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摘要：

當前無人機已經發展成一門綜合性現代化信息技術，通過使用無人機對水利工程進行航拍及三維建模，探討無人機作為新興的技術手段在水利工作中的應用。

關鍵詞：

無人機；三維模型；水文監測

1無人機簡介

無人機是在內置程序操控下自主完成預設飛行任務的不載人飛行器，雛形最早出現在第二次世界大戰以前，最開始研發目的是用來做軍事訓練靶機。20世紀90年代后，信號處理和通信技術的提高促進了無人機的發展，自動駕駛儀的出現讓無人機有了質的飛躍。到目前為止，無人機航拍已經發展成為一門綜合性的技術，以無人機作為平臺搭載遙感設備如高分辨率航空相機、微型單反、紅外傳感器、激光傳感器、測磁儀等獲取信息，用計算機對影像信息進行處理，并按照一定精度要求制作成二維或者三維效果圖像，是集成了航空攝影、遙控遙測、視頻影像傳輸和三維電子影像處理的新型應用技術。

2無人機優點

近年來，無人機技術在國內發展很快。無人機低空飛行采集高分辨率影像這種工作方式，彌補了衛星和大飛機航拍因云層遮擋遺漏目標區域影像的缺點，解決了衛星和大飛機遙感航拍耗時過長、機動性不足等問題。傳統航空遙感技術由于受限于航空平臺、傳感器和目標空域等多重因素，在獲取較小面積遙感影像成果方面存在經濟和時間成本都非常高的問題。小型無人機具有結構簡單、無人駕駛、低成本等優點，能夠在低空較小范圍內快速采集高清晰遙感成果，可以作為傳統大范圍航空遙感結構下的的細節補充，在未來航空遙感體系中是不可或缺的組成部分。綜合起來，無人機技術有下列優點：無人機可超低空工作，在云下飛行，不受云層影響；低空貼近飛行目標區域，可以采集很高分辨率的遙感影像；不受飛行區域地形限制，準備工作簡單，對起降場地要求很小，起降方式靈活；遙感成果多樣，可以多角度多航次全面獲取地形地貌數據，成果不局限衛星和大飛機的正射影像等常規產品，還可以支持構建數字地表模型、三維景觀模型等；生產成本低，維護費用低，保養簡單，操作員培養簡單；可以進入交通不便或者危險區域探測及監測，排除了人員危險，可劃定某固定區域作重點航測，旋翼無人機可針對具體地物作懸停航測；效率高，耗時短，應急能力高。

3獨流減河防潮閘三維建模

為了測試無人機航拍效果，我們選擇獨流減河防潮閘為實驗對象，使用MotoarSkyMS670四旋翼無人機航拍，通過無人機配套軟件生成閘所三維模型。MotoarSkyMS670無人機操控簡單、靈活機動、無需跑道，可以快速到達指定目標區域，具有80min長航時、180個自動航點、一鍵或者低電壓返航、手機平板操控、實時視頻回傳、可根據飛行高度預計像素分辨率及航拍照片影像重疊率、自動計算航線、支持全自動駕駛模式、能夠記錄每次飛行日志、專業航線規劃模塊、支持地面站相機拍照控制、能夠智能配置對某一區域進行全覆蓋影像飛行、可一鍵生成數字高程模型、數字地表模型、正射影像等特點。（1）地面站通過無線電臺方式與無人機相連，利用無人機內置定位模塊返回的數據自動確定無人機所在位置坐標，確定無人機起飛起始位置及返航降落地點，同時地面站軟件可以實時顯示無人機所在區域地圖，方便對測量區域進行飛行規劃。對待測目的區域進行規劃，如果任務范圍較大，可以根據工作需要將大范圍待測區域分割成小區域，對各個小區域分別做航線規劃，這種方式可減少單位時間工作量也方便檢核已航拍結果完整性。（2）在地面站地圖中選擇待航拍區域并框選這一范圍，可以根據目標區域自主選擇矩形或者多邊形，框選完畢后自動計算該框選區域所要測量的面積、飛行時間、飛行距離、路徑、航線數等信息。（3）地面站根據實際工作所用的相機型號、鏡頭焦段、飛行高度信息自動計算航拍照片重疊率等信息。飛行控制人員如果認為軟件自動計算的飛行參數不夠完善，也可以人工進行調整，設定完畢后地面站系統將航線信息等飛行參數上傳到無人機主控，然后將無人機解鎖調整至待起飛狀態，將飛行模式切換至自動飛行，無人機按照地面站既定的參數執行自動航拍任務，此時即使地面站電腦等硬件關機損壞也不會影響無人機執行任務，任務執行完畢無人機自動返航至起飛地點，如果執行任務途中遇到突發情況可一鍵返航，低電壓時也會自動返航。（4）無人機根據地面站軟件預先設置好的飛行參數進行自動航拍，根據照片重疊率連續采集照片，自動飛行任務完成后將照片導入系統配套后期處理軟件，后期軟件可通過地面站系統設置的照片重疊率一鍵進行照片自動拼接合成工作。（5）將所拍照片全部導入后處理軟件，軟件自動計算照片重疊點并根據照片所存儲的相機信息算出相片拍攝位置及角度，然后軟件按照算法自動計算生成當前飛行任務所航拍區域的三維數字點云。航拍圖軟件處理。（6）根據三維點云生成三角網格模型，再將模型貼圖生成彩色，由于三維點云中每一點都帶有坐標，軟件將坐標值等數值賦予模型，使得三維模型可用于距離測量、面積測量、體積測量等，也可輸出DEM等成果。

4無人機在應急監測中的應用

在應急監測中，傳統人工方式存在效率低、成本高、人員危險大等問題。這些問題完全可利用長航時無人機參與航測，可以節省成本、降低人員危險、提高工作效率。在洪災險情等緊急情況中，傳統工作方式中多用人工乘車船到現場或者使用大型直升機懸空方式監控洪澇區域，定損查勘工作也基本采用人工方式獲取數據，這些方式相比較來說成本高、人員危險系數大、應急響應不及時，如果用無人機參與航測，可解決交通中斷及人員危險等問題，可以低成本快速巡查洪澇區域險情，實時傳輸現場狀況，第一時間了解受災損失情況，提高應急處理能力和工作效率，為應急救災等工作提供重要信息支持。在“5•12”汶川地震和“8•3”魯甸地震中無人機在抗震救災中發揮了獨特的作用。

5無人機在水文工作中的潛力

除了實現水利工程建模功能外，無人機視頻實時回傳技術可將交通不便或者危險地帶的實時情況回傳給地面站，在應急監測中，可以利用同一區域多期地形三維數據對比功能做滑坡體量計算、堰塞湖壩體及容量計算、災后損失評估等工作。當前我國水文基礎設施建設已經取得巨大成就，但中小河流水文監測建設還不夠完善，可以充分利用無人機等現代信息化工具提高水文工作效率。在水利工程安全監測、水環境監測等工作中，無人機也可發揮巨大作用。當前重要水利工程安全監測工作多用人工攜帶照相或測量設備定期巡檢，水庫及壩區等區域巡查基本靠人工巡查，時間長、效率低，而通過無人機技術可以在短時間內完成庫區和工程的巡查，提高工作效率、縮短巡查周期、加大管理力度，拓展水利工程監控范圍；在水環境監測工作中，遇到大面積水污染問題時同樣可以利用無人機定時定點實時巡查監控，可以快速獲取監測目標現狀影像，同時采用軟件計算無人機采集影像中水污染的面積便可快速完成水污染區域確定和區域變化的監測。

6結語

無人機這種現代化信息技術平臺具備的效率高、耗時短、起降方式機動靈便、響應迅速及多種數據采集能力等特點，是傳統遙感技術的補充并且優勢明顯。無人機在水文監測領域應用前景廣闊，在水資源信息巡查、洪澇干旱災害監測、水利工程安全監測、堰塞湖應急監測、冰凌監測等方面潛力巨大。

作者：齊天龍 任彤 單位：海河水利委員會水文局