水利工程测量中无人机航空摄影测量技术运用分析

赵文通

（中国水利水电第一工程局有限公司，吉林长春 130000）

0 引言

目前，我国的水利工程测量主要采用人工实地测量或卫星遥感测量的方式，虽然能够为水利工程的施工、运营、管理提供一定的数据参考，但均存在一定的缺陷[1]。其中，人工测量虽然成本较低，但测量的时间较长，效率低下，且普遍存在较大的误差，而卫星遥感测量虽然精度较高，但需要花费大量的人力、物力成本，难以在工程中普及。民用无人机的发展，为水利工程的测量提供了新的途径，虽然我国民用无人机的研究起步较晚，但近年来开始进入了高速发展阶段，在各个领域均得到了一定的应用[2]。无人机航空摄影测量技术的应用已经成为水利工程测量的重要手段之一，由于不同的水利工程规模、位置、测量精度等方面存在一定的区别，因此在无人机航空摄影测量过程中需要进行适当的调整，合理运用各项技术，从而保证测量的准确性与及时性。

1 无人机航空摄影测量技术在水利工程测量中的优势

根据我国水利工程的特点，无人机航空摄影测量技术的优势主要分为以下几个方面：第一，测量操作简单。无人机具有体积小、重量轻的优势，在无人机上搭载的高清摄像头，能够在人为操作下对不同的目标区域进行测量，具有一定的灵活性。同时，无人机在飞行的状态下具有垂直升降的功能，无需为无人机安排专用的场地、辅助设备等，降低了水利工程测量中的成本[3]。工作人员可以对无人机反馈的航测图像进行评估，若发现图像效果不佳，还可以操作无人机进行多个切面、角度的多次航测，直到获得满意的图像或数据，保证了测量的有效性。无人机具有小巧轻便的优势，能耗较低，续航时间长，目前市场中常用的无人机续航时间至少30min，充分满足了水利工程航测的需求。第二，适应能力强。由于我国地域广阔，水利工程可能建设于环境或地形较为复杂的地区，这对传统的人工实地测量造成了极大的挑战，卫星遥感测量又会消耗过多的成本，此时采用无人机测量的方式，则能有效适应不同的环境，根据地面站系统提供的相关数据，能够提前设计无人机的航测路线，提前躲避高大的建筑物、树木等，保证水利工程测量任务的顺利完成。第三，测量准确性高、反馈速度快。由于水利工程极为重要，对测量的数据与影像资料的准确性有着较高的要求，通过无人机搭载的高清摄像机，能够获取到1:2500～1:1000 的高比例图像，精确度较高，能够满足我国大部分水利工程建设与管理的需求[4]。通过无人机还能够实现短距离的航测，并保证在航测的过程中，将获取到的数据、影像资料实时反馈至地面站，地面站获取到相应的数据后，由计算机软件进行进一步的处理，能够在短时间内导出分析结果，技术人员根据计算机导出的结果，对水利工程所在地区的相关信息进行深入的分析。

2 无人机航空摄影测量技术在水利工程测量中的具体应用

2.1 设计像控点

在传统的水利工程测量中，一般采用相片像控的方式获取相关数据。而通过无人机航空摄影测量技术，则能够有针对性地进行测量工作，对像控点进行准确的布置，维持像控点之前的紧密性与关联性，避免发生重复测量等问题，节约水利工程测量的成本。在使用无人机航空摄影测量技术时，可以在测量前规划好测量路线，根据无人机型号的具体参数进行设计，包括飞行高度、弯曲度、测量角度等，保证像控点布设的准确性，提高测量的精确度。

在布置无人机航空摄影测量的像控点时，应重点关注以下几方面：第一，应尽量选择水库区域无明显遮挡的位置，若水库的规模较大，在设计无人机航测路线时，应选择“Z 路线”[5]；第二，应当合理选择无人机的固定点，而变换较为频繁的区域，不能作为像控点；第三，无人机航测时应当合理设计像控点的密度。若工程所在区域的地形较为复杂，设计像控点时应在原有基础上增加20%。同时，还需要根据无人机摄像机的分辨率对像控点密度进行适当的调整，当分辨率为1.5cm 时，像控点之间的距离应控制在100m，当分辨率为2cm 时，像控点之间的距离可以增加至200m，从而保证无人机航测能够发挥出最大的作用，提高航测的准确性。

2.2 全方位测量

在无人机航空摄影测量技术中，无人机的飞行区域较广，能够有效扩大工程的测量范围。近年来，我国水利工程的数量明显增加，而由于区域、需求的不同，工程规模差异较大，测量工作量存在一定的区别。而无人机航测技术能够满足不同工程的测量需求，不仅能够获得全面、精确的地形数据，还能够获得水库的效果图、地质特征等，为工程施工设计提供指导。例如,在某项水利工程中，通过对水库作业数据的收集，得出如图1 所示的图像，从而制定具备可行性的水利设计规划[6]。和传统的使用全站仪等测量方式相比，无人机航测的范围更广，具有明显的优势。另外，无人机的优势还体现在全方位测量方面，通过在无人机上搭设专用的摄像机，能够实现高达30 倍的变焦与夜间拍摄功能，不同的连接口均可切换连接，通过高性能摄像机的辅助，进一步扩大了水利工程的测量范围，提高了精确性，有效避免了细节模糊、测量不当等因素埋下的安全隐患。工作人员还可以对无人机的航测高度进行实时调整，保证水利工程测量的灵活性、实践性。

图1 水库作业数据收集

2.3 根据数据绘制三维图像

在通过水利工程测量得到一定的数据后，需要对数据进行整理分析，从而明确工程施工的具体步骤，常用的数据包括高程数据、地形数据、水下测量数据等。其中地形数据是工程施工的关键信息，应当重点关注水岸区域的水文条件、地形特征等，明确水库坝位、横断面等参数，保证工程完成后水利设施能够顺利投入运行。在无人机航测技术的辅助下，不仅能够采集到精确性较高的相关数据，还能够对采集后的数据进行分类保存，避免发生重复测量、数据交叉等问题，使数据分析人员能够明确不同数据的类型与特点，对工程施工的可行性做出精确的判断。总的来看，无人机航测的实施，有效避免了数据冗乱导致的人为失误，提高了工程的安全性。另外，无人机在绘制三维图像方面也有一定的应用价值，摄像机、无人机等信息载体，能够保证无人机绘制的三维图像的准确性，切实反映水库的建设情况。同时，无人机生成图像后，还会生成与之对应的测绘扩展名，避免了因数据包错误导致的图像误差。

2.4 针对性调绘

针对性调绘指的是根据全站仪测量的结果，对水利工程以及周围区域的信息进行汇总分析，判断水利工程完成后是否存在一定的安全隐患，或者是否有影响周边建筑正常功能的可能。通过无人机航测的方式，获取到准确度较高的测绘数据，这对后期的调绘工作具有重要的指导作用。另外，我国部分水利工程的测量数据属于机密信息，无人机在对高程、地形等信息进行测量时，能够进行相应的加密操作，保证了信息的安全性，有效预防了信息外泄的发生，保障了水利工程施工的安全。

3 无人机航空摄影测量技术在水利工程测量中的注意事项

无人机航测过程中可能出现传感器误差，因此为了保证航测数据与影像资料的实时传输，可以在无人机上设计无线传输模块。但由于无人机的体积较小、载重有限，为了保障无人机的续航时间，一般仅会安装简易的传感器模块，与常规设备相比，传输功能明显下降，导致数据传输时可能出现数据误差或影像资料畸变等。此时可以采取两种措施进行改善，一种是选择新型的通讯装置，虽然会花费一定的成本，但能够保证通讯装置符合无人机小体积的特点，还能进一步提高传输的精确性。另一种则是在无人机中添加内置存储模块，将收集到的所有数据储存在设备中，当航测任务结束后，再将数据从储存设备转移至计算机，这种方式无需传感器对数据进行压缩处理，同时也保证了测量数据、影像资料的准确性。

无人机在航测过程中可能受到多种因素的干扰，例如，风力作用可能导致无人机出现明显的晃动，致使飞行路线偏离或拍摄角度不佳，难以获取到最好的影像资料，甚至出现分辨率不达标的情况。此时也可以采用多种方式：一种方式是选择晴朗、无风的天气进行航测，减少外界因素可能造成的影响；另一种方式则是选择智能导航与人工操作相结合的模式，在人为辅助下进行无人机飞行测绘，保证测绘数据与影像资料的准确性。此外，还可以在无人机上安装POS 以及GPS 定位，辅助无人机进行测量，从而提高测绘数据的精确性。

4 无人机航空摄影测量技术在水利工程中的发展前景

随着我国无人机技术的成熟，该技术在航空摄影测量方面必然会得到更加广阔的应用，在水利工程测量、地籍测绘、灾后救援等方面均有较高的应用价值，但同时也对无人机航测的精度、信息反馈时效性等提出了一定的要求。未来无人机航空摄影测量技术的发展方向主要有两方面[7]：一方面是加强无人机的智能化程度，目前我国无人机在水利工程测量中仍存在大量的无效数据，影像资料也普遍存在重叠、模糊等情况，通过无人机智能化程度的提高，应能实现曝光补偿、自动调整拍摄角度等目标，从而提高影像资料的准确性；另一方面是无人机以及相关设备的微型化，能够进一步提高无人机的续航时间，使无人机在有限的时间内完成更多的测绘任务，满足大型水利工程测绘任务的需求。

此外，随着我国大型水利工程需求的扩大与变化，对空间规划技术提出了较高的要求，同时远程控制与通信技术也是水利工程测量研究的重点内容。随着无人机航测技术的发展与创新，在大型水利工程的施工、竣工过程中，无人机能够对空间形态进行实时、准确、完整的记录，无人机摄影测量与地面激光扫描技术有着较高的发展潜力[8]。但从我国的研究趋势来看，大型水利工程动态、静态变形自动监测技术还有待进一步的发展，需要在技术手段、操作规程、监测技术、实时监测数据处理技术等方面进行一定的创新，从而更好地进行水利工程测量数据智能分析与数据表达，通过对形态与变形的监测，进一步提高水利工程的质量，保证工程施工与运营的安全性。

5 结语

我国水利工程项目所处的环境大多较为复杂，传统的人为实地测量与卫星遥感技术均存在明显的缺陷，难以在工程中推广实施，而无人机航测技术则符合水利工程测量在全面性、准确性、清晰性方面的需求，对工程的规划设计、施工建设、运营管理具有重要的意义。因此，应当重视对无人机航测技术的研究与探索，推动无人机在水利工程测量中的应用，从而促进我国工程测量技术的现代化发展。