无人机技术在观音阁水库的应用研究

朱 菲

（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003）

无人机技术在观音阁水库的应用研究

朱 菲

（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003）

随着无人机技术的不断发展，其在水利行业的应用受到广泛的关注。为提升水利信息化水平，运用无人机技术作为空间数据获取的重要手段，是对卫星、有人飞机遥感等传统遥感技术的有力补充。以无人机技术为核心，以其在观音阁水库的测绘应用为实例，介绍无人机地面站的操作流程，以及图像数据处理软件Pix4Dmapper 的使用方法，论证无人机具有适用地形广泛，影像传输实时性强，运行成本低，操纵快速高效等优点；最后剖析无人机技术在山洪灾害、水资源、水利工程测量规划等方面的应用方向，并指出其在水利行业发展亟需解决的问题。

无人机；水利；遥感；信息化

0 引言

无人驾驶飞行器简称为无人机（UAV），是采用无线电遥控设备或自备的程序控制装置实现操纵的不载人飞机[1]。由无人机机体，飞行控制、数据链、发射回收、载荷等子系统，以及电源系统等构成无人机系统（UVS）[2]。根据作业任务要求的差异，无人机搭载的载荷系统也不尽相同。当低空飞行时，可搭载正射云台和可见光相机对地面垂直拍摄，得到具有一定重叠度的图像和 POS 数据，再经过无人机图像处理，得到作业区的正射影像（DOM）、数字表面（DSM）等模型成果。无人机作为一项新兴的遥感监测平台，具有实时性好，效率高，风险小，成本低的优点，越来越受到测绘人员的青睐。

观音阁水库位于辽宁省本溪市满族自治县境内太子河上游，是一座以防洪、供水为主，兼有灌溉、发电、养鱼等综合利用的大（I）型水利枢纽工程[3]。2017 年 5 月，首次采用多旋翼无人机大范围、全覆盖地对观音阁水库进行航测作业，得到水库影像信息一手资料，为科学测绘、合理施工、防洪减灾提供有效的技术支持。

1 地面站调试

地面站是无人机系统的指挥和控制中心，主要实现飞行控制、数据链管理及机载任务设备控制功能[4]，同时可以监控无人机系统运行状况，包括飞行状态、任务载荷、动力系统参数等。在组装飞机完成后，将地面站主控和 GPS 差分天线与计算机相连接，分别打开主控和飞机遥控器的电源，选择正确的遥控模型后，使飞机接通电源。按以下步骤调试：1）通过对自驾仪安装、发动机测试、自驾仪、地面站等 4 个模块参数的设置与调试，使无人机达到正常的工作状态；2）在主界面加载地图，目的是在规划无人机的航线时，可以根据地图的地物、地貌确定飞机飞行时的相对方位，使操作员能为执行任务选择有利的地形和起降点位置；3）实现飞行任务规划与执行，包括航线规划和航拍参数设置 2 部分内容。

1.1 航线规划

航线规划要依据任务和地形环境的情况、无人机飞行性能、天气条件等因素，设置航线规划参数，计算得到生存能力最强，任务完成最佳，综合指标最优的航线[5]，主要有自由航线规划和航摄飞行计划 2 种方式。

自由航线规划是在地图上自由规划航点，从而形成一个闭合飞行线路，并且，可以对每个航点进行编辑，包括位置、高度、机头和航线夹角、任务动作等信息，也可以对整个航线进行编辑、删除、查看和保存。无人机起飞后，将进入输入的起始航点，按照指定的航线执行任务。目前，自由航线规划主要用于航拍摄像或者航测线状目标。

航摄飞行计划是拍摄正射影像最常用的航线规划方法，也称为扫描航线规划。扫描航线规划的目的是通过对无人机及机载相机的设置，对航线规划区域拍摄一系列具有一定航向和旁向重叠度的照片，主要用于航测面状目标。本次观音阁水库大坝正射影像作业使用的是航摄飞行计划，实现无人机按照既定轨迹飞行获取水库航拍图的目的。

1.2 航拍参数设置

航拍参数设置分为飞行、成像和载荷等 3 部分参数内容，具体分类如图 1 所示。飞行参数中飞行高度指飞行器相对于平均平面的高度；飞行速度是指设定的突防和巡航的速度；飞行方向一般采用正东西或者正南北的顺序或者逆序向；航线长度指任务飞行方向作业区域长度；航线数量是指区域航摄线的实际条数。

图 1 航拍参数分类

成像参数需要在重叠度设置模块输入成图比例尺、航向和旁向重叠度，当成图比例尺设定后，地面分辨率将自动生成。在水利行业中，根据地形地势条件不同，航向和旁向重叠度的经验值也不同。对于地面起伏不大的测区，例如对灌区、河流、平原水库等工程的测绘，建议航向重叠度设置为 70%～75%，旁向重叠度设置为 60%～65%。对于观音阁水库这样的山丘水库或山洪沟地面高程变化大的测区，建议航向重叠度设置为 80%，旁向重叠度设置为 70%。

载荷参数需要在航拍参数设置中选择所使用的相机型号，与之对应的相机参数将自动生成，可显示出相机分辨率、焦距和快门差等信息。如果在备选的选项里没有对应的相机型号，可以在相机管理中手动设置，再选择相机安装方向即可。值得注意的是，相对航高、拍照和航线间距分别在成图比例尺，航向和旁向重叠度数值设定好后，自动生成，无需手动添加。

2 图像数据处理

无人机测绘在水利行业的应用有效地弥补了卫星和有人机等遥感之间的空白点[6]，提升了遥感的时效性、连续性和精确性，但受到自身性能的限制，具有稳定性差、载荷轻、姿态精度不够等缺点，给测绘技术带来困难和挑战。所以，在传统测绘技术的基础上，无人机测绘的图像数据处理对处理软件和技术人员专业水平提出了新的要求。

2.1 图像处理软件

Pix4Dmapper 是目前常用的无人机数据和航空影像处理软件，具有自动化水平高，可同时处理多架次、数千张影像，支持多种传感器和自动识别相机型号的优点。软件的输入要素是 .jpg 或 .tiff 格式的观音阁水库影像及 POS 等数据，如果对成果无地理坐标要求，也可以不输入图像的 POS 数据。Pix4Dmapper 数据处理成果包括正射影像图（DOM）、数字表面模型（DSM）、Google 瓦片（KML）、三维点云（LAS）、空三结果和质量报告等。

2.2 数据初步处理

导入水库影像和 POS 数据之后，Pix4Dmapper软件可以对数据进行本地处理，包括初步处理、点云加密、生成 DSM 和 DOM 等 3 个步骤。初步处理的目的是过滤掉图像的噪声干扰和校正镜头畸变的影响，保证后续的处理质量，包括快速和高精度处理。其中，快速处理主要用于测区拍摄完成后的即时图像快拼，可以直观地查看观音阁水库的航拍区域图，并快速检验飞行数据的质量情况。快速处理完成后，Pix4Dmapper 软件会自动生成质量报告，主要内容包括工程摘要、质量检测、校正细节、重叠图像数、相机优化参数等项目，为飞行数据是否满足要求提供参考。

2.3 数据高精度处理

高精度处理是生成观音阁水库影像成果的必经过程。首先，需要对飞机飞行的姿态、速度、高度及地球自转多种原因导致图像相对于地面目标发生的几何畸变进行几何校正[7]。其次，依据立体像对的相对和绝对定向等摄影测量原理，利用全站仪对测区具有明显特征的位置进行测量。选取测区周围区域 6 个控制点，中心区域 1～2 个控制点，并确保它们分布相对均匀。考虑到观音阁水库部分测区高程变化较大，可增加部分控制点提高数据精度。最后，进行空中三角测量和点云加密，如图 2 所示。在这里，可以利用多台计算机对飞行数据行进分批、分期处理，再将处理结果整合，从而节省处理的时间。此外，Pix4Dmapper 软件具有其他辅助功能，如镶嵌修编功能，可以对水库扭曲的大坝边缘图像进行替换，也可以对选定的图像区域进行亮度、对比度的调试；点云过滤功能可以通过设置将部分点云过滤掉，保留有用的点云，有利于成图效果及后期开发。

图 2 空中三角测量

2.4 数据图像成果

经过高精度处理后，可获得较为准确的各影像外方位元素，依据这类定向元素，利用数字微分纠正的间接方法，能够得到单张水库航摄像片的正射影像。考虑到无人机飞行高度较低，单张像片具有视野范围较小的缺点，需要采用图像拼接技术进一步拼接出大区域场景的正射影像，主要包括图像配准和融合 2 个步骤。最终，得到观音阁水库的 DOM和 DSM，分别如图 3 和 4 所示。

图 3 观音阁水库大坝正射影像图

图 4 观音阁水库数字表面模型图

3 无人机技术在水利行业的发展

近几年，在我国无论是消费级无人机还是工业级无人机均得到快速发展。工业级无人机应用最广泛的是电力、国土、环保等部门，其中水利行业无人机应用发展相对滞后。但是，随着水利信息化的不断发展，无人机技术逐渐与水利行业中诸多业务相结合，特别是在山洪灾害监测与灾后评估、紧急搜救、冰凌应急监测、水土保持规划与监测、水资源用地信息管理[8]、水利工程划界确权测量与监测、水域覆盖面积调查、工程施工规划、工程勘察测量、土石方工程量计算等方面扮演越来越重要的角色。与此同时，无人机技术革新也不断地应用到水利行业中。在无人机机型方面，从固定翼、多旋翼，到变模态、多模态，无人机不断发展与进化。在搭载设备方面，利用机载的多光谱相机监测土壤墒情，利用机载倾斜相机激光雷达构建高精度水利工程三维及山洪沟数字高程等模型，利用机载热成像仪监测非法入河排污口等。在未来，不同种类的无人机及机载设备可以利用自身的优势满足水利发展的广泛需求。

4 结语

无人机技术在水利行业发展的同时也存在一些问题，主要体现在以下几个方面：

1）由于无人机发展的时间相对比较短，对无人机技术的不了解，导致对无人机的误解甚至是偏见。许多人对无人机的了解只局限于诸如大疆等品牌的消费级无人机，甚至有些人对无人机的概念还停留在玩具或者航模上，观念意识的局限性影响了无人机的发展。

2）水利行业无人机大多在自然条件恶劣的野外山区作业，加之无人机行业发展还不十分健全，售后责任界定不清，相关保险业务也发展不完善，增加了无人机作业的风险。

3）无人机飞行相关的法律法规尚未完全成熟，包括低空空域开放及开放后的管理，以及如何界定重要水利工程航拍数据是否涉密等问题依然存在，制约了无人机的发展。

随着无人机及周边行业的不断完善，相关“云监管”技术的深入应用，以及相关法律体系的逐步完善，将进一步促进无人机行业的健康、有序发展。

[1] 郑波，汤文仙. 全球无人机产业发展现状与趋势[J]. 军民两用技术与产品，2014 (8): 8-11.

[2] 甄云卉，路平. 无人机相关技术与发展趋势[J]. 兵工自动化，2009，28 (1): 14-16.

[3] 董永刚. 观音阁水库控制网的布设与实施[J]. 东北水利水电，2016，34 (9): 3-5.

[4] 刘洋，马丽娜，刘磊. 无人机地面站飞行监控系统软件设计[J]. 计算机测量与控制，2014，22 (1): 294-296.

[5] 李太平，陈艳，袁大天. 航路规划的试飞评估技术初步研究[J]. 电子测试，2016 (12): 020.

[6] 吕书强，晏磊，张兵，等. 无人机遥感系统的集成与飞行试验研究[J]. 测绘科学，2007，32 (1): 84-86.

[7] 杜丹，潘志斌，于君娜，等. 带地理信息的无人机遥感图像拼接系统的实现[J]. 无线电工程，2014，44 (6): 39-42.

[8] 姜文来，唐曲，雷波. 水资源管理学导论[M]. 北京：化学工业出版社，2005: 269-270.

Research on application of unmanned aerial vehicle technology in Guanyinge Reservoir

ZHU Fei
(Liaoning Province Hydropower Science Research Institute, Shenyang 110003, China)

With continuous evolution of UAV technology, the development of its application in water conservancy industry receives wide attention. To improve the level of water resources informatization, UAV technology provides an important means of space data acquisition, which is a powerful supplement of those traditional remote sensing technology, such as satellite and manned aircraft remote sensing. The operation procedure of UAV ground station and the usage of image data processing software Pix4Dmapper are both introduced based on the core of UAV technology and the mapping application on Guanyinge Reservoir. Those advantages that are wide ranges of terrain application,strong real-time transmission of videos, low cost of management and eff i cient operation of projects are proved. The application direction is analyzed in aspects of mountain torrents disaster, water resource, hydrographic engineering survey, etc. And the problems to be solved are pointed out in the industry of water conservancy.

unmanned aerial vehicle (UAV); water resources; remote sensing; informatization

V279；TP873

A

1674-9405(2017)06-0055-04

10.19364/j.1674-9405.2017.06.011

2017-07-06

朱 菲（1990-），女，辽宁沈阳人，研究生，主要从事水利自动化及信息化研究。