无人机技术在灌区实时数字化管理中的应用

于 明，许 坤，张红芳

（聊城市位山灌区管理处，山东 聊城 252000）

传统测绘系统通常采用有人驾驶的飞机和卫星采集获取地理信息，具有速度慢、不及时、采集信息不全面等缺点。无人机常应用于航空拍摄，具有机动灵活、实时传输的特点，可以有效弥补传统测绘系统的缺点，因此将无人机技术应用于测绘领域成为行内研究热点，这是测绘技术与航空平台技术、信息技术的高度集成[1]。配备无人机的遥感测绘系统具有灵活、机动性强、实时传输、适合高危现场作业、影像分辨率高等特点，是卫星遥感测绘系统的重要补充[2]。其可快速获取地理、资源、环境等空间遥感信息，完成遥感数据采集、处理和应用分析[3]。位山灌区地形复杂，有东西输沙渠、沉沙池、3条干渠等骨干工程，为了加强对骨干工程的监督管理，采用配有无人机的低空遥感测绘系统，实现对位山灌区的工程测绘、水利动态监测以及洪涝灾害的监测等。

1 配有无人机的遥感测绘系统优点

配有无人机的遥感测绘系统具有极高的测量精度，在测绘工作时可以实现精确的测量，并且可以保持数据完整，提升测量工程的整体水平。

（1）响应迅速。无人机系统操作简单快速，并且容易实现运输功能，可以在短时间的操作下迅速到达既定的测绘目的地。另外，其可以实现长达1～2h的高精度遥感载荷控制工作[4]。

（2）在测绘工作中可以大幅度提升图像的分辨率，可以实现1∶500或是更大的放大比例；具有垂直或者倾斜测绘成像模式，能满足不同的遥感测绘工作需求，并且监测的范围更广、更全面，可以实现全方位覆盖。

（3）具有完备的数据分析体系和数据整合控制体系，并且可以实现分析和控制体系的完美整合，有极强的自主性。无人机的飞行航线有非常高的控制精度，无人机低空飞行可以到50m，高空飞行高度可达4000m，在这样广阔的飞行空间还可以实现自主飞行和测绘拍摄工作，且对高度的控制精度也很精细。此外，无人机飞行速度低速可达70km/h，高速可达160km/h，飞行平稳，可以很好地完成遥感任务。

（4）操作简单、便利且操作效率高，可以在测绘工作中实时进行测量分析。其还是一个智能化程度很高的系统，可以实现自动化飞行操作，带有故障自动诊断和显示功能，有效维护了工作的正常进行，提升了操作效能。另外，一旦无人机在在测量工作中出现故障，它可以自己巡航回到出发点并盘旋在上空等待检修。

2 灌区测绘无人机系统组成及其特点

文章所用灌区测绘无人机系统主要包括一个小型的无人机飞行平台，同时配有无人机飞行的操纵控制系统，当无人机采集信息后需要有获取测绘影像的设备，还要具备与无人机通信的设备，最后还要有信息的接收处理设备。

灌区测绘使用固定翼无人机，其具有超高的飞行效率，可以抵抗大风干扰，在恶劣的环境依然可以保持稳定飞行，作业效率很高。固定翼无人机可以实现无动力滑翔，有较长的续航时间和续航里程，可以连续工作几个小时，最远可以飞行100km左右，非常适合用于大范围、远距离的水利工程的航拍、航测等领域。

硬件和软件系统的结合构成了无人机测绘系统，其中硬件包括无人机承载系统和监察地面的监控系统；软件则包括进行航线规划设计的系统、无人机飞行操作控制系统、进行远程监测的远程监控系统、进行航空拍摄的检查系统以及获得数据之后进行处理的数据预处理系统。无人机测绘系统软硬件各个系统紧密配合，形成了及时、反应迅速的工作模式。电动装置是无人机测绘系统的动力核心。测绘系统是整个系统的核心部分，是能够完成测绘摄影工作的关键一步。无人机测绘系统采用多种先进技术融合在一起，体现了诸多技术的优势，具体反映在系统有小巧的体积、轻快的质量，具有较高的测绘工作精度且反应灵敏，能适应各种恶劣的环境等方面[5]。

采用面网布设的方法对照片的控制点进行测量，在拍摄前现场选定控制点，在拍摄航拍后现场选取视地物点。在水利工程中，图像控制点布置在两侧在公路上或河边的平地上。由于淹没问题，在平坦的耕地上设置了更多的图像控制点。

航线网络布置保证航线末端和下方的控制点被布置在直线通过主点和垂直于方向线的垂直点上，确保上方和下方的点在相同的3个尺寸相对位置上。确保在测量区域之间存在着重叠，垂直航线重叠度一般设为60%～70%，而旁向的重叠度为30%～50%。选择无风、无云、大气透明且良好的摄影天气。

3 无人机系统测绘灌区要求情况及在灌区的应用

3.1 灌区要求情况

位山灌区管理范围内的东西输沙渠、沉沙池、3条干渠等骨干工程在应用中的目标要求主要有以下几点：

（1）水利工程测绘中的应用：配备无人机技术的水域动态监测系统能够实时观测水域状态，及时地传输、处理数据；与此同时，测绘遥感系统可以从无人机采集处理的数据中快速获取高分辨率图像信息，根据要求完成高清摄像、数字正摄影像图的绘制，为工程建设提供重要信息。

（2）水利工程动态监测：利用无人机技术，实时观测水域状态，检查灌区内水域的发展变化，将采集到的水域信息数据作为水域调查统计的依据，最终实现水域的现代化管理以及满足当前社会经济发展的需求；根据实时数据监测到的水域情况，建立包含水域动态变化和有违法占用水域情况记录的档案，为水域实时现代化管理提供资料信息。

（3）洪涝灾害监测：利用无人机在发生洪灾的地区进行灾情的监测，并把实时搜集的资料发回指挥部，为做出应急措施提供及时有效的资料。

（4）对以上管理范围内存在的违法事项进行巡查并定位，保证违法事项拍摄清晰可辨认，按照地面分辨率不低于1∶1000测图精度进行拍摄。

3.2 无人机系统测绘在灌区的应用

此次的航空拍摄仪器使用Sonya7R，焦距为35mm，相位幅度为7360×4192，像素分辨率为4.88um。由GPS数据计算出无人机相对地面的飞行高度为400m，地面的分辨率达到0.07m。飞行平稳，成像质量良好，可以看出图像有很高的清晰图，色彩均匀饱满，能将地面信息真实地表述出来。垂直航向航线重叠75%，侧向重叠50%。

（1）像控测量。确保测量成像在像控点的布设范围之内，布设的控制范围包括测绘区的四周和中心位置。为了保证适应测试区的状况，相控布设的控制点在每个测绘区都应不少于20个，并且都要设置为平高点。相控布设控制点以及测量应遵循的原则包括如下几个方面：①像控点选在线状地物的交叉点、明显地物拐角顶点处、影像大于0.2mm点状地物中心，交角良好；②像控点所在位置高程变化不大，像控点刺点目标的影像必须清晰、明显；③有开阔的对空视野，没有较大的遮挡干扰GPS观测，应为接收设备预留位置，还要便于操作；④在进行观测之后需要对近远景进行拍摄，以便后续进行纠正，确保准确测量。

（2）空中三角测量。项目采用SVS软件进行空三加密，根据航空飞行及影像分布情况，将空三区域分为两个加密区域网采用自动与手动相结合的方式进行空三加密，即采用自动匹配进行像点量测，剔除粗差。手动调整直到连接点符合规格要求，并确保在2/3像素内。增加现场图像控制点，计算并检查区域的大地方位，最终加密结果满足1∶1000数据采集要求。

（3）数据采集。数据采集由内业作业人员根据航摄像片上的信息和参照可用的辅助材料，在Mapmatrix软件下，利用立体图像模型对地形要素进行解释。特征实体通过点、线、面和笔记收集、存储。室外作业需对室内解读过程中出现的错误、无法解释的地形要素进行补充调查。

（4）调绘采用综合判读调绘法，也就是先室内判读调绘，后野外检核、调查和定性，最后室内清绘整饰的方法。调绘的内容包括居民地、独立地物、道路及附属设施、管线及垣栅、水系及附属设施、植被等。

项目实施过程中，对项目巡查渠道进行了高清影像拍摄；对项目巡查渠道进行了数字正射影像图绘制；对项目重点建筑物进行了三维全景拍摄。针对河道管理需求，通过飞行采集的高清图像，进行河道、河堤破损情况查看；对重点建筑物的完好状态实施查看。针对河道非法作业信息收集需求，通过无人机高空高清图像，可以实现高清实时记录存在的违法行为，同时提高人员的工作效率与安全性。针对可能存在的河道沿岸违章建筑的信息采集需求目标，利用无人机高空作业，航道拍照，通过影像软件及原始测量数据，可直接查询图上违法建筑位置及坐标，并可以查询违法建筑长度及面积。

4 结束语

配有无人机的遥感测绘系统可以弥补传统测绘系统采用有人驾驶的飞机和卫星采集获取地理信息速度慢、不及时、采集信息不全面等方面的缺点。文中位山灌区的实时数字化管理采用配有无人机的遥感测绘系统，根据当地复杂的地理环境充分发挥了配有系统的优势，实现对位山灌区骨干工程的全覆盖监管，能够实现迅速、实时、在线持续的监控。配有无人机的遥感测绘系统操作简单、便捷，成本低廉，智能化程度高，解放了劳动力，节省了开支，提升了现代信息化水平，真正实现了现代化智能监管。