浅议低空无人机在河道管理中应用研究

宋 强 王昆仑 黄祚继 董丹丹 张 蕊

随着智慧水利战略的不断深入和强化，河道测量在水利系统中发挥着举足轻重的作用。河道测量是针对河流的开发整治或者对河床以及两岸的地形开展测绘工作，并完成相应信息的采集、绘制和水位相关的资料。传统河道测量存在工作量大、效率低、采样率不高，且数据处理难以满足河道信息处理的要求等问题。低空无人机影像具有分辨率高、作业周期短、灵活性大等优势，无人机航测技术为逐步实现河道数字化管理提供基础资料和技术支撑。本文针对传统测量上的不足，将无人机技术应用于河道测量上，使得河道测量工作更加方便、快速进行，高效推进河道管理工作。

一、无人机组成

无人机是无人驾驶飞机的简称UAV（Unmanned Aerial Vehicle），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机。能够根据计算机预先设定航线轨迹进行巡航飞行，并在飞行过程中通过不断调整飞行姿态从而完成设定任务。

无人机要完成飞行任务，除需要飞机及其携带的功能设备外，还需要地面控制系统，以及指挥控制和必要的操作、维护人员等。无人机应称无人机系统(Unmanned AeriaI System，UAS)，主要有飞行载体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。其中飞控系统又称为飞行管理与控制系统，属于核心部分，对其在运行过程中的稳定性、数据传输的可靠性、实时性等存在这举足轻重的作用；数据链系统能够实现对遥控指令进行准确传输，并保证接收、发送信息的实时性和可靠性，用以实现信息反馈，从而顺利、准确地完成任务。其结构如图1所示。

二、无人机在河道管理上的应用

无人机以及机上搭载的数据采集、接收和处理等软硬件，通过运用各种技术手段，对河流河道、湖泊水库的相关信息进行快速获取，为水利、环保部门提供更多的监控信息。

1. 应用无人机对河道进行测量的意义和优势

相较于传统的航空摄影测量技术，低空无人机遥感在河道测量中对起降场地的要求较低，几十米的距离即可保证起降的安全性。同时，无人机在平台的构建和系统的维护维修上所花费的成本比较少，大大减少了河道测量的成本费用，并由于其效率高能够带来很大的经济效应。

传统高分辨率遥感影像主要存在以下共性问题：一方面是存档数据时效性差；另一方面是时间分辨率不高。无人机航拍很好地解决了这一难题，团队可以随时出发，随时进行拍摄，相比有人机测绘和卫星拍摄，可在较短时间内完成任务，并及时提供所需成果，且成本低。其次，无人机本身的体积比较少，在具体操作过程中相对简单，工作效率会得到提高。对于受到河道地理位置和各种条件的影响，在测量开展之后容易出现一些高重叠度的影像，无人机在这类型影像的获取上对后续工作的可靠性会有所增强。利用无人机对河道开展测量，可以短时间内完成测量任务，降低了工作成本。

2. 操作流程

无人机工作流程如图2。

利用无人机开展河道测量工作，首先对测量的场地进行选择，然后开展场地的风向风速测定和检查工作，结合场地情况和实际要素，通过无人机配套设备地面站，给无人机派发任务，通过电脑对任务航道进行设计，最后实施飞行任务。飞行航拍主要是自动拍摄，在降落之后自动地完成数据的匹配、检测和预处理，减少后续处理所耗费的时间，提升测量的工作效率。可在特定区域，根据历史影像和无人机飞行成果作影像对比，可更形象、直观看出地物变化情况。

由于无人机中匹配有DRTK 模块，且采样频率可达0.1Hz，正常情况中定位精度可达厘米级。对土方工程的测量，先在数字化测图软件中展绘高程点，其次用ENVI 中的监督分类法识别区域，并对区域进行提取，然后利用所测高程建立DEM 高程网后绘制等高线，最后对同一区域进行两期测量，利用两次观测得到的高程数据建立模型后叠加，并计算两期区域内土方工程变化情况。根据数据分析结果，解算出所需要的填挖方量。

图1 无人机系统组成结构图

图2 无人机工作流程图

3. 应用

根据测量结果，可绘制正射图、数字高程模型、地形图等。同时对河道的非法排污、捕捞、养殖、采砂、围垦、侵占水域岸线等违法违规行为，便于相关管理部门能够及早发现、及时处理。（1）河道岸线整治，利用无人机技术可以进行河湖岸线的管理。（2）河道三维建模，无人机倾斜摄影技术凭借快速高效、机动灵活、成本低等优势，正慢慢颠覆传统测绘的作业方式，已成为测绘行业“新宠”，将倾斜摄影技术应用到无人机上，实际就是在做一个三维模型，而建立起来的这个模型更加真实、更加直观、更加符合实际。

三、精度测评

通过VirtuoZo 软件输入影像数据进行空三测量，对影像的pos 数据进行定向分析，根据国家所编制的制图规范和标准进行地物的标注和修饰工作。

DEM 来源于无人机影像获取pos高程数据，通过对高程点的匹配算法进行同名点的高程匹配和校核生成相应的点云数据，从而获取相关地物的DEM 高程数据。所生成的DEM 经过建立相应的模型算法进行点位的校核后，即是对其他数据的考评与参考标准。

为检查测图精度，通过星海达IRTK2 系列进行实测40 个野外特征点三维数据，其特征点选取为斑马线、建筑物拐角等明显地物点。RTK 实测40 个点数，平面中误差为0.22，高程中误差为0.33。结果表明，文中运用的无人机精度已达到传统测绘仪器的要求，可进行常规工程放样、地形测图，为各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了作业效率。

四、结语

无人机的快速机动性非常突出，并且自身的重量比较小，在物资的消耗上比较低，不会出现人员危险的情况，在一些简单条件的辅助之下就可以立即开展工作。无人机在使用过程中可以进行低空飞行，在一段平整的路面实现起降之后，就可以比较快速、便利地对影像数据进行采集，利用无人机拍摄后生成的数字高程模型和正射影像，完成对一些较隐蔽和不易发现的死角进行测量及对河道的常态监测，从而使得河道管理工作效率得到大大提高，为河道的管理和维护提供了便利■