无人机低空遥感技术在水利工程运行管理中的应用研究＊

2021-11-27邱俊杰沈小平

科技与创新 2021年24期

邱俊杰，沈小平，杨兢，林杰

（1.湖州市直属水利工程运行管理所，浙江湖州 313000；2.浙江云来集科技有限公司，浙江湖州 313000）

近年来全球气候变化对人类的生活造成影响，也给水资源和水利工程的管理带来了挑战。由于水利工程往往分布范围广、距离长、地形地貌非常复杂，在对水利工程尤其是河道堤防工程上的日常长效监管中往往存在大量盲区，许多问题无法及时发现并得到解决。无人机具有体积小且机动性较强，不受时间空间限制，具备数据采集全面、时效性高、精度强、自动化信息化程度高、可重复性强、性价比高等优点，可有效弥补和避免现有水利工程监管方式所存在的不足，带来监管效能上质的提升。

1 背景

无人机低空遥感技术是集先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术为一体的新型应用技术，它是继卫星遥感和常规航空遥感技术之后的新兴发展方向，发展潜力巨大。现阶段，无人机低空遥感技术主要被应用于国土资源调查、自然灾害监测与评估、生态环境保护等方面，而针对水利行业尤其是水利工程运行管理方面的应用研究还较少，尚处于起步阶段。李德伟等利用无人机技术，对水域实施动态监测，能够及时掌握一定范围内水域的变化情况，通过得到的水域数据来做一些相关分析如水域调查、水域统计及其他管理制度，逐步实现水域信息管理智能化。张君等利用无人机遥感技术，来调查土壤侵蚀程度，从而完成水利工程实施范围内的水土保持的研究。林顺海等将无人机低空遥感技术应用于“河长制”的长效管理中，利用无人机航拍影像，对河湖污染源、水域污染区域、水面漂浮物等情况进行检查和复核，并对非法占用水域、围垦湖泊、非法采砂、突发性洪水等现象进行实时动态监控。虽然全国小部分地区及科研院所已经开始将无人机及低空遥感技术试用于水利领域的长效监管中，但均处于探索试点阶段，除了无人机低空遥感技术自身不断提升完善外，如何将其与现有的监管模式体系相结合，取长补短、协同发展，从而让现代水利工程的长效监管更全面、高效、快捷、准确、智能，是未来智慧水利的重点研究应用方向。

2 无人机低空遥感技术的特点

分析无人机低空遥感技术，其主要包含以下几方面的特点：①快速机动的系统响应能力。无人机飞行器起落时间较短，操作方便且易于运输，设备搭载的遥感系统能够对监测区快速采集数据，对复杂地形和危险区域拥有较强的响应能力。②基于高清影像和精准定位的数据采集能力。影像收集系统能够拍摄出更加清晰的影像资料，定位更加精准，可对监测目标展开单波或多波等角度拍摄，为水利工程运行管理提供直观信息。③多项任务兼顾的设备拓展能力。无人机除了拥有低空遥感系统，还搭载了各种小型遥感系统，比如摄像头、热成像监测仪以及雷达系统等，这些遥感系统可以进一步优化监测功能。④运行成本低，可以满足预期测量精度需求。无人机低空遥感系统在应用时具有体积小、材料成本低、系统架构简单的优势，与其他遥感系统相比，无人机低空遥感维护成本低廉，操控起来更加便利。除了可以发挥航拍的作用，无人机低空遥感系统还可以达到后期数据处理的精度要求，系统原始相片最高分辨率大约在10 cm以内，影像成果需要达到1∶2 000的成图精度，可以满足水利工程建设中重要地形的高精度测量分析[1]。

3 无人机低空遥感技术在水利行业的主要应用范围

3.1 在水域动态监测方面

随着国内自然经济的发展，过去采集到的水系资料和流域信息已经无法反映当前最真实的水系发展情况。采用无人机低空遥感技术，重新对水域作出数据采集，监测水域流域情况，在节约人力、物力的同时，完成资料的变更与更新。针对水域使用情况和边界划分状态，采用无人机低空遥感技术作出全方位测量，经过数据处理生成数字影像水域地形图，确立不同机构的联控系统，对水域类型、面积等数据实施信息共享，完成各级数据的自动交换。

3.2 在防灾减灾方面

无人机低空遥感技术在防灾减灾方面的应用主要有以下几个方面：①定期监测老旧或高危水利设施。在水利工程防汛方面，无人机可代替人工穿越高危地区，监测大坝、水库以及堤防等险工地段，减少人员查看危险，方便水利设施检测。②提升预警与监测水平。采用航拍正射影响与数字高程模型，结合相应数据生成三维模型，对灾害过程作出模拟，确立预警数据库。比如防洪指挥系统按照假设的水位高程生成淹没区，计算受灾面积。③提供实时灾情信息。结合无人机遥感影像了解灾情分布情况，防止决策不合理，以便及时制定救灾指挥措施，防止灾害救助工作过于盲目。④对灾害损失作出评估。对比灾害发生前后的影像数据，在无人机遥感技术的应用下，对灾害作出判断，以此作为灾后重建的参考依据[2]。

3.3 在外业调查调绘方面

一般情况下，应用无人机低空遥感技术进行外业调查的地区多为复杂区域，甚至是无人区，要求区域内相对高差较小。在满足测量精度的前提下，使用无人机测量技术，通过高分辨率摄像头拍摄实景照片，再利用影像遥感的形式完成地形图测绘分析，经过定位系统、单双镜头、激光雷达等测量设备的搭载，实现高精度、高效率测图任务。而在对水工建筑物进行测量时，受到测量空间、环境等限制常规地面方式无法获取准确数据和较高精度时，可采用无人机低空遥感技术对工程重要区域作出补测，比如水库坝顶高层、溢流堰堰顶高层、临水坡脚高程位置的测量。另一方面为地形图调绘，应用无人机三维软件将影像拼接成型，对测量区域展开实地调绘，针对区域内建筑属性、电力线路、交通设施以及通信线路等特殊地区作出确定，调绘时应用GPS-RTK技术完成管线设施的综合测量[3]。

3.4 在水利工程建设管理方面

无人机低空遥感技术的应用将有效影响工程建设的勘测设计、决策评估、安全监测等。依靠无人机遥感测得的高清成像，凭借设备机动灵活的特征，为水利工程生态环境提供决策依据，也对区域内植被、土壤、土质、水域作出有效监测。应用空间技术手段，将无人机高分辨率遥感影像与高精度GPS系统充分结合，从而完成大型水库与堤防工程的建设施工监测。

4 无人机低空遥感技术在水利工程运行管理上的应用

将无人机低空遥感技术应用水利工程的长效运行管理中，利用无人机常态化航拍动态影像可对日常可能存在的涉水违建、水利工程设施破坏、河湖岸线侵占、水面保洁、水质污染、非法采砂等水利工程相关问题进行实时动态监控，对监管与处置情况进行检查和复核。采用无人机4G、5G图传技术，实现无人机远距离巡检图像的实时传输至已有的地面监控管理系统，从而可以构建“天地一体化”的水利工程监控体系。通过基于无人机低空遥感技术的多维度重构方法，可建立典型水利工程的二维和三维数字化可视模型，并将其嵌入已有的水利工程标准化运行管理平台，为后续防灾减灾、智慧水利建设提供可视化数据支撑。