小型無人機在水利工程勘測中的應用

丁遵隆 嚴利燕

摘 要：無人機行業(yè)發(fā)展迅速，在水利工程勘測項目中，有很多環(huán)節(jié)實際使用無人機進行工作。本文結合行業(yè)發(fā)展趨勢，對無人機在水利工程中的應用情況及其可以實現(xiàn)的內(nèi)容進行了調查，現(xiàn)作如下表述，希望能對相關行業(yè)有一定的借鑒作用。

關鍵詞：小型無人機;水利工程;勘測;應用

中圖分類號：TV221? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）09-0103-03

水利工程是為了控制、利用和保護地表及地下水資源與環(huán)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(nóng)田水利、水力發(fā)電、航道和港口工程、供水和排水工程、環(huán)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(guī)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(xiàn)自主飛行與低空飛行，較好地契合了小型水利工程的規(guī)模小，技術人員少的特點。

小型無人機系統(tǒng)，通常由飛行平臺、傳感器系統(tǒng)、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(tǒng)、聲像系統(tǒng)、光電系統(tǒng)等實現(xiàn)更多功能，具有成本低、機動靈活、影像實時傳輸、高危地區(qū)探測等特點[2]。目前，小型無人機已經(jīng)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(qū)、線狀工程的現(xiàn)場勘查航拍;②制作全景VR產(chǎn)品。

1.1現(xiàn)場查勘

丘陵、山區(qū)地帶的水利項目的特點是現(xiàn)場作業(yè)條件較差、交通不便，而需要查勘、了解的信息較多。傳統(tǒng)作業(yè)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(qū)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(tǒng)作業(yè)模式的缺點?？辈烊藛T攜帶無人機作業(yè)，相當于在項目空中多了一雙眼睛，小型無人機已經(jīng)可以做到7km的無線圖傳信號，在實際山區(qū)操作過程中，可以實現(xiàn)1km以內(nèi)的安全飛行，可以對項目區(qū)現(xiàn)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(tǒng)現(xiàn)場勘查不能很好地了解工程全貌，需要多人多次到現(xiàn)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(xiàn)場面貌進行航拍視頻拍攝，數(shù)據(jù)獲取簡便，效率高。此類線狀工程的現(xiàn)場查勘，特別適合用無人機作為輔助手段。

數(shù)據(jù)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(nèi)業(yè)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(shù)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(chǎn)品制作

VR全景，是將相機環(huán) 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(xiàn)全方位的真實場景還原，并可以進行互動[3]。

專業(yè)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(shù)據(jù)獲取，根據(jù)無人機攜帶的鏡頭參數(shù)，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(jié)完善。制作完成后的全景圖可以上傳到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(chǎn)品（DEM、DOM、DLG、DRG）生產(chǎn)為最終目標的數(shù)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(chǎn)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(guī)范劃分航測分區(qū)及航線，設置航拍參數(shù)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(guī)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(yè)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(yè)數(shù)據(jù)采集便完成了，相比傳統(tǒng)測量方法，極大地節(jié)約了人力、物力。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，使用Pix4Dmapper軟件。Pix4Dmapper 無人機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)解決了無人機數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量大等問題， 實現(xiàn)了無人機數(shù)據(jù)處理的快速、自動化、專業(yè)化的高精度處理， 無需專業(yè)知識，無需人工干預，即可將數(shù)千張影像快速制作成專業(yè)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(shù)字表面模型DSM、數(shù)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(shù)據(jù)處理時，加入外業(yè)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(shù)字線劃圖DLG，成果精度經(jīng)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(tǒng)測繪工作流程更優(yōu)，效率更高。

制作完成的3D產(chǎn)品，可以有效地應用在水利工程建設的各個階段。DLG是傳統(tǒng)的測繪地形圖，是設計的基礎資料;DOM正射影像，具有地圖幾何精度和影像特征，可以使設計人員更加直觀地了解到現(xiàn)場情況;DEM成果，可以應用于水利規(guī)劃，河流治理、水庫工程等[7]。數(shù)字測繪3D產(chǎn)品能定性又定量地全面反映工程現(xiàn)場的情況，是勘察設計及后期施工的基礎資料。如圖2所示。

3傾斜攝影測量

傾斜攝影是近幾年發(fā)展起來的一項高新技術，改變了傳統(tǒng)正射影像DOM相機垂直拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺影像傳感器，從不同角度采集影像，更加真實地反映地物的實際情況。該技術可以快速、高效獲取客觀豐富的地面數(shù)據(jù)信息[8]。

隨著科技發(fā)展，測繪行業(yè)的產(chǎn)品不僅局限于二維地圖和定位導航，傳統(tǒng)航空攝影測量成果主要體現(xiàn)在4D產(chǎn)品上，而傾斜攝影測量除了能生產(chǎn)傳統(tǒng)的4D產(chǎn)品外，主要產(chǎn)品還包括真三維場景和數(shù)字表面模型，可以給用戶帶來更逼真的感官體驗，更直接、更廣泛地用于地理信息各個領域[9]。

使用傾斜攝影測量技術進行測繪，與傳統(tǒng)攝影測量方法相似，在外業(yè)航拍時，航空攝影測量是以像片傾角小于2°～3°的豎直航空攝影像片為原數(shù)據(jù)，而傾斜攝影測量則是除豎直航空攝影像片之外，增加了多個傾斜等不同角度采集的影像，這一部分影像既可以通過一臺無人機搭載多臺傳感器進行一架次航拍獲得，也可以通過一臺無人機搭載一臺傳感器進行多架次飛行獲得。

在完成數(shù)據(jù)獲取后，使用Bentley ContextCapture軟件進行無人機傾斜攝影實景三維建模，該軟件通過空中三角測量、生成密集點云以及構建TIN模型、自動紋理切片映射等環(huán)節(jié)生成三維實景模型，自動化程度高，人工干預少，生產(chǎn)成本低，高效快速[10]。成果包括開放格式3MX、自有格式S3C、OSJB、Esri i3s scene database格式等，其中Esri i3s scene database格式成果可以對接到ArcGis中使用，OSJB格式可以應用于EPS地理信息工作站，通過該工作站制作4D測繪產(chǎn)品?；趦A斜攝影測量可以進行大比例尺地形圖測繪，制作完成的大比例尺地形圖可以滿足1：500大比例尺地形圖測量要求[11]。其他處理后的數(shù)據(jù)可用于數(shù)字地圖和表面建模、質量和體積計算以及建筑信息建模（BIM）。

在水利工程中，結構復雜的水工建筑物安全鑒定及除險加固，需要對建筑物形體進行全面測量，傳統(tǒng)測量工作中全站儀可以完成該項工作，但需要外業(yè)多次架設儀器，多角度對建筑物立面、剖面等進行數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)對數(shù)據(jù)進行整理繪圖。但是由于傳統(tǒng)的平面、斷面圖較為抽象，成果不夠直觀，需要技術人員有較高的專業(yè)技能才能讀懂，增加了很多溝通成本。而傾斜攝影建模通過無人機外業(yè)獲取的影響數(shù)據(jù)完成三維建模，不僅可以清晰展示建筑物的輪廓、表面紋理，還可以實現(xiàn)對建筑物的立體量測。設計人員使用Acute 3D Viewer軟件，就能直觀地看到建筑物的情況，針對需要的信息就是數(shù)據(jù)獲取，了解建筑物、項目區(qū)的各項參數(shù)。還可以通過Portal for ArcGIS 將傾斜攝影模型發(fā)布成Web service，以支持網(wǎng)頁及App形式的訪問和搭建使用。

無人機傾斜攝影建模生成的實景三維建模還可以在工程建設過程中為各種分析和評估提供依據(jù)。精確的地形規(guī)劃項目和管理是確保項目質量的重中之重，而在傳統(tǒng)測繪方式中，獲取高精度測繪成果往往意味著高昂的時間、人員和設備成本。小型無人機技術的發(fā)展，為傳統(tǒng)勘測行業(yè)帶來了技術革新與進步。

4結束語

小型無人機是一項具有天然優(yōu)勢的高科技技術。針對小型水利工程的相關應用，對水庫勘測行業(yè)大有裨益，提高了生產(chǎn)效率，然而當下我們使用的小型無人機仍然存在續(xù)航時間短、精度低、智能化不足等問題，需要進行改善。未來，無人機通過與其他行業(yè)的交流，相信無人機在水利工程中的應用會更多，也會產(chǎn)生更多尚未開發(fā)的功能。

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