无人机低空遥感技术在水文监测中的应用

2021-11-30罗清虎宋明琦

中国金属通报 2021年19期

罗清虎，宋明琦

（青海省水文水资源测报中心，青海西宁 810008）

我国的地域广阔，不同地区的地质条件、水文条件均有所差异，伴随着开发力度不断增强，导致原有的自然条件发生了变化，爆发严重的自然灾害，直接威胁到人们生命财产安全。因此，需要相关部门和应急抢险人员积极处理，分析其困难所在，通过对现场应急监测来获取可靠数据信息，为后续灾害分析、调查和决策部署提供可靠支持。因此，在水文监测中需要大力应用无人机低空遥感技术，发挥前沿技术优势，满足恶劣环境的环境监测需要，提升工作有效性。

1 无人机低空遥感技术相关内容分析

1.1 无人机特点

无人机是一种先进技术，在当前各个行业领域中均有所应用，是指基于机载计算机程序控制或无线电遥控设备方式，实现无人机飞行控制，结构简单、成本低，主要是用于代替人工完成强度高、风险大和条件不便的任务，如，风险区灾害调查、环境遥感监测以及空中救援等[1]。包括固定翼型无人机和无人驾驶直升机两种，前者是借助机翼滑行、动力系统支持下进行启停降落，配备多类型的遥感传感器，可以实现无人机遥控飞行，具备更强的抗风能力，满足多种复杂环境的作业需要。固定翼型无人机起飞需要选择空旷场所，以此来满足草地检测、林业资源监测、矿产资源监测、土地利用监测以及海洋环境监测等。

1.2 无人机遥感

无人机遥感则是基于无人机技术，联合GPS查分定位技术、遥感传感器技术、遥感应用技术和通信技术组合应用，实现国土资源高效开发利用，满足各种自然环境和灾区空间遥感信息监测传输，促使地质监测工作自动化、专业化和智能化发展。此项技术成本低、操作便捷和机动性高，已经成为当前时代的热门技术之一，也是航空遥感技术未来发展的主流趋势[2]。

2 水文应急监测技术的优势特点

结合目前我国水文监测工作成果来看，其中存在很多问题，配套设备设施的测洪能力不强，即便相关部门增强了水文监测设备建设和完备力度，但还有很多问题[3]。水文监测设备经过改造后，测洪能力还有所不足，因此仍然沿袭传统方法进行特大洪水测量，需要消耗大量的人力、物力和财力；配套的测速和取沙技术还需要进一步升级优化。另外，人工操作方式，可能受到人为因素影响增加数据误差，难以获取精准、可靠的水文监测数据资料。因此，新时期应该注重无人机低空遥感技术灵活运用，全面提升水文监测技术水平[4]。

2.1 巡测优先，驻巡结合

在水文监测工作中，由于工作专业性较强，内容复杂，需要借助专门技术和设备开展工作。面对当前水利行业对水文监测工作不断增长的要求，水文监测断面数量逐步增加，仅仅依靠传统水文监测站难以获取可观的监测效果。因此，在此环境下灵活运用无人机低空遥感技术，可以实现区域内水文信息的高效采集和整理，如水质、水量、流速等，借助无人机上配备的高清摄像机来采集区域水文信息，为后续的相关工作开展提供支持[5]。

2.2 应急监测，响应快速

近些年来，我国自然灾害频繁，造成了严重的经济损失和人员伤亡。其中突发性水灾事故危害较大，如堤防决口、泥石流、水库出险和突发水污染等情况。对于此类突发性水灾，在水文应急检测工作中灵活应用无人机低空遥感技术，可以摒弃人工监测方式的不足，突破空间限制，即便恶劣条件下也可以借助无人机来收集和分析水文突发事件信息，为后续的部门决策和管理工作提供数据支持，将灾害损失降到最低。伴随着科学技术持续创新和发展，涌现出很多新设备和新技术，在应用中取得了可观成效[6]。如，航天航空雷达监测、地基雷达监测以及无人机低空遥感技术等，其中无人机低空遥感技术由于自身的便捷性特点，在水文应急监测中广泛应用，有助于提升整体工作效率，获取精准可靠的数据。

对于影像数据获取，需要操控无人机按照预设航线飞行和监测，并进行质量检查和像控测量，任务规划是否合理直接关乎到获取影响数据质量。具体环节有规划航迹、分配任务、系统保障和规划应急预案等环节，按照流程规范化水文监测，确保采集的数据精准、可靠、完整。

3 无人机影像处理

3.1 矫正畸变差

基于无人机低空遥感技术进行水文监测，对于获取的影像处理阶段，一个主要环节则是矫正畸变差。相机由于自身的镜头光学设计特性，如果内部方位元素并未测定，拍摄的影像多存在非线性光学即便误差，如果相机焦距维持不变，误差属于正常的范畴[7]。所以，应该在拍摄前对相机三角测量机变差矫正处理，具体有直接矫正和间接矫正两种方式，前期这是基于矫正畸变图像像素坐标，实现图像矫正处理；后者则通过矫正畸变图像坐标，实现图像矫正目标。在具体应用中，直接矫正方式更适合水文应急监测需要，应用范围较广，实际效果可观。

3.2 空中三角测量

为了获取精准可靠的数据，精准获取像点坐标，在空中三角测量阶段求解处理影像定位元素、控制点坐标数据，具体方法有独立模型法、航带法和光速法区域网孔三测量。光束法在具体测量中，主要是把握投影中心点、像点和对面点三点共线，在此基础上将各像片间光束连接在一起形成一个区域，完成整体平测作业，计算得到精准的加密点坐标。像控点的选择十分关键，直接影响到数据采集质量，是后续评测精度把控的关键所在。所以，需要均匀布设像控点，设置在地形明显的区域，以此来采集精准可靠的数据信息[8]。

3.3 快拼图生成

图像拼接需要借助计算机支持，选择配套的图像处理软件来精准比对空间重叠图像，然后图像融合拼接成新的图像。此项技术优势鲜明，可以满足水文监测数据获取需求，实现高分辨率图像拼接处理，进而形成全方位的监测区域影像图。快拼图不需要相机参数和定位系统获取的信息，可以自动化识别相机焦距参数，去除误差值，实现拼图自动矫正。拼图制作中，将DSM编辑功能、测量功能结合应用，精准计算体积、面积和距离，尽管实际上数字正射影像图精度要超过块拼图，但快拼图可以快速获取灾区数据信息，为后续的救援决策提供可靠数据支持。

4 水文应急监测中无人机低空遥感技术应用

水文应急监测中，合理运用无人机低空遥感技术，需要充分契合区域实际情况，在收集相关资料后编制合理的应急预案，指导后续工作顺利展开。

4.1 地形条件分析

地形条件分析是水文应急监测的一个基础环节，应用无人机低空遥感技术，需要立足于实际情况编制合理的无人机航线，保证所获取的水文信息精准、可靠、完整。无人机监测要设置专门的数学模型，基于模型来采集和分析水文信息，因此要选择科学合理的测流模型，为后续工作开展奠定基础。具体水文监测中，河流的水质和地理位置存在显著差异，要结合不同地形条件针对性选择测流模型。需要注意的是，使用无人机系统进行水文监测前，收集相关水文信息资料，计算流速分布函数，如对数型和抛物线等，确定最佳的测流位置，提升水文监测数据信息精准度。

4.2 无人机飞行控制

使用无人机低空遥感技术进行水文监测，要求操作人员依据实际需要灵活控制无人机飞行，保证无人机飞行平稳，这样才能拍摄高清的地质画面，为后续的各项工作开展提供支持。如果飞行控制水平较差，导致无人机飞行不稳定，拍摄画面清晰度不高，容易出现误差，影响到水文监测质量。因此，加强无人机飞行稳定性控制，通过飞行加减速控制，保持无人机平稳飞行，将加速和减速差值控制在合理范围内，降低偏差。爬升和下降控制，具体操作中保持无人机平稳飞行，避免骤然爬升或下降，在拍摄后将清晰、完整的数据信息上传到地面控制站，为水文处理提供支持。

4.3 地面控制

加强地面控制，是水文监测中无人机低空遥感技术应用的一个重要环节，由于水文监测自动化和智能化水平持续提升，因此工作效率得到显著提升，但仍然无法完全脱离地面人为控制。水文监测中，重点落实地面指挥和控制工作，获取精准、可靠的监测数据信息，并实现监测过程动态化控制，实现无人机和摄像机紧密连接，促使各环节操作规范、有序进行。