无人机在水利行业中的应用

梁文洁 何香建2

（1.湖南天绘测绘科技有限公司 长沙市 410000；2.湖南省水利水电科学研究院 长沙市 410007）

在我们常规的测量当中，精度要求不高的数据，通常采用人工拿手持式GPS实地采集，位置精度通常是米级。精度稍微高一点的则采用全站仪与GNSS RTK，全站仪的精度高，但采集数据时，必须双人协作，作业半径不到500 m，并且两人之前必须通视，在野外极为复杂的情况下，使得作业效率极低。另外使用GNSS RTK可以单人作业，作业半径可达（5～15）km，而且使用 CORS（城市差分参考站）技术，使得作业范围可达全湖南全省（依赖手机网络），这个案例在2014～2015年度的湖南省山洪灾害调查评价中，也有非常成功的应用。但是野外依然存在大量地区，是外业工作人员无人法到达的，这使得我们的测绘工作存在盲区。而用无人机进行空中测量，可以不受地形限制，直接从空中捕捉地面影像，采集照片位置信息，再通后无人机后处理软件，生成数字高程模型与正射影像，在室内完成最终的特征采集工作。用小型多旋翼无人机采集1 km2面积的时间约为18 min，仅消耗约0.1 kW·h的电。而人工差不多需要一周的时间才能完成，并且花费也非常高，危险性也比较大。因此，我们先后使用无人机完成古丈县泥石流、衡山县山体滑坡、邵阳渔塘坍方等自然灾害的现场应急测绘，“小农水”项目水源周边的快速测绘、典型小流域面积的统计。

1 无人机简介

常用的无人机有两种，一种是旋翼，一种是固定翼。旋翼机几乎对起降场地没有要求，垂直起降，而且相对稳定，容易上手。缺点是耗电量大，效率稍低，一个起降大约作业面积为（1～2）km2。非常适用于小型项目，比如“小农水”水源地勘测。

以大疆无人机为例，首先是方便携带，整机约4 kg的重量，起飞重量仅1.25 kg。其次是操作简单，我们仅需到现场用手机在谷歌地图上框选一块待测范围，软件会自动计算航线密度、无人机飞行速度、拍照时间间隔以及手动调整走向，每一个航线任务都是由若干航点组成，由手机上传给无人机后，无人机自带的GPS会依次自动导航到这些点，期间自动拍照，以便完成扫描整个测区的任务。手机与飞机的通讯距离通常在7 km，如果信号断开，无人机依然可以根据飞行控制系统中缓存的航点数据，自主完成当前任务后自动返航。在不足以完成当前任务时，无人机也能够自动返航，更换电池后重新回到该点继续任务。固定翼无人机相对多旋翼无人机主要是对起降场地要求比较高，因为不能垂直起降，所以需要跑道，但是巡航速度快，航时长，适合大面积作业。

2 操作流程

项目涵盖郴州、常德4个“小农水”项目水源的勘测，项目要求提供1∶2 000正射影像图，地面分辨率0.08 cm，为了追求更好的效果，我们实际飞行设置在了0.05的分辨率。之后针对项目具体要求，拟定如下流程（图1）。

图1 作业流程

因为项目本身面积不大，可以提前规划，也可以到项目现场以后再进行规划。得益于智能移动设备与网络的发展，可以在手机上的无人机航测规划软件直接下载高清影像图，以获得更为准确的信息。规划好以后，编号、保存，之后直接上载给无人机。大疆的小型无人机设计极为简易，安装螺旋桨后，开机等待数秒之后，即可完成航线加载，并一键起飞。完成任务后一键返航。

地面像控点是作业转换坐标系与控制整个项目的关键环节，需要测量出现场的一些特征点（如道路转角、或者人工用石灰标写的L型），像控点应当均匀布设在测区四周，并且中部也有1～3个。

将照片 （照片本身已经由无人机自动写入POS信息）直接导入PIX4D软件即可，之后可以一键生成DSM与DOM。

3 精度检验

《1∶500，1∶1 000，1∶2 000 地形图航空摄影测量数字化测图规范》（GBT 15967-2008）中规定了地形图航空摄影测量数字化测图工作中，正射影像的精度要求，具体如表1所示。

图2 常德某村“小农水”项目DOM展示（局部）

图3 常德某村“小农水”项目DSM展示（局部）

表1 点位精度要求

成果的精度直接影响了项目质量，所以该应用将会利用目前比较常见的GNSS RTK进行检查点以及地物特征点的精度复核。复核成果汇总如表2。

从检验对比表可见，制的正射影像图完全满足《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形图航空摄影测量数字化测图规范》（GBT 15967-2008）当中的要求，因此可以使用到对水源附近地形勘测的需求当中。

表2 精度检验表 M

4 补充

大疆的小型无人机在小范围测量中有着无可比拟的优势，单人即可携带作业，学习成本低，仅数万元即可入手，可以迅速上手，取代精度相对要求较低的人工地形测量。其拥有先进的计算机视觉定位技术，即使在非常复杂的地形下，也会自主分析地形选择平整区域降落。使用智能手机即可实现操作，与传统航测终端——笔记本电脑相比，野外更容易充电与获取网络。但是其缺点也非常明显，仅30 min的续航，以及需要GNSS RTK进行地面布控，而布设地面像控点，往往占据外业的40%～75%甚至更多的时间。而相应取代的办法则是选用固定翼以获取更长的飞行时间，并且在无人机上加装PPK以减少像控点数量，或者加装RTK甚至可以做到不使用像控点。目前带RTK的无人机，比较成熟的产品要属美国TOPCON公司生产的天狼星，其已经通过国家光电测距仪器检测中心的测试，满足1∶500测图的使用。

不止于测绘，还有防汛水情的勘察，泥石流等突发性自然灾害现场的快速建模及面积统计、典型小流域的航测等等。相信无人机在未来，会在水利行业拥有更为丰富的应用，服务于水利，服务于大众。

[1]刘昌军，郭良，兰驷东，赵炎增.无人机技术综述及在水利行业的应用[J].中国防汛抗旱，2016，（03）：34-39.

[2]聂喆，高广利，郜海滨.无人机系统在水利上的应用[J].东北水利水电，2013，（12）：62.