無人機低空遙感技術(shù)在水利工程運行管理中的應(yīng)用研究＊

邱俊杰，沈小平，楊 兢，林 杰

（1.湖州市直屬水利工程運行管理所，浙江 湖州 313000；2.浙江云來集科技有限公司，浙江 湖州 313000）

近年來全球氣候變化對人類的生活造成影響，也給水資源和水利工程的管理帶來了挑戰(zhàn)。由于水利工程往往分布范圍廣、距離長、地形地貌非常復(fù)雜，在對水利工程尤其是河道堤防工程上的日常長效監(jiān)管中往往存在大量盲區(qū)，許多問題無法及時發(fā)現(xiàn)并得到解決。無人機具有體積小且機動性較強，不受時間空間限制，具備數(shù)據(jù)采集全面、時效性高、精度強、自動化信息化程度高、可重復(fù)性強、性價比高等優(yōu)點，可有效彌補和避免現(xiàn)有水利工程監(jiān)管方式所存在的不足，帶來監(jiān)管效能上質(zhì)的提升。

1 背景

無人機低空遙感技術(shù)是集先進的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)為一體的新型應(yīng)用技術(shù)，它是繼衛(wèi)星遙感和常規(guī)航空遙感技術(shù)之后的新興發(fā)展方向，發(fā)展?jié)摿薮蟆，F(xiàn)階段，無人機低空遙感技術(shù)主要被應(yīng)用于國土資源調(diào)查、自然災(zāi)害監(jiān)測與評估、生態(tài)環(huán)境保護等方面，而針對水利行業(yè)尤其是水利工程運行管理方面的應(yīng)用研究還較少，尚處于起步階段。李德偉等利用無人機技術(shù)，對水域?qū)嵤﹦討B(tài)監(jiān)測，能夠及時掌握一定范圍內(nèi)水域的變化情況，通過得到的水域數(shù)據(jù)來做一些相關(guān)分析如水域調(diào)查、水域統(tǒng)計及其他管理制度，逐步實現(xiàn)水域信息管理智能化。張君等利用無人機遙感技術(shù)，來調(diào)查土壤侵蝕程度，從而完成水利工程實施范圍內(nèi)的水土保持的研究。林順海等將無人機低空遙感技術(shù)應(yīng)用于“河長制”的長效管理中，利用無人機航拍影像，對河湖污染源、水域污染區(qū)域、水面漂浮物等情況進行檢查和復(fù)核，并對非法占用水域、圍墾湖泊、非法采砂、突發(fā)性洪水等現(xiàn)象進行實時動態(tài)監(jiān)控。雖然全國小部分地區(qū)及科研院所已經(jīng)開始將無人機及低空遙感技術(shù)試用于水利領(lǐng)域的長效監(jiān)管中，但均處于探索試點階段，除了無人機低空遙感技術(shù)自身不斷提升完善外，如何將其與現(xiàn)有的監(jiān)管模式體系相結(jié)合，取長補短、協(xié)同發(fā)展，從而讓現(xiàn)代水利工程的長效監(jiān)管更全面、高效、快捷、準確、智能，是未來智慧水利的重點研究應(yīng)用方向。

2 無人機低空遙感技術(shù)的特點

分析無人機低空遙感技術(shù)，其主要包含以下幾方面的特點：①快速機動的系統(tǒng)響應(yīng)能力。無人機飛行器起落時間較短，操作方便且易于運輸，設(shè)備搭載的遙感系統(tǒng)能夠?qū)ΡO(jiān)測區(qū)快速采集數(shù)據(jù)，對復(fù)雜地形和危險區(qū)域擁有較強的響應(yīng)能力。②基于高清影像和精準定位的數(shù)據(jù)采集能力。影像收集系統(tǒng)能夠拍攝出更加清晰的影像資料，定位更加精準，可對監(jiān)測目標展開單波或多波等角度拍攝，為水利工程運行管理提供直觀信息。③多項任務(wù)兼顧的設(shè)備拓展能力。無人機除了擁有低空遙感系統(tǒng)，還搭載了各種小型遙感系統(tǒng)，比如攝像頭、熱成像監(jiān)測儀以及雷達系統(tǒng)等，這些遙感系統(tǒng)可以進一步優(yōu)化監(jiān)測功能。④運行成本低，可以滿足預(yù)期測量精度需求。無人機低空遙感系統(tǒng)在應(yīng)用時具有體積小、材料成本低、系統(tǒng)架構(gòu)簡單的優(yōu)勢，與其他遙感系統(tǒng)相比，無人機低空遙感維護成本低廉，操控起來更加便利。除了可以發(fā)揮航拍的作用，無人機低空遙感系統(tǒng)還可以達到后期數(shù)據(jù)處理的精度要求，系統(tǒng)原始相片最高分辨率大約在10 cm以內(nèi)，影像成果需要達到1∶2 000的成圖精度，可以滿足水利工程建設(shè)中重要地形的高精度測量分析[1]。

3 無人機低空遙感技術(shù)在水利行業(yè)的主要應(yīng)用范圍

3.1 在水域動態(tài)監(jiān)測方面

隨著國內(nèi)自然經(jīng)濟的發(fā)展，過去采集到的水系資料和流域信息已經(jīng)無法反映當(dāng)前最真實的水系發(fā)展情況。采用無人機低空遙感技術(shù)，重新對水域作出數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測水域流域情況，在節(jié)約人力、物力的同時，完成資料的變更與更新。針對水域使用情況和邊界劃分狀態(tài)，采用無人機低空遙感技術(shù)作出全方位測量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理生成數(shù)字影像水域地形圖，確立不同機構(gòu)的聯(lián)控系統(tǒng)，對水域類型、面積等數(shù)據(jù)實施信息共享，完成各級數(shù)據(jù)的自動交換。

3.2 在防災(zāi)減災(zāi)方面

無人機低空遙感技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)方面的應(yīng)用主要有以下幾個方面：①定期監(jiān)測老舊或高危水利設(shè)施。在水利工程防汛方面，無人機可代替人工穿越高危地區(qū)，監(jiān)測大壩、水庫以及堤防等險工地段，減少人員查看危險，方便水利設(shè)施檢測。②提升預(yù)警與監(jiān)測水平。采用航拍正射影響與數(shù)字高程模型，結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)生成三維模型，對災(zāi)害過程作出模擬，確立預(yù)警數(shù)據(jù)庫。比如防洪指揮系統(tǒng)按照假設(shè)的水位高程生成淹沒區(qū)，計算受災(zāi)面積。③提供實時災(zāi)情信息。結(jié)合無人機遙感影像了解災(zāi)情分布情況，防止決策不合理，以便及時制定救災(zāi)指揮措施，防止災(zāi)害救助工作過于盲目。④對災(zāi)害損失作出評估。對比災(zāi)害發(fā)生前后的影像數(shù)據(jù)，在無人機遙感技術(shù)的應(yīng)用下，對災(zāi)害作出判斷，以此作為災(zāi)后重建的參考依據(jù)[2]。

3.3 在外業(yè)調(diào)查調(diào)繪方面

一般情況下，應(yīng)用無人機低空遙感技術(shù)進行外業(yè)調(diào)查的地區(qū)多為復(fù)雜區(qū)域，甚至是無人區(qū)，要求區(qū)域內(nèi)相對高差較小。在滿足測量精度的前提下，使用無人機測量技術(shù)，通過高分辨率攝像頭拍攝實景照片，再利用影像遙感的形式完成地形圖測繪分析，經(jīng)過定位系統(tǒng)、單雙鏡頭、激光雷達等測量設(shè)備的搭載，實現(xiàn)高精度、高效率測圖任務(wù)。而在對水工建筑物進行測量時，受到測量空間、環(huán)境等限制常規(guī)地面方式無法獲取準確數(shù)據(jù)和較高精度時，可采用無人機低空遙感技術(shù)對工程重要區(qū)域作出補測，比如水庫壩頂高層、溢流堰堰頂高層、臨水坡腳高程位置的測量。另一方面為地形圖調(diào)繪，應(yīng)用無人機三維軟件將影像拼接成型，對測量區(qū)域展開實地調(diào)繪，針對區(qū)域內(nèi)建筑屬性、電力線路、交通設(shè)施以及通信線路等特殊地區(qū)作出確定，調(diào)繪時應(yīng)用GPS-RTK技術(shù)完成管線設(shè)施的綜合測量[3]。

3.4 在水利工程建設(shè)管理方面

無人機低空遙感技術(shù)的應(yīng)用將有效影響工程建設(shè)的勘測設(shè)計、決策評估、安全監(jiān)測等。依靠無人機遙感測得的高清成像，憑借設(shè)備機動靈活的特征，為水利工程生態(tài)環(huán)境提供決策依據(jù)，也對區(qū)域內(nèi)植被、土壤、土質(zhì)、水域作出有效監(jiān)測。應(yīng)用空間技術(shù)手段，將無人機高分辨率遙感影像與高精度GPS系統(tǒng)充分結(jié)合，從而完成大型水庫與堤防工程的建設(shè)施工監(jiān)測。

4 無人機低空遙感技術(shù)在水利工程運行管理上的應(yīng)用

將無人機低空遙感技術(shù)應(yīng)用水利工程的長效運行管理中，利用無人機常態(tài)化航拍動態(tài)影像可對日常可能存在的涉水違建、水利工程設(shè)施破壞、河湖岸線侵占、水面保潔、水質(zhì)污染、非法采砂等水利工程相關(guān)問題進行實時動態(tài)監(jiān)控，對監(jiān)管與處置情況進行檢查和復(fù)核。采用無人機4G、5G圖傳技術(shù)，實現(xiàn)無人機遠距離巡檢圖像的實時傳輸至已有的地面監(jiān)控管理系統(tǒng)，從而可以構(gòu)建“天地一體化”的水利工程監(jiān)控體系。通過基于無人機低空遙感技術(shù)的多維度重構(gòu)方法，可建立典型水利工程的二維和三維數(shù)字化可視模型，并將其嵌入已有的水利工程標準化運行管理平臺，為后續(xù)防災(zāi)減災(zāi)、智慧水利建設(shè)提供可視化數(shù)據(jù)支撐。

5 總結(jié)

總而言之，無人機低空遙感技術(shù)憑借著自身優(yōu)勢彌補了傳統(tǒng)人工方式在水利工程運行管理中的不足，特別適用于河道堤防等線性水利工程的全方位監(jiān)管，由其獲得的海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為后續(xù)河湖保護規(guī)劃設(shè)計、防災(zāi)減災(zāi)、工程建設(shè)管理、水利智慧平臺系統(tǒng)建設(shè)等奠定重要基礎(chǔ)，具有很大的行業(yè)市場應(yīng)用前景。