無人機低空遙感技術(shù)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用

◎ 王松吉 宋君 陳沭 青島市水文中心

水文監(jiān)測是對水資源、水環(huán)境和水文過程進(jìn)行實時、準(zhǔn)確監(jiān)測和評估的重要手段。傳統(tǒng)的水文監(jiān)測方法存在著空間分辨率有限、觀測范圍受限、周期性觀測困難等問題，無法滿足對水文數(shù)據(jù)高分辨率、實時性和全面性的需求。然而，隨著無人機低空遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，水文監(jiān)測領(lǐng)域迎來了一種全新的解決方案，憑借著高分辨率、靈活性和實時性等特點，在水文監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用，為水資源管理、洪水預(yù)警、水生態(tài)保護等提供了全面的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

1.無人機低空遙感技術(shù)概述

無人機低空遙感技術(shù)是通過搭載各種傳感器的無人機平臺，從低空對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測的技術(shù)手段。該技術(shù)基于遙感原理，利用無人機獲取的影像、激光雷達(dá)點云等數(shù)據(jù)，進(jìn)行地物信息提取和分析。

無人機平臺的選擇直接影響到數(shù)據(jù)采集的效果和操作的靈活性。根據(jù)任務(wù)需求和飛行特性，選擇合適的無人機平臺，包括多旋翼無人機、固定翼無人機和垂直起降無人機等。不同的傳感器能夠獲取不同類型的數(shù)據(jù)，如光學(xué)相機、多光譜相機、熱紅外相機和激光雷達(dá)等。根據(jù)具體應(yīng)用需求，選擇合適的傳感器并將其集成到無人機平臺上，以實現(xiàn)多樣化的數(shù)據(jù)采集。無人機低空遙感技術(shù)需要通過精確的導(dǎo)航和控制系統(tǒng)來確保飛行的穩(wěn)定性和精度，導(dǎo)航系統(tǒng)包括全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和視覺導(dǎo)航系統(tǒng)等，用于定位和導(dǎo)航控制。獲取的無人機數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理和分析，以提取有用的信息[1]。

2.無人機低空遙感技術(shù)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 高空間分辨率

無人機低空遙感技術(shù)具備高空間分辨率的特點，能夠提供高精度、高分辨率的監(jiān)測數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的遙感技術(shù)如衛(wèi)星遙感由于距離較遠(yuǎn)，其空間分辨率較低，難以捕捉到細(xì)微的水文特征。而無人機低空遙感技術(shù)能夠靠近監(jiān)測目標(biāo)，獲取更為精細(xì)的數(shù)據(jù)，如水面溫度、水質(zhì)懸浮物濃度等，使得水文特征得以更準(zhǔn)確地捕捉和分析，從而更準(zhǔn)確地評估湖泊水質(zhì)的變化[2]。

2.2 靈活性和定制性

無人機低空遙感技術(shù)可以根據(jù)不同的水文監(jiān)測需求進(jìn)行靈活調(diào)整和定制化操作，以往的監(jiān)測方法可能受限于監(jiān)測點位的選擇和固定的監(jiān)測周期，無法滿足特定的監(jiān)測要求，而無人機低空遙感技術(shù)可以根據(jù)需要靈活調(diào)整飛行路徑、監(jiān)測時間和監(jiān)測區(qū)域，滿足不同的監(jiān)測需求。比如，在洪水監(jiān)測中，無人機低空遙感技術(shù)可以根據(jù)洪水的發(fā)展情況，靈活調(diào)整飛行路徑和監(jiān)測區(qū)域，實時獲取洪水的信息，進(jìn)而提供實時、準(zhǔn)確的洪水監(jiān)測數(shù)據(jù)，為洪水預(yù)警和救援提供重要支持。

2.3 實時監(jiān)測和快速響應(yīng)

無人機低空遙感技術(shù)具備實時監(jiān)測和快速響應(yīng)的能力，可以迅速獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時分析和處理。相比傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，無人機低空遙感技術(shù)能夠在較短的時間內(nèi)完成監(jiān)測任務(wù)，及時反饋監(jiān)測結(jié)果[3]。比如，在水位監(jiān)測中，無人機低空遙感技術(shù)可以實時獲取河流水位的數(shù)據(jù)，并迅速傳輸至地面站點進(jìn)行分析，確保監(jiān)測人員可以及時掌握河流水位的變化情況，做出相應(yīng)的調(diào)控措施，有效預(yù)防洪水災(zāi)害的發(fā)生。

2.4 多源數(shù)據(jù)融合

無人機低空遙感技術(shù)可以與其他數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合，提供更全面、多維度的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過將無人機獲取的數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、地面監(jiān)測數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合，可以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。比如，在水資源評估中，無人機低空遙感技術(shù)可以獲取水體表面溫度、植被指數(shù)等數(shù)據(jù)（如表1所示），而衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以提供更廣闊的覆蓋范圍，將這兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，可以更準(zhǔn)確地評估水資源的利用狀況和生態(tài)環(huán)境的變化。

表1 水資源評估數(shù)據(jù)

3.無人機低空遙感技術(shù)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用措施

3.1 地形分析

地形分析是無人機低空遙感技術(shù)在水文監(jiān)測中的重要應(yīng)用之一，通過對地形的精確測量和分析，可以獲取地面高程、地形起伏、水體流動路徑等關(guān)鍵信息，為水文監(jiān)測和水資源管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

第一，無人機搭載激光雷達(dá)（LiDAR）傳感器能夠進(jìn)行高精度的地面高程測量。激光雷達(dá)發(fā)射激光束并接收反射信號，通過測量激光束的飛行時間和接收信號的強度，可以計算出地面點的高程信息。通過掃描地面，獲取大量點云數(shù)據(jù)，并經(jīng)過后續(xù)處理和濾波，可以生成高精度的數(shù)字地面模型（D ig it a l Elevation Model，DEM）[4]。比如，在某水庫的地形分析中，使用搭載激光雷達(dá)的無人機進(jìn)行了高程測量，通過飛行獲取的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和濾波，得到了水庫周邊地區(qū)的高程模型。這些高程數(shù)據(jù)被應(yīng)用于水庫的容積計算、洪水模擬和水位預(yù)測等工作中，為水文監(jiān)測和水資源管理提供了精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

第二，利用無人機低空遙感技術(shù)進(jìn)行地形起伏分析，可以揭示地表的起伏特征、地形剖面和地形斷面等關(guān)鍵信息。通過獲取地面影像和點云數(shù)據(jù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）分析工具，可以生成地形剖面圖、坡度圖和等高線圖等。比如，在河流流域的地形起伏分析中，通過對無人機影像和點云進(jìn)行處理，生成了該河流流域的地形剖面圖和坡度圖，能夠反映出地形的變化情況，有助于分析河流的水力特性、水流路徑和洪水風(fēng)險等。

第三，無人機低空遙感技術(shù)可以捕捉水體的流動路徑和水系網(wǎng)絡(luò)。通過搭載相機和傳感器，獲取水體的高分辨率影像和水深數(shù)據(jù)，結(jié)合地形分析和地理信息系統(tǒng)（GIS）分析，可以識別出水體的流動方向、水系分布和水體連接關(guān)系，有助于水文模型的建立和水資源管理決策的制定。

3.2 飛行控制

飛行控制對于無人機低空遙感技術(shù)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用而言非常關(guān)鍵，通過合理的飛行控制措施，可以確保無人機的穩(wěn)定飛行和準(zhǔn)確數(shù)據(jù)采集，為水文監(jiān)測提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

首先，要合理設(shè)計航線規(guī)劃與路徑設(shè)計。在水文監(jiān)測任務(wù)中，無人機的航線規(guī)劃和路徑設(shè)計至關(guān)重要，通過選擇合適的飛行航線，可以覆蓋目標(biāo)區(qū)域的關(guān)鍵地理特征，并最大限度地獲取有效的數(shù)據(jù)。比如，在湖泊水質(zhì)監(jiān)測中，無人機需要在湖面上空進(jìn)行飛行，以獲取充分的水質(zhì)信息，那么在飛行控制中，需要通過預(yù)先設(shè)定航點、考慮飛行高度和航速等因素進(jìn)行航線規(guī)劃，確保無人機在湖面上空均勻、高效地飛行，以獲取全面的水體光譜數(shù)據(jù)。

其次，要合理監(jiān)測與調(diào)整飛行參數(shù)。在飛行過程中，對無人機的飛行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)整非常必要，通過監(jiān)測飛行高度、姿態(tài)角、速度等參數(shù)，可以實時掌握無人機的狀態(tài)，確保飛行的穩(wěn)定性和安全性。比如，在河流水位監(jiān)測中，無人機需要在低空飛行并對河道進(jìn)行拍攝。在飛行控制中，需要通過搭載高度測量傳感器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS），實時監(jiān)測無人機的飛行高度，并通過飛控系統(tǒng)對高度進(jìn)行調(diào)整，確保無人機在設(shè)定的飛行高度上穩(wěn)定飛行，從而獲取準(zhǔn)確的水位數(shù)據(jù)。

此外，要合理優(yōu)化飛行路徑與使用避障技術(shù)。通過合理的飛行路徑規(guī)劃和避障算法，可以確保無人機在遇到障礙物時能夠自主避讓，并繼續(xù)完成任務(wù)。比如，在山區(qū)河流的水文監(jiān)測中，無人機需要在崎嶇的地形中飛行，并獲取地形和水體的信息，因此需要使用避障傳感器和地形識別技術(shù)，對周圍環(huán)境進(jìn)行實時感知和分析，以避免與山體、樹木等障礙物發(fā)生碰撞，并選擇合適的飛行路徑完成任務(wù)。

3.3 影像處理

通過對獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可以提取出水文特征信息，如水體邊界、水面高程等，為水文監(jiān)測和水資源管理提供定量化的數(shù)據(jù)支持。

第一，畸變差矯正。由于無人機在飛行過程中的姿態(tài)變化，以及相機鏡頭的畸變等因素，獲取的影像數(shù)據(jù)可能存在畸變，為了準(zhǔn)確測量和分析影像中的水文特征，需要對影像進(jìn)行畸變差矯正。畸變差矯正包括校正相機畸變和地形畸變，校正相機畸變可以通過相機校準(zhǔn)和相機模型進(jìn)行，以消除圖像中的透視畸變和徑向畸變；地形畸變則是根據(jù)無人機的位置和姿態(tài)信息，結(jié)合地形模型，對影像進(jìn)行校正，以消除地形變形引起的畸變。

第二，空中三角測量。空中三角測量是基于影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維測量和定位的技術(shù)，通過從不同視角獲取的影像數(shù)據(jù)，可以利用視差原理進(jìn)行像對匹配，從而得到地面點的三維坐標(biāo)。在水文監(jiān)測中，空中三角測量可以用于水體高程測量和水體形態(tài)分析，通過獲取多視角的影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行像對匹配和三角測量，可以計算出水體中的地面點的三維坐標(biāo)，從而得到水體的高程信息[5]。同時，利用多個視角的影像數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行水體的形態(tài)分析，如水面的傾斜度、面積變化等。

第三，快拼圖生成?？炱磮D生成是將多幅影像數(shù)據(jù)拼接成一幅大尺寸、高分辨率的拼接影像的過程，通過快速拼接多個視角的影像，可以獲得更大范圍的覆蓋區(qū)域和更高的空間分辨率，提供更全面、細(xì)致的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)。在無人機低空遙感技術(shù)中，快拼圖生成需要進(jìn)行影像配準(zhǔn)、圖像融合和拼接處理。首先，對獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，通過像對匹配和幾何變換，將不同視角的影像對齊。然后，進(jìn)行圖像融合，將重疊區(qū)域的像素進(jìn)行加權(quán)融合，使得拼接后的影像具有一致的亮度、色彩和紋理。最后，進(jìn)行拼接處理，將配準(zhǔn)和融合后的影像拼接成一幅完整的快拼圖。

3.4 地面控制

在進(jìn)行水文監(jiān)測任務(wù)時，選擇合適的起降場是至關(guān)重要的，起降場的選址需要考慮到無人機的飛行路線、任務(wù)區(qū)域的位置和環(huán)境條件等因素。比如，在河流水質(zhì)監(jiān)測中，起降場通常選擇在離河流較近且平坦開闊的地方，如此可以使無人機更加便捷地起降，并減少對任務(wù)區(qū)域的飛行時間和能量消耗。此外，在對飛行航線的監(jiān)控和調(diào)整是確保無人機飛行路徑精確控制的關(guān)鍵，通過實時監(jiān)控?zé)o人機的位置、航向和高度等參數(shù)，可以及時調(diào)整航線，確保無人機按照預(yù)定路徑飛行。航線監(jiān)控可以通過搭載的飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)，該系統(tǒng)可以實時獲取無人機的姿態(tài)、位置和速度等信息，并與預(yù)設(shè)的航線進(jìn)行比對和調(diào)整，一旦無人機偏離了設(shè)定的航線，系統(tǒng)會自動發(fā)出警報并進(jìn)行修正，使無人機回到預(yù)定的飛行軌跡。

4.結(jié)束語

綜上所述，通過對無人機低空遙感技術(shù)的概述和分析其在水文監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)這項技術(shù)在水文監(jiān)測領(lǐng)域具有巨大的潛力和優(yōu)勢。在實際應(yīng)用中，地形分析可以提供地形數(shù)據(jù)和地形特征，為水文分析提供重要的基礎(chǔ)；飛行控制確保無人機飛行路徑精確控制和安全起降；影像處理通過畸變差矯正、空中三角測量和快拼圖生成等技術(shù)，提高影像數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性；地面控制包括起降場選址與準(zhǔn)備、航線監(jiān)控與調(diào)整以及數(shù)據(jù)實時傳輸與處理，保障無人機飛行安全和數(shù)據(jù)的實時處理。當(dāng)然，在水文監(jiān)測應(yīng)用中還存在一些挑戰(zhàn)和問題，如飛行規(guī)則和監(jiān)管政策的制定、數(shù)據(jù)處理與分析的自動化等方面，需要相關(guān)領(lǐng)域的專家和從業(yè)者進(jìn)一步研究和探索，共同促進(jìn)無人機低空遙感技術(shù)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用與發(fā)展。