無人機(jī)遙感技術(shù)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用探究

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，無人機(jī)遙感技術(shù)逐漸嶄露頭角，并在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。特別是在水利工程測(cè)量領(lǐng)域，無人機(jī)遙感技術(shù)極大地提高了測(cè)量精度。因此，分析無人機(jī)遙感技術(shù)在水利工程建設(shè)中的主要應(yīng)用范圍，并結(jié)合具體案例，闡述了無人機(jī)遙感技術(shù)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用要點(diǎn)，旨在更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜區(qū)域的勘測(cè)，減少測(cè)繪工作的難度，促進(jìn)我國測(cè)繪事業(yè)的整體發(fā)展。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)遙感技術(shù)"水利工程"工程測(cè)量"水利勘測(cè)"資料采集

Exploration"of"the"Application"of"Unmanned"Aerial"Vehicle"Remote"Sensing"Technology"in"Water"Conservancy"Engineering"Surveying

CHEN"Fei

Ganzhou"Institute"of"Water"Resources"and"Electric"Power"Investigation"and"Design，"Ganzhou，Jiangxi"Province，"341000"China

Abstract："With"the"continuous"progress"of"science"and"technology，"unmanned"aerial"vehicle（UAV）"remote"sensing"technology"has"gradually"emerged"and"been"widely"applied"in"various"industries."Especially"in"the"field"of"water"conservancy"engineering"surveying，"UAV"remote"sensing"technology"has"greatly"improved"the"measurement"accuracy."Therefore，"the"main"application"scope"of"UAV"remote"sensing"technology"in"water"conservancy"engineering"construction"is"analyzed."Combining"specific"cases，"the"application"points"of"UAV"remote"sensing"technology"in"water"conservancy"engineering"surveying"are"elaborated，"aiming"to"better"cope"with"the"surveying"of"complex"areas，"reduce"the"difficulty"of"surveying"and"mapping"work，"and"promote"the"overall"development"of"China's"surveying"and"mapping"industry.

Key"Words："UAV"remote"sensing"technology;"Water"conservancy"engineering;"Engineering"surveying;"Water"conservancy"survey;"Data"collection

水利工程測(cè)量是水利工程建設(shè)中不可或缺的一環(huán)，貫穿于工程建設(shè)的全過程，為工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理提供重要的數(shù)據(jù)支持和技術(shù)保障。然而，傳統(tǒng)測(cè)量方法存在耗時(shí)較長(zhǎng)、人力資源匱乏、地域限制等明顯不足。在此背景下，無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)通過無人機(jī)搭載的高分辨率多光譜成像設(shè)備，結(jié)合先進(jìn)的遙感圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面目標(biāo)的精確識(shí)別與高效分類，可以全面提高工程測(cè)繪的效率和質(zhì)量，保障測(cè)量工程的安全，大大降低測(cè)繪工作的資金投入。

1無人機(jī)遙感技術(shù)概述

無人機(jī)遙感技術(shù)是水利工程測(cè)量領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)，它融合了機(jī)載傳感器技術(shù)、地基遙測(cè)與遠(yuǎn)程控制技術(shù)、無人機(jī)平臺(tái)技術(shù)等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。在無人機(jī)遙感系統(tǒng)中，機(jī)載傳感器作為關(guān)鍵組件，需滿足大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輕量化材料應(yīng)用、高精度測(cè)量等嚴(yán)格要求（如圖1）。常見的傳感器類型包括激光雷達(dá)、高光譜成像設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、多光譜相機(jī)等，它們承擔(dān)著遙感圖像的采集與存儲(chǔ)任務(wù)，并將所獲取的遙感信息傳輸至地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的分析處理[1]。

無人機(jī)遙感系統(tǒng)的核心組件包括差分基站、數(shù)據(jù)通信模塊、圖像接收裝置、遠(yuǎn)程電源管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制中心等。這些組件相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)飛行路線的精準(zhǔn)規(guī)劃、遙感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的穩(wěn)定接收、遙感參數(shù)的精確設(shè)定等功能。

根據(jù)翼型的不同，無人機(jī)可分為旋翼式和固定翼式兩大類。其中，旋翼式無人機(jī)又可進(jìn)一步細(xì)分為多軸旋翼和單軸旋翼兩種類型。旋翼式無人機(jī)具有無須外部動(dòng)力即可完成轉(zhuǎn)向、傾斜及懸停等復(fù)雜動(dòng)作的能力，同時(shí)具備垂直起降和懸停觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，特別適合于對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行高精度、高分辨率的遙感觀測(cè)。

2""無人機(jī)遙感技術(shù)的主要應(yīng)用范圍

2.1""水利勘測(cè)中的無人機(jī)遙感應(yīng)用

水利水電工程測(cè)量工作面對(duì)的地形地貌復(fù)雜多變，涵蓋平坦區(qū)域與復(fù)雜山區(qū)，主要測(cè)量項(xiàng)目涉及斷面、變形監(jiān)測(cè)及縱剖面測(cè)繪等。在平坦區(qū)域測(cè)繪時(shí)，需要確保經(jīng)緯線與水平線的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。在山區(qū)，復(fù)雜的地形往往限制了常規(guī)觀測(cè)手段和衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用，從而影響勘測(cè)結(jié)果的精確性。在此情境下，無人機(jī)遙感技術(shù)凸顯其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)能夠執(zhí)行低空飛行作業(yè)，現(xiàn)有的低空測(cè)繪系統(tǒng)無須依賴特定的地理?xiàng)l件即可實(shí)現(xiàn)起降，便于在任何地點(diǎn)進(jìn)行部署。此外，無人機(jī)采用無人駕駛模式，搭載高精度成像裝置，能夠?qū)崟r(shí)捕獲并傳輸影像數(shù)據(jù)至用戶端，并通過信息處理技術(shù)進(jìn)一步解析數(shù)據(jù)，顯著提升了勘測(cè)工作的效率[2]。

2.2""地質(zhì)勘查中的無人機(jī)遙感應(yīng)用

水利工程建設(shè)前的地質(zhì)勘查是確保工程安全與質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的是規(guī)避不利地質(zhì)條件對(duì)施工的影響，并保障工程具備足夠的承載力。地質(zhì)勘查對(duì)于施工安全與工程質(zhì)量至關(guān)重要。在水利水電地質(zhì)勘查過程中，無人機(jī)遙感技術(shù)與傳統(tǒng)勘查方法相結(jié)合，形成了有效的互補(bǔ)。面對(duì)復(fù)雜地形條件，傳統(tǒng)物探方法可能受到限制且耗時(shí)較長(zhǎng)，從而影響勘查的精確度。因此，在簡(jiǎn)單地形條件下，可采用傳統(tǒng)勘查方法；在對(duì)高精度及復(fù)雜地形有要求的情境下，無人機(jī)遙感技術(shù)成為更優(yōu)選擇。

2.3""工程監(jiān)測(cè)中的無人機(jī)遙感應(yīng)用

對(duì)于已建成的水利工程，需進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測(cè)以確保其質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。例如：大壩的耐久性直接影響水利工程的服役期限，一旦大壩出現(xiàn)漏水問題，將對(duì)工程質(zhì)量構(gòu)成嚴(yán)重威脅，甚至危及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。在水利工程的日常監(jiān)測(cè)中，無人機(jī)遙感技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)獲取工程基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題，從而有效減少損失。

2.4""土壤水分探測(cè)中的無人機(jī)遙感應(yīng)用

了解水土保持情況有助于更深入地認(rèn)識(shí)水文特征，并將其應(yīng)用于水利水電建設(shè)中，具有重要的實(shí)踐意義。土壤表面具有吸收和儲(chǔ)存太陽輻射的能力，因此，地表土質(zhì)的顏色、溫度、含水量等特性與太陽輻射密切相關(guān)。研究表明，土壤水分含量與地表亮度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?；诖?，采用無人機(jī)遙感技術(shù)，結(jié)合影像獲取與數(shù)據(jù)處理手段，提取地表灰度信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分含量的估算[3]。

3無人機(jī)遙感技術(shù)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用

3.1工程區(qū)概況

A地區(qū)坐落于我國西南某省份的核心地帶，擁有一條全長(zhǎng)約187.5"km的人工運(yùn)河，該運(yùn)河與多條關(guān)鍵支流相互交織，共同構(gòu)建了A地區(qū)龐大且復(fù)雜的水系架構(gòu)。運(yùn)河源自南部的青山山脈，自南向北蜿蜒延伸，最終匯入北部的瀾滄江，其流域面積廣泛，達(dá)到了8"500"km2。A地區(qū)的氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候，四季特征鮮明，雨熱條件同步，年平均氣溫穩(wěn)定在20"℃左右，年降水量則在1"200～1"500"mm之間，豐富的降水為這一區(qū)域提供了充足的水資源儲(chǔ)備。在地形地貌方面，A地區(qū)的地勢(shì)雖存在一定的復(fù)雜性，但總體上以丘陵和平原地形為主，海拔在50～300"m之間波動(dòng)。盡管地形有所起伏，但整體上，該區(qū)域仍具備良好的水利工程建設(shè)潛力。就水資源而言，A地區(qū)的年均過境徑流量高達(dá)56.78億m3，淺層地下水年總量約為98億m3，加之其他水源的補(bǔ)給，使該區(qū)域的水資源總量達(dá)到了154.78億m3，這為水利工程的規(guī)劃與實(shí)施提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和保障。

3.2資料采集與精細(xì)化處理

A地區(qū)水利工程測(cè)量項(xiàng)目選用了Pagon"Phantom"4型無人機(jī)，該機(jī)型移動(dòng)速率高達(dá)201"m/s，最高飛行能力可達(dá)6"0001"m，定位精度豎向?yàn)椤?.1"m、橫向?yàn)椤?.3"1m，成像質(zhì)量卓越，達(dá)到1"240萬像素，并配備了RGB光變攝像機(jī)。

在航空攝影測(cè)量流程中，明確區(qū)分了飛行計(jì)劃設(shè)計(jì)、原始數(shù)據(jù)收集與數(shù)據(jù)處理三大核心環(huán)節(jié)。根據(jù)工程區(qū)域的面積和幾何特性，決定實(shí)施150"m的低空飛行策略，航向和側(cè)向重疊度分別設(shè)置為70%和80%，確保數(shù)據(jù)采集的完整性和準(zhǔn)確性。隨后，項(xiàng)目組利用Pix4Dmapper專業(yè)軟件，對(duì)采集的衛(wèi)星圖像進(jìn)行了一系列預(yù)處理，包括空間匹配、地形校正、圖像鑲嵌和裁剪等。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組結(jié)合航空攝影測(cè)量的結(jié)果，構(gòu)建了3D稠密點(diǎn)云，并生成了3D模型的多邊形網(wǎng)格。通過這些數(shù)據(jù)，項(xiàng)目區(qū)域的數(shù)字正射影像圖（"Digital"Ortho"Map，DOM）、數(shù)字表面模型（"Digital"Surface"Model，DSM）和數(shù)字高程模型（"Digital"Elevation"Model，DEM）得以自動(dòng)提取。根據(jù)《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影規(guī)范》（GB/T"6962—"2005），所生成的遙感圖像產(chǎn)品精度達(dá)到了0.8"m。采用CGCS2000坐標(biāo)系，并選擇了Gauss-Krüger投影方式，最終，通過ArcGIS軟件的運(yùn)用，精確提取了茨淮新河項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域的地形特征（涵蓋海拔、坡度、坡向、地形陰影）、地物類型、地物的三維空間結(jié)構(gòu)和體積等關(guān)鍵信息。此外，部分工程區(qū)域的影像由多波段相機(jī)拍攝，同時(shí)，借助谷歌高分辨率影像，選定了具有代表性的樣例點(diǎn)，為區(qū)域分析提供了重要參考[4]。

3.3多比例尺遙感圖像的分區(qū)與解析

在目標(biāo)識(shí)別的基礎(chǔ)上，本文提出了提升目標(biāo)識(shí)別精度的新方法。針對(duì)工程區(qū)域內(nèi)復(fù)雜對(duì)象的精確分割需求，首先進(jìn)行了匹配處理。基于對(duì)象的遙感圖像目標(biāo)劃分策略，依據(jù)圖像中形狀、亮度、色彩、紋理等特征的相似性，初步劃分了目標(biāo)對(duì)象。隨后，根據(jù)特定的準(zhǔn)則、規(guī)則和算法，對(duì)初步劃分的結(jié)果進(jìn)行了聚合、分解等優(yōu)化調(diào)整，形成了多個(gè)包含目標(biāo)信息和形狀信息的同質(zhì)區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組引入了基于多源遙感數(shù)據(jù)的融合方法，通過多尺度綜合檢驗(yàn)遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建了遙感反演模型。本文還進(jìn)一步地提出了基于最大匹配率的非規(guī)則像元?jiǎng)澐旨夹g(shù)，通過對(duì)項(xiàng)目區(qū)域高精度遙感影像的多尺度劃分，清晰地界定了各類對(duì)象的邊界，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)識(shí)別的直觀化和精確化。

3.4分類結(jié)果成圖

項(xiàng)目組將構(gòu)建的隨機(jī)森林模型與支持向量機(jī)算法引入陸地成像儀所捕獲的環(huán)境參數(shù)集中，執(zhí)行系統(tǒng)的聚類分析，以期精準(zhǔn)地揭示研究區(qū)域的土地利用類型分布。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的土地利用方式以植被覆蓋為主導(dǎo)，主要集中分布在東北部山地，部分區(qū)域則呈現(xiàn)出分散布局的特點(diǎn)，植被覆蓋面積約占研究區(qū)總面積的一半；城市用地則主要以片狀和帶狀形式存在，其占比約為1/5，被劃分為二級(jí)大類，這在一定程度上映射了該地區(qū)國土開發(fā)強(qiáng)度較高與城市化進(jìn)程加速的態(tài)勢(shì)。值得注意的是，個(gè)別區(qū)域展現(xiàn)出一片平坦且開闊、連續(xù)性良好、用地結(jié)構(gòu)相對(duì)單一的河漫灘特征。此外，其他局部居民點(diǎn)和植被的分類結(jié)果之間存在著較大的相似性，這進(jìn)一步證實(shí)了基于非線性分類技術(shù)的河流巡查方法的有效性和先進(jìn)性[5]。

4""結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)遙感技術(shù)以其迅猛的發(fā)展勢(shì)頭和日益廣泛的應(yīng)用范圍正逐步與水利水電工程領(lǐng)域深度融合，為水利水電事業(yè)的蓬勃發(fā)展開辟了新的篇章。通過對(duì)水利水電工程項(xiàng)目的高效利用，無人機(jī)遙感技術(shù)顯著提升了測(cè)量的精準(zhǔn)度和可靠性，為水利建設(shè)事業(yè)的深入發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。因此，未來，應(yīng)繼續(xù)加大對(duì)無人機(jī)遙感技術(shù)的研究投入，以更好地服務(wù)于人類社會(huì)，為水利工程的測(cè)量與規(guī)劃提供更加精確、高效的技術(shù)支撐。

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