(diào)查，建立解譯標(biāo)志；依據(jù)解譯標(biāo)志針對(duì)影像提取植被覆蓋度及土地利用信息；利用GIS坡度分析功能從DEM數(shù)據(jù)空間分析獲取坡度信息。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用

3.1 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過(guò)在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器(如圖4所示，目前常用的是五鏡頭相機(jī))，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱(chēng)為正片(一組影像)，鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的影像稱(chēng)為斜片(四組影像)[8]。

圖4 傾斜攝影相機(jī)和影像獲取示意

傾斜攝影獲取的影像經(jīng)過(guò)糾偏和后續(xù)加工處理，通過(guò)專(zhuān)用測(cè)繪軟件可以生產(chǎn)傾斜攝影模型。相對(duì)于正射影像，傾斜影像模型能讓用戶從多個(gè)角度觀察地物，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，極大地彌補(bǔ)了基于正攝影像應(yīng)用的不足。傾斜攝影技術(shù)生成的三維模型和局部細(xì)節(jié)見(jiàn)圖5。通過(guò)配套軟件的應(yīng)用，可直接基于成果影像進(jìn)行包括高度、長(zhǎng)度、面積、角度、坡度等的量測(cè)，擴(kuò)展了傾斜攝影技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用。此外，相較于三維GIS技術(shù)應(yīng)用龐大的三維數(shù)據(jù)，應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)獲取的影像的數(shù)據(jù)量要小得多，其影像的數(shù)據(jù)格式可采用成熟的技術(shù)快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)共享應(yīng)用[9]。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果，直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實(shí)效果和測(cè)繪級(jí)精度提供保證。同時(shí)有效提升模型的生產(chǎn)效率，采用人工建模方式一兩年才能完成的一個(gè)中小城市建模工作，通過(guò)傾斜攝影建模方式只需要3～5個(gè)月時(shí)間即可完成，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟(jì)代價(jià)和時(shí)間代價(jià)。

圖5 傾斜攝影技術(shù)生成的三維模型和局部細(xì)節(jié)

3.2 傾斜攝影技術(shù)在水電行業(yè)的應(yīng)用

傾斜攝影技術(shù)在水電行業(yè)的應(yīng)用主要包括兩個(gè)方面：一是在高精度的三維模型上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度、角度和體積等物理量的測(cè)量，得到相關(guān)的工程量；二是基于實(shí)景模型，為水電站的運(yùn)維和管理提供真實(shí)可靠的平臺(tái)。

通過(guò)專(zhuān)業(yè)的GIS軟件(如超圖的SuperMap)，可以基于傾斜攝影三維模型進(jìn)行多個(gè)物理量的測(cè)量。如石料場(chǎng)的開(kāi)挖，通過(guò)對(duì)模型的前后對(duì)比，快速得到開(kāi)挖量等信息，為工程建設(shè)提供依據(jù)。此外，還可以通過(guò)格式轉(zhuǎn)換(見(jiàn)圖6)，將三維模型導(dǎo)入到專(zhuān)業(yè)三維軟件(如CATIA)中，基于模型得到更多的數(shù)據(jù)。王慶棟等[10]研究了利用傾斜攝影和3ds Max技術(shù)之間的對(duì)接，將兩種軟件的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，提供一種實(shí)用、快捷高效、半自動(dòng)的建模方案。

圖6 傾斜攝影三維模型與專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)接

傾斜攝影技術(shù)生成的三維模型，具有豐富的可視細(xì)節(jié)，與現(xiàn)在的地形貼圖模型相比，真實(shí)度更高，可以為水電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)維管理提供逼真的平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)對(duì)從規(guī)劃到建設(shè)和運(yùn)維的全過(guò)程“一張圖”管理，為智慧電站信息服務(wù)建設(shè)注入全新的活力[11]。另外，由于傾斜攝影三維模型真實(shí)度高，可以在突發(fā)自然災(zāi)害(如地震、泥石流、滑坡)時(shí)，提供第一時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)影像，從而為救災(zāi)提供指導(dǎo)。

依托無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的不斷進(jìn)步，傾斜攝影技術(shù)在近兩年發(fā)展迅速，但它也存在著數(shù)據(jù)量大、軟硬件投入高、單體化較困難和細(xì)節(jié)需修補(bǔ)等問(wèn)題，例如，進(jìn)行空三處理的軟件價(jià)格較高，硬件上需要購(gòu)置計(jì)算能力強(qiáng)的服務(wù)器等，這些都在一定程度上限制了其在水電行業(yè)的應(yīng)用。相信隨著技術(shù)的不斷革新，傾斜攝影技術(shù)會(huì)為水電行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)更大的力量。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)具有機(jī)動(dòng)靈活、成本較低、圖像清晰等優(yōu)點(diǎn)，基于無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)獲得的高清影像和三維模型，在水電行業(yè)中有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但它的缺點(diǎn)也不容忽視，如飛行受天氣因素影響較大，大風(fēng)雨雪天氣無(wú)法工作，在高海拔地區(qū)續(xù)航衰減嚴(yán)重，影像存在畸變需要后期修正等。如何充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)航拍的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)展在行業(yè)中的應(yīng)用，是今后水電信息化工作思索和努力的方向。