小型無人機在水利工程勘測中的應(yīng)用

　　摘 要：無人機行業(yè)發(fā)展迅速，在水利工程勘測項目中，有很多環(huán)節(jié)實際使用無人機進行工作。本文結(jié)合行業(yè)發(fā)展趨勢，對無人機在水利工程中的應(yīng)用情況及其可以實現(xiàn)的內(nèi)容進行了調(diào)查，現(xiàn)作如下表述，希望能對相關(guān)行業(yè)有一定的借鑒作用。

　　關(guān)鍵詞：小型無人機;水利工程;勘測;應(yīng)用

　　《山西水利雜志》辦刊宗旨是圍繞水利工作實際，宣傳與貫徹黨和國家有關(guān)水利工作的方針、政策，反映與交流水利建設(shè)與管理諸方面的成績、經(jīng)驗、情況、問題和意見，在指導水利工作、推廣典型經(jīng)驗、介紹水利經(jīng)濟理論、提倡科學治水和學術(shù)爭鳴、促進水利工作改革、提高經(jīng)濟效益方面發(fā)揮積極作用。

　　水利工程是為了控制、利用和保護地表及地下水資源與環(huán)境而修建的各項工程建設(shè)的總稱。按其服務(wù)對象，可分為防洪工程、農(nóng)田水利、水力發(fā)電、航道和港口工程、供水和排水工程、環(huán)境水利工程、海涂圍墾工程等[1]。中小型水利工程勘測，通常存在項目規(guī)模小，投資不高，技術(shù)人員少，技術(shù)復雜等問題。而小型無人機便于攜帶、起降靈活，可以實現(xiàn)自主飛行與低空飛行，較好地契合了小型水利工程的規(guī)模小，技術(shù)人員少的特點。

　　小型無人機系統(tǒng)，通常由飛行平臺、傳感器系統(tǒng)、操控軟件、地面輔助設(shè)備等組成，其中，傳感器的基礎(chǔ)功能包括攝像及攝影，也可以結(jié)合輔助設(shè)備包括定位定姿系統(tǒng)、聲像系統(tǒng)、光電系統(tǒng)等實現(xiàn)更多功能，具有成本低、機動靈活、影像實時傳輸、高危地區(qū)探測等特點[2]。目前，小型無人機已經(jīng)可以開展測繪航空攝影、攝影測量等工作。

　　1攝影攝像

　　小型無人機的基本功能是攝影攝像，該功能在水利工程中的應(yīng)用有以下幾個方面：①丘陵地區(qū)、線狀工程的現(xiàn)場勘查航拍;②制作全景VR產(chǎn)品。

　　1.1現(xiàn)場查勘

　　丘陵、山區(qū)地帶的水利項目的特點是現(xiàn)場作業(yè)條件較差、交通不便，而需要查勘、了解的信息較多。傳統(tǒng)作業(yè)模式需要設(shè)計人員步行上山實地查勘，該模式效率低下，部分區(qū)域需要向?qū)В踔梁笄谌藛T搬運物資徒步上山，工作難度大、效率低，且存在一定的安全隱患。小型無人機的特點，有效彌補了傳統(tǒng)作業(yè)模式的缺點。勘察人員攜帶無人機作業(yè)，相當于在項目空中多了一雙眼睛，小型無人機已經(jīng)可以做到7km的無線圖傳信號，在實際山區(qū)操作過程中，可以實現(xiàn)1km以內(nèi)的安全飛行，可以對項目區(qū)現(xiàn)狀情況一覽無遺。海涂圍墾、河道等線狀工程，縱向大，橫向窄，傳統(tǒng)現(xiàn)場勘查不能很好地了解工程全貌，需要多人多次到現(xiàn)場分段分點了解。而無人機航拍可以一次性將起飛位置半徑5km的現(xiàn)場面貌進行航拍視頻拍攝，數(shù)據(jù)獲取簡便，效率高。此類線狀工程的現(xiàn)場查勘，特別適合用無人機作為輔助手段。

　　數(shù)據(jù)獲取由無人機的攝影攝像功能完成，通過操控設(shè)備，可以實時進行拍照，成果自動保存在無人機設(shè)備的存儲卡中，內(nèi)業(yè)只需要對存儲卡中的圖像、視頻進行拷貝即可，成果以TIF格式的圖像及MOV格式的影像文件為主。數(shù)字資料可以長期保存，便于管理，反復調(diào)閱，利于后期的檔案制作。

　　1.2 VR全景產(chǎn)品制作

　　VR全景，是將相機環(huán) 360 度拍攝的一組或多組照片拼接成一個全景圖像，其算法是通過識別匹配特征點對，去除錯誤的匹配特征點對，保留正確的匹配特征點對，從而進行提純和拼接，實際運用中相鄰圖像有約30%的重疊度即可完成全景圖的制作。有了全景圖之后，通過計算機技術(shù)實現(xiàn)全方位的真實場景還原，并可以進行互動[3]。

　　專業(yè)VR全景相機需要多個鏡頭，在固定點的水平方向及上下方向進行圖片素材采集。無人機技術(shù)可以從空中進行數(shù)據(jù)獲取，根據(jù)無人機攜帶的鏡頭參數(shù)，通常以水平0°、俯角30°、俯角60°、俯角90°、仰角30°，以水平及豎直重疊度不低于30%的要求對項目地進行照片拍攝，即可獲取到可以進行全景圖制作的基礎(chǔ)資料。全景圖的制作主要通過Helmut Dersch公司的PTgui軟件進行，輸出全景圖之后，再通過Photoshop軟件對全景圖進行細節(jié)完善。制作完成后的全景圖可以上傳到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)在線瀏覽，也可以使用Pano2VR軟件，將全景圖制作成FLASH文件，便于離線瀏覽。

　　制作完成的全景圖，反映的是項目現(xiàn)場的實際情況，在勘察設(shè)計過程中，既可以直接通過VR全景圖與參建各方進行一些現(xiàn)場展示，也可以在全景圖的基礎(chǔ)上，制作成可以進行互動的設(shè)計效果圖。如圖1所示。

　　2無人機攝影測量

　　航空攝影測量，是從二維對地觀測影像提取三維地表空間信息的一門科學與技術(shù)。該技術(shù)從一開始利用各項輔助數(shù)據(jù)減少地面控制點成圖，到以3S(GPS、GIS、RS)為主要技術(shù)手段，以4D產(chǎn)品(DEM、DOM、DLG、DRG)生產(chǎn)為最終目標的數(shù)字攝影測量時代[4]。隨著技術(shù)的進步，目前小型無人機也可以進行4D產(chǎn)品制作，且更加安全便捷，成本也更低。

　　以大疆無人機為例，其2018年出品的Phantom4RTK，通過無人機自主飛控軟件DJI GS pro，按照航空攝影規(guī)范劃分航測分區(qū)及航線，設(shè)置航拍參數(shù)如相片重疊度、航線旋偏角、飛行高度等，即可以使無人機按照既定規(guī)劃航線自主飛行，自主拍攝，自主返航，完成航空相片拍攝工作。外業(yè)相片拍攝時，還需要布設(shè)足夠的地面像控點，并測量其坐標、高程。至此，外業(yè)數(shù)據(jù)采集便完成了，相比傳統(tǒng)測量方法，極大地節(jié)約了人力、物力。

　　內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，使用Pix4Dmapper軟件。Pix4Dmapper 無人機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)解決了無人機數(shù)據(jù)處理過程中的 POS 信息不準確或沒有、處理速度慢、操作復雜、數(shù)據(jù)量大等問題， 實現(xiàn)了無人機數(shù)據(jù)處理的快速、自動化、專業(yè)化的高精度處理， 無需專業(yè)知識，無需人工干預，即可將數(shù)千張影像快速制作成專業(yè)的、精確的二維地圖和三維模型。該軟件的成果包括正射影像圖DOM、數(shù)字表面模型DSM、數(shù)字地面模型DEM、Google瓦片KML、三維模型OBJ、三維點云LAS/文本、空三結(jié)果和精度報告等[5]。數(shù)據(jù)處理時，加入外業(yè)相片控制點，進行空三解算、絕對定向，制作完成的帶有準確坐標、高程信息DOM、DSM可以通過EPS地理信息工作站成圖。制作完成的數(shù)字線劃圖DLG，成果精度經(jīng)驗證可以滿足1：1000大比例尺地形測量的需要[6]。無人機的應(yīng)用使傳統(tǒng)測繪工作流程更優(yōu)，效率更高。