无人机遥感技术在水资源监测中的应用

朱可　赵云辉　汪翡翠　闫浩

本文介绍了无人机遥感系统的组成及作业流程，首先利用无人机遥感系统的特点结合实际流域水资源监测任务的需求，并通过实际案例凸显无人机在流域水源监测上的优势，最后对无人机遥感系统在流域水资源监测上的应用前景进行探索。

无人机作为新兴的航空遥感平台，具有高效率、低成本等特点。无人机技术经过了几年的飞速发展，飞行稳定性、起降环境、载重、飞行时间、飞行控制系统都取得了很大的进步。利用无人机搭载可见光相机配备专业的飞行控制软件，组成无人机遥感系统。利用无人机遥感系统开展河流监测，充分发挥无人机大航时的特点，可以快速获取流域两岸高分辨影像数据，极大程度上降低流域水资源调查成本。对无人机航空遥感成果进行专题分析，并将普查成果与实际应用相结合，提高流域普查和流域管理能力。

該流域水资源监测的特点

该流域河水主要由冰雪融水补给，流域在每年冬季处于干枯状态，每年5-6月随着冰雪融化河流水位逐渐上升。此次监测区域河流两岸主要以从事农业为主。流域遥感监测目的主要为流域管理部门获取河流两岸农业用水情况的普查。获取流域内引流渠、固定泵房、大河引水口、临时水泵等用水设施的坐标位置，绘制通往调查点的道路，提取河道右侧1km范围内的农田分布、面积及坐标位置同时构建流域信息数据库，为流域管理部门进行水资源管理提供信息数据。

无人机航摄系统

设备选型

进行无人机航空遥感监测时，根据任务区域的地理环境进行无人机系统的选择。此次航空遥感监测的任务区域内建筑无较少、人员活动较少，同时由于此次监测时机选择流域枯水期，可在干枯河道内进行无人机起降。由于流域监测区域和监测时间的要求，任务区域风力较大，不适合选用小型电动固定翼。综合考虑监测区域现场环境、监测效率、无人机起降场地等因素，此次任务选择采用大白固定翼无人机航摄系统，系统由无人机、航摄相机、飞行控制系统、地面站软件、任务载荷等几部分组成。固定翼无人机及主要参数如图1和表1所示：

任务载荷为佳能5D MARK S相机，最大有效像素5060万，采用35mm定焦镜头，搭配大白固定翼无人机，可适用于大比例正射影像快速数据采集。相机及主要参数如图2和表2所示：

航线参数设计

本次任务的主要目的是进行流域两岸偷水、排水情况的普查，需能从影像中分辨出偷水排水管道、水泵等设施，顾本次航摄要求影像分辨率优于10cm。根据飞行高度、航摄相机焦距、航摄相机传感器尺寸以及传感器分辨率的关系在分辨率需求确定的情况下进行飞行高度计算。

计算公式如下：

f/H=ab/AB

（1）

m=AB/k

（2）

其中，厂为相机焦距;

H为航高;

ab为传感器宽度;

AB为地面覆盖宽度;

m为像元分辨率;

k为地面覆盖宽度对应的像元数量;

像点位移计算如公式3所示：

c=w/m

（3）

其中，v为飞行速度;

t 为相机快门时间;

m为像元分辨率;

c为像点位移量;

根据航摄任务的实际目的及《低空数字航空摄影测量外业规范 》航线规划设计应按照以下原则：

（1）相片分辨率能够优于10cm;

（2）相片航向重叠度满足不低于60%，旁向重叠度满足不低于30%;

（3）全部有效相片中，滚转角可满足不大于12。，除转弯区域外，最大气象影响幅度下滚转满足不大于15。，出现超过8°的片数不多于总数的10%;

（4）同一航线上相邻像片的航高差可满足不大于30m，航线高度容差可优于5m：

（5）影像能够清晰，原始相片或自动处理后的相片可辨认出与地面分辨率相适应的细小地物影像;影像上无大面积反光、污点等缺陷;

（6）因飞机地速的影响，在曝光瞬间造成的像点位移最大不超过1.5个像素;

（7）航线方向与测区长边方向平行，以减少飞行航线数量;

（8）为保证测区内完整的覆盖度和成图精度，航向覆盖超出航摄边界不少于2条基线，旁向覆盖超出测区界限不少于像幅的30%;

无人机遥感监测流程

无人机航摄作业过程分为前期准备阶段、作业准备阶段、飞行作业阶段、数据处理阶段和交付验收阶段。航摄任务的整体流程如图4所示：

无人机遥感系统监测特点

使用成本低

大白无人机遥感监测系统采用模块化组装，操作简单，运输方便。无人机采用滑跑起飞及降落，在紧急情况下可进行散降，起降距离小于50m，无人机飞行高度最高不超过3000m，无人机机组人员标配为3人。

作业效率高

大白固定翼无人机系统翼展3m，载重5kg，有效作业时长3h，巡航速度100km/h。搭载佳能5D MARK S相机时，获取优于10cm分辨率的原始影像数据时，单架次覆盖面积可达50kIT12，对于大面积流域监测具有独特优势。

系统稳定性强

大白无人机遥感监测系统配合专业的地面站软件，抗风能力优于6级，无人机姿态稳定，从而保障航测作业中获取的无人机原始影像质量。可满足大比例尺正射影像图的航测需求。

无人机遥感系统在流域水资源监测中的应用情况

利用无人机遥感监测系统作业效率高的优点，在枯水期特别是流域主管部门关心的农田灌溉前期进行流域遥感监测，快速获取流域内的无人机遥感影像数据。无人机可以实现20km河流流域两岸各1000m范围内一天内快速覆盖且成果分辨率优于8cm。通过处理后获得高分辨率的遥感影像图，对遥感影像图进行专题分析，提取流域主管部门关系的大河内引流渠、固定泵房、大河引水口、临时水泵等用水设施及两岸农田及道路信息并构建专题信息数据库。为流域主管部门执法排查提供详细的数据支持。

数据成果

针对此次项目的具体需求，2017年4月利用固定翼无人机遥感系统快速获取该流域区段内15km河流及河流两岸各1km范围内无人机遥感影像数据，影像分辨率为7cm，成果照片数量4619张。根据河流主管部门需求，该获取时间段为农田种植密集区。通过处理获取的无人机遥感影像数据制作了分辨率为7cm的1：1000高分辨率正射影像图（ DigitalOrthophoto Map，DOM）。根据该区段流域主管部门的需求，对获取的正射影像数据进行专题分析。获取流域内引流渠、固定泵房、大河引水口、临时水泵、农田以及通往用水设施的道路等信息进行专题提取。建立专题分析数据库，生成监测区域专题信息图（图5）。此次共提取得到用水设施93个，其中临时水泵5处、固定泵房14处、固定水泵53处、大河引水口9处、水管12处、提取两岸农田信息总块数627块、农田总面积45881.98亩并绘制该区域内交通路线图。

成果应用及完善

将无人机遥感系统获取的流域水资源监测数据库进行格式转换加载到手机导航软件户外助手当中，流域管理部门执法人员根据水资源监测数据库中标注的信息进行逐一排查并将所标注信息的权属信息添加到水资源监测数据库中，对数据库进行完善。构建最终的水资源监测数据库，为水资源管理合理调配，用水情况实施掌握提供有力的數据支持。

在实际现场核查的过程中，核查人员根据标注信息进行核查，核查准确性和完整性得到了质的提高。通过实际核查，现场核查人员以前通过人眼核查，无法发现的隐蔽偷水排水口被准确发现、依法取证。同时借助于无人机遥感成果数据准确的定位精度，取代了以往的手持GPS较低的定位精度，使得用水设施点位精度的准确性得到了较大的提升。以往测量成果的位置不准、面积不准的问题得到了根本性的解决。

通过流域主管部门的实际检验，无人机遥感系统在流域水资源监测上的应用得到了充分的肯定，建立了初步的流域用水设施数据库，流域两岸农田信息数据库，流域两岸道路信息数据库。推动该区域流域水资源管理由电子表格向二维电子地图数据库转变，提高了流域水资源管理的综合能力。

总结及展望

通过此次任务充分验证了无人机遥感系统在流域水资源监测中的实际价值。通过无人机遥感监测系统获取的数据建立的水资源监测管理数据库极大提高了水资源管理的综合能力。通过此次项目验证有利于流域管理单位建立整条流域的水资源管理数据库，通过无人机定期巡检、定期数据更新、快速应急响应等，构建完整的可变的水资源管理数据库。该数据库后期可接入网络智能水流监测设备、智能水泵、智能电表等设备，可实现用水的实时掌控。流域水资源管制水平将得到质的提升。

（参考文献：略。如有需要，请联系编辑部。）