辽宁防汛抗旱工作中无人机的应用分析

2021-01-07王世杰

黑龙江水利科技 2021年6期

王世杰

(辽宁省凌源市水务局，辽宁凌源 122500)

1 无人机概述

无人机技术是利用遥感传感器、计算机、无人机等实现空中平台搭建、数据信息采集、遥感影像处理的综合型技术，其生成的图像具有精度高、携带方便、自动化好、反映迅速等特点[1]。通过航拍、三维空间运算、矢量化处理等程序可以提取待测量对象的坡度、体积、形状、植被覆盖率等数据信息，从而解决传统方法存在的效率低、精度差、到不了、看不全的问题[2]。

无人机实现飞行目标及完成相应任务的根本途径是携带不同的设备，其简称为“UAV”。根据不同的平台结构可以将无人机划分成多旋翼无人机、无人直升机、固定翼无人机三类[3]。其中，固定翼无人机必须在动力系统作用下滑行跑道以实现起飞、降落；无人价值飞机存在飞行效率高、续航能力强、飞行速度快、载重量大等特点；多旋翼无人机和无人直升机可以定点悬停或垂直降落，起飞和降落过程中甚至不需要起降场地，但存在飞行效率稍低、耗电大等缺点[4]。多旋翼无人机相对于无人直升机，一般存在成本较低、运行相对稳定、操作方便、结构比较简单等优点。文章以辽宁省防汛抗旱指挥部拥有的六旋翼无人机为研究对象，深入研究了其应用特点和基本功能。

1.1 应用特点

六旋翼无人机具有机动灵活、操作简单、携带方便、价格低廉等特点，可搭载多种信息采集和数据传输设备完成多种任务。实际应用时，多旋翼无人机系统易于维护、操作简便、操作人员培训周期短且低空摄影系统成本低，能够大大节省防汛抗旱投入的物力和人力。

1)自动化处理。高精度、全自动数据处理及影像提取是无人机技术的明显优势，依据自动化功能可以实现像主点、相机型号、聚焦等EXIF信息的读取，并准确的识别相机镜头径向与切向畸变差系数，对影像畸边进行自动校正，为输出高精度影像提供支持。在自动化处理时无需对飞行姿态有关数据进行专门的处理，操控员按照地面提供的GPS信息就可以直接查看与处理[5]。根据系统自带功能能够完成初始影像、DOM、DEM等数据的处理，并为专业技术软件(如RS、GIS等)计算提供数据信息，通过输出可读文件ERDAS、Arc GIS、 Socet Set等实现与摄影测量软件的无缝集成[6]。

2)成果系统。通过自动切片处理DOM数据输出相应的PNG、KML文件，采用Google Earth可以实现成果的预览；此外，无人机技术与传统的三维建模技术，具有明显的成果输出速度和高精度数据优势。在完成影像正射校正的同时利用系统模块，可以完成影像的匀色处理，将所有扭曲的视角进行校正后输出影像。在DSM中每个像素都存在与其一一对应的高度值与坐标，按照GIS标准软件可以生成等高线以及精准测量坡度、距离、体积等数据。

3)空间分辨率达cm级。采用空间算法确定初始影像的相关参数及其真实位置，依据区域网平差技术、全部影像内容和独立的优化技术无人机可以自动完成影像校准，并且保持测量、摄影输出标准格式与所需数据格式一致[7]。根据无人机自带GPS软件可完成地理位置的估算，并且处理过程中无需其它GCP模块，为了满足更高精度的绝对定位需求可以利用直观便携的界面，经空间计算与控制点的田间实现cm级分辨率精度和1∶200比例尺等高线的输出。

4)反应快速。无人机技术在几分钟内就可以实现DEM预览及镶嵌处理，硬件配置低且运算速度快，采用常用的笔记本就可以完成运行。

1.2 基本功能

系统具备高度自动化生产3D产品、超快速影像匹配处理、高自动化定向计算、影像快速处理等全部实用功能，可以生产数字格栅地图DSM、高质量数字正射影像图DOM和高精度数字高程模型DEM，具体如下：

1)数据提取功能。①飞行轨迹的设计。根据实地踏勘和遥感影像等数据资料，应全面分析测区内的地形地貌、土地利用情况等信息，在此基础上合理设计飞行轨迹，其中分辨率、飞行高度与架次、起落点、影像重叠率等为重点设置的环节。②像控点信息的采集。遵循易粪便、分布均匀的原则，对测区内明显标志物的经纬度、高程信息利用差分GPS提取，通常要设置5-7个标志点，选择已建立的地面影像控制点作为航拍影像后期处理的精度设置基准。③遥感影像信息的获取。对重复影像进行筛选删除处理，从而确定信息丰富、信息度较高的影像，并调整合适的亮度、颜色完成影像输出。

2)数据管理功能。主要包括影像与基本数据的输入或输出、图件与图廓整饰的输出、各种参数的设置、各种过程的批处理、三维立体景观显示灾区被测区域、基本的影像处理、不同网格密度的质量报告与质量控制等功能。

3)影像匹配与定向计算功能。主要包括影像匹配、影像匹配预处理、全自动绝对定向、相对定向和内定向等功能。

4)生成正射影像功能。通过一系列的运算和初始化处理，结合加密后的点云集合以及运算数据成果自动生成DSM和正射影像。

2 实例应用

2.1 三维工情量测

拍摄、建模、测量与分析典型性地质灾害隐患点，详细流程如下：

1)数据采集。对系统规划被测工情区域采用挂载倾斜摄像机的六旋翼无人机，并且通过地面站驾驶员可以实现三维建模飞行航线的控制。飞行启动后飞机将按照航线，自动飞行采集数据并完成自动返航。①拼接与融合影像：首先几何校正飞行器造成的图像旋转、投影变形、相机镜头畸变，并完成图像特征的自动配准和图像对齐；然后采用合适的方法并按照图像内部特征完成配准处理，其中点特征匹配时图像拼接领域应用最广泛的方法，为全自动拼接图像提供了强有力的技术支持；最后，对配准后的图像边界进行缝合和平滑配准，所以区域影响必须经几何校正和图形配准融合等一系列处理。②空中三角测量：考虑影像连接点、侧区内已知点和地面控制点，考虑物方空间坐标利用平差法求解外方位元素。相邻相片中的同名定向点坐标利用自动匹配技术进行提取，相对定向点就是输出的初始像点坐标，而绝对定向则利用野外实测的GPS像控制点来确定；然后，对图像三维坐标零平差法生成，并导出相应的文件；最后，按照实际需求与以上文件设置网格间距并生成不规则三角网，高程点利用内插法进行计算，在此基础上生成DSM数据。

2)三维建模。采用工作站上的“三维建模软件”导入采集的数据，经一系列运算处理搭建三维模型，每1.5h耗时可完成1km2的三维建模。

3)测量分析。以各种数据信息为基础生成三维建模图，同时完成面积、高度、距离等多种测量和线面绘制。在其他分析软件中也可导入测量所得的数据，并完成淹没演示、剖面、填挖方、雷达、可视域及通视等一系列分析，通过对研究区域典型性地质灾害隐患点的测量分析、三维建模、数据采集等，生成相应的数据集成系统，为辽宁省防汛抗旱指挥决策以及重点区域地质灾害处理提供技术支持。

2.2 灾情巡查摄影

1)灾情巡查。灾情发生时，采用搭载高清云台摄像器的六旋翼无人机，并且围绕灾区定义飞行航线，驾驶员可使用手扶式遥控器驾驶无人机高空拍摄灾情或利用地面站控制系统使无人机自动巡航拍摄。然后将画面通过无线电技术或卫星通讯车传输到地面及指挥中心，指挥中心和现场人员可以直观地获取灾情概况，从而为防汛抗旱决策指挥提供支持。

2)灾情摄影。对系统规划灾区采用挂载倾斜摄像机的六旋翼无人机，并且通过地面站驾驶员可以实现正摄飞行航线的控制，无人机自动完成数据的采集和返航。对采集的数据可利用三维建模软件实行处理，从而获取DOM图。例如，受持续强降雨影响某地区突发山洪泥石流，并导致当地群众被困，泥石流冲毁淹没村民住宅等。因此，水毁建筑物的大致位置可以通过灾前灾后图像的对比来确定，进而快速的确定人员被困地点。在暴雨中利用六旋翼无人机，救护人员可以实现水毁现场信息的持续采集，并向指挥中心传送采集的图像信息。依据实时信息指挥中心要精准指挥，最大程度的降低财产损失和人员伤亡。

2.3 应急救援指挥

1)高空喊话。对危险区域利用挂载无限高音喇叭的六旋翼无人机，可以实现高空巡航和录制音频的循环播放，预警广播，紧急疏散；此外，也可实时喊话安抚被困人员等。

2020年，在辽宁防汛应急抢险救援演练中六旋翼无人机高空搜索出数名被困群众，并发挥安抚情绪、高空喊话的重要作用，收到传回影像后指挥部对被困群众排出水域救援专业队员施救，救援演练中无人机取得较好的应用效果。

2)定点抛投。采用挂载高空抛投器的六旋翼无人机及其实时传输回来的图像，可精准的确定投放位置，并将投物器利用手持遥控器打开，在所需地点准确抛投绳索、救生衣、急救包、头盔等货物以供被困人员使用。

2020年，在辽宁防汛应急抢险救援演练中无人机发现落水群众后，投落救生衣为施救提供了有利条件。

2.4 水利行业的应用

1)无人机硬件生产成本将随着产业链配套的日趋成熟而大幅度下降，未来其市场价格将不断下降，各专业应用软件也将日趋完善与成熟，市场关注度和消费级无人机客户群体将不断攀升，专业级无人机市场具有较大的潜力且各个细分领域将不断扩大，客户规模表现出明显的增长趋势，在环境监测、水利工程、能源、防汛抗旱、国土资源、抢险救灾等领域将得到更加广泛而深入的应用。

2)对于湖泊、河流和水库等，无人机可以对水域范围内的实时变化情况实现连续不断的监测，通过获取影像资料、基础数据等一系列信息，并采用专业的分析软件实现信息化、智能化水域管理，为加快经济社会发展提供技术支撑。

3)在影像信息获取时无人机技术具有明显的优势：安全可靠、操作简单、携带方便、遥测设备灵活，起降无需大面积场地且连续作业能力较强；无人机可拍摄高重叠率、大比例尺、高精准度的影像，一般在云层以下飞行并获取高精度局部信息。所以，在水土保持、水利管理、土壤监测等领域也可利用无人机技术，可以检查洪灾区域、监测水库与水情、河道走向等，并且在灾情发生时还可查看淹没区域、水毁桥梁等情况，