無人機遙感技術在水資源監(jiān)測中的應用

朱可　趙云輝　汪翡翠　閆浩

本文介紹了無人機遙感系統(tǒng)的組成及作業(yè)流程，首先利用無人機遙感系統(tǒng)的特點結(jié)合實際流域水資源監(jiān)測任務的需求，并通過實際案例凸顯無人機在流域水源監(jiān)測上的優(yōu)勢，最后對無人機遙感系統(tǒng)在流域水資源監(jiān)測上的應用前景進行探索。

無人機作為新興的航空遙感平臺，具有高效率、低成本等特點。無人機技術經(jīng)過了幾年的飛速發(fā)展，飛行穩(wěn)定性、起降環(huán)境、載重、飛行時間、飛行控制系統(tǒng)都取得了很大的進步。利用無人機搭載可見光相機配備專業(yè)的飛行控制軟件，組成無人機遙感系統(tǒng)。利用無人機遙感系統(tǒng)開展河流監(jiān)測，充分發(fā)揮無人機大航時的特點，可以快速獲取流域兩岸高分辨影像數(shù)據(jù)，極大程度上降低流域水資源調(diào)查成本。對無人機航空遙感成果進行專題分析，并將普查成果與實際應用相結(jié)合，提高流域普查和流域管理能力。

該流域水資源監(jiān)測的特點

該流域河水主要由冰雪融水補給，流域在每年冬季處于干枯狀態(tài)，每年5-6月隨著冰雪融化河流水位逐漸上升。此次監(jiān)測區(qū)域河流兩岸主要以從事農(nóng)業(yè)為主。流域遙感監(jiān)測目的主要為流域管理部門獲取河流兩岸農(nóng)業(yè)用水情況的普查。獲取流域內(nèi)引流渠、固定泵房、大河引水口、臨時水泵等用水設施的坐標位置，繪制通往調(diào)查點的道路，提取河道右側(cè)1km范圍內(nèi)的農(nóng)田分布、面積及坐標位置同時構(gòu)建流域信息數(shù)據(jù)庫，為流域管理部門進行水資源管理提供信息數(shù)據(jù)。

無人機航攝系統(tǒng)

設備選型

進行無人機航空遙感監(jiān)測時，根據(jù)任務區(qū)域的地理環(huán)境進行無人機系統(tǒng)的選擇。此次航空遙感監(jiān)測的任務區(qū)域內(nèi)建筑無較少、人員活動較少，同時由于此次監(jiān)測時機選擇流域枯水期，可在干枯河道內(nèi)進行無人機起降。由于流域監(jiān)測區(qū)域和監(jiān)測時間的要求，任務區(qū)域風力較大，不適合選用小型電動固定翼。綜合考慮監(jiān)測區(qū)域現(xiàn)場環(huán)境、監(jiān)測效率、無人機起降場地等因素，此次任務選擇采用大白固定翼無人機航攝系統(tǒng)，系統(tǒng)由無人機、航攝相機、飛行控制系統(tǒng)、地面站軟件、任務載荷等幾部分組成。固定翼無人機及主要參數(shù)如圖1和表1所示：

任務載荷為佳能5D MARK S相機，最大有效像素5060萬，采用35mm定焦鏡頭，搭配大白固定翼無人機，可適用于大比例正射影像快速數(shù)據(jù)采集。相機及主要參數(shù)如圖2和表2所示：

航線參數(shù)設計

本次任務的主要目的是進行流域兩岸偷水、排水情況的普查，需能從影像中分辨出偷水排水管道、水泵等設施，顧本次航攝要求影像分辨率優(yōu)于10cm。根據(jù)飛行高度、航攝相機焦距、航攝相機傳感器尺寸以及傳感器分辨率的關系在分辨率需求確定的情況下進行飛行高度計算。

計算公式如下：

f/H=ab/AB

（1）

m=AB/k

（2）

其中，廠為相機焦距;

H為航高;

ab為傳感器寬度;

AB為地面覆蓋寬度;

m為像元分辨率;

k為地面覆蓋寬度對應的像元數(shù)量;

像點位移計算如公式3所示：

c=w/m

（3）

其中，v為飛行速度;

t 為相機快門時間;

m為像元分辨率;

c為像點位移量;

根據(jù)航攝任務的實際目的及《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范 》航線規(guī)劃設計應按照以下原則：

（1）相片分辨率能夠優(yōu)于10cm;

（2）相片航向重疊度滿足不低于60%，旁向重疊度滿足不低于30%;

（3）全部有效相片中，滾轉(zhuǎn)角可滿足不大于12。，除轉(zhuǎn)彎區(qū)域外，最大氣象影響幅度下滾轉(zhuǎn)滿足不大于15。，出現(xiàn)超過8°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%;

（4）同一航線上相鄰像片的航高差可滿足不大于30m，航線高度容差可優(yōu)于5m：

（5）影像能夠清晰，原始相片或自動處理后的相片可辨認出與地面分辨率相適應的細小地物影像;影像上無大面積反光、污點等缺陷;

（6）因飛機地速的影響，在曝光瞬間造成的像點位移最大不超過1.5個像素;

（7）航線方向與測區(qū)長邊方向平行，以減少飛行航線數(shù)量;

（8）為保證測區(qū)內(nèi)完整的覆蓋度和成圖精度，航向覆蓋超出航攝邊界不少于2條基線，旁向覆蓋超出測區(qū)界限不少于像幅的30%;

無人機遙感監(jiān)測流程

無人機航攝作業(yè)過程分為前期準備階段、作業(yè)準備階段、飛行作業(yè)階段、數(shù)據(jù)處理階段和交付驗收階段。航攝任務的整體流程如圖4所示：

無人機遙感系統(tǒng)監(jiān)測特點

使用成本低

大白無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化組裝，操作簡單，運輸方便。無人機采用滑跑起飛及降落，在緊急情況下可進行散降，起降距離小于50m，無人機飛行高度最高不超過3000m，無人機機組人員標配為3人。

作業(yè)效率高

大白固定翼無人機系統(tǒng)翼展3m，載重5kg，有效作業(yè)時長3h，巡航速度100km/h。搭載佳能5D MARK S相機時，獲取優(yōu)于10cm分辨率的原始影像數(shù)據(jù)時，單架次覆蓋面積可達50kIT12，對于大面積流域監(jiān)測具有獨特優(yōu)勢。

系統(tǒng)穩(wěn)定性強

大白無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)配合專業(yè)的地面站軟件，抗風能力優(yōu)于6級，無人機姿態(tài)穩(wěn)定，從而保障航測作業(yè)中獲取的無人機原始影像質(zhì)量?？蓾M足大比例尺正射影像圖的航測需求。

無人機遙感系統(tǒng)在流域水資源監(jiān)測中的應用情況

利用無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)效率高的優(yōu)點，在枯水期特別是流域主管部門關心的農(nóng)田灌溉前期進行流域遙感監(jiān)測，快速獲取流域內(nèi)的無人機遙感影像數(shù)據(jù)。無人機可以實現(xiàn)20km河流流域兩岸各1000m范圍內(nèi)一天內(nèi)快速覆蓋且成果分辨率優(yōu)于8cm。通過處理后獲得高分辨率的遙感影像圖，對遙感影像圖進行專題分析，提取流域主管部門關系的大河內(nèi)引流渠、固定泵房、大河引水口、臨時水泵等用水設施及兩岸農(nóng)田及道路信息并構(gòu)建專題信息數(shù)據(jù)庫。為流域主管部門執(zhí)法排查提供詳細的數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)成果

針對此次項目的具體需求，2017年4月利用固定翼無人機遙感系統(tǒng)快速獲取該流域區(qū)段內(nèi)15km河流及河流兩岸各1km范圍內(nèi)無人機遙感影像數(shù)據(jù)，影像分辨率為7cm，成果照片數(shù)量4619張。根據(jù)河流主管部門需求，該獲取時間段為農(nóng)田種植密集區(qū)。通過處理獲取的無人機遙感影像數(shù)據(jù)制作了分辨率為7cm的1：1000高分辨率正射影像圖（ DigitalOrthophoto Map，DOM）。根據(jù)該區(qū)段流域主管部門的需求，對獲取的正射影像數(shù)據(jù)進行專題分析。獲取流域內(nèi)引流渠、固定泵房、大河引水口、臨時水泵、農(nóng)田以及通往用水設施的道路等信息進行專題提取。建立專題分析數(shù)據(jù)庫，生成監(jiān)測區(qū)域?qū)ｎ}信息圖（圖5）。此次共提取得到用水設施93個，其中臨時水泵5處、固定泵房14處、固定水泵53處、大河引水口9處、水管12處、提取兩岸農(nóng)田信息總塊數(shù)627塊、農(nóng)田總面積45881.98畝并繪制該區(qū)域內(nèi)交通路線圖。

成果應用及完善

將無人機遙感系統(tǒng)獲取的流域水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)庫進行格式轉(zhuǎn)換加載到手機導航軟件戶外助手當中，流域管理部門執(zhí)法人員根據(jù)水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中標注的信息進行逐一排查并將所標注信息的權(quán)屬信息添加到水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中，對數(shù)據(jù)庫進行完善。構(gòu)建最終的水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，為水資源管理合理調(diào)配，用水情況實施掌握提供有力的數(shù)據(jù)支持。

在實際現(xiàn)場核查的過程中，核查人員根據(jù)標注信息進行核查，核查準確性和完整性得到了質(zhì)的提高。通過實際核查，現(xiàn)場核查人員以前通過人眼核查，無法發(fā)現(xiàn)的隱蔽偷水排水口被準確發(fā)現(xiàn)、依法取證。同時借助于無人機遙感成果數(shù)據(jù)準確的定位精度，取代了以往的手持GPS較低的定位精度，使得用水設施點位精度的準確性得到了較大的提升。以往測量成果的位置不準、面積不準的問題得到了根本性的解決。

通過流域主管部門的實際檢驗，無人機遙感系統(tǒng)在流域水資源監(jiān)測上的應用得到了充分的肯定，建立了初步的流域用水設施數(shù)據(jù)庫，流域兩岸農(nóng)田信息數(shù)據(jù)庫，流域兩岸道路信息數(shù)據(jù)庫。推動該區(qū)域流域水資源管理由電子表格向二維電子地圖數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)變，提高了流域水資源管理的綜合能力。

總結(jié)及展望

通過此次任務充分驗證了無人機遙感系統(tǒng)在流域水資源監(jiān)測中的實際價值。通過無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)建立的水資源監(jiān)測管理數(shù)據(jù)庫極大提高了水資源管理的綜合能力。通過此次項目驗證有利于流域管理單位建立整條流域的水資源管理數(shù)據(jù)庫，通過無人機定期巡檢、定期數(shù)據(jù)更新、快速應急響應等，構(gòu)建完整的可變的水資源管理數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫后期可接入網(wǎng)絡智能水流監(jiān)測設備、智能水泵、智能電表等設備，可實現(xiàn)用水的實時掌控。流域水資源管制水平將得到質(zhì)的提升。

（參考文獻：略。如有需要，請聯(lián)系編輯部。）