无人机航测技术在水利领域的应用及精度分析

吴嫡捷，张世安

（1.黄河水利委员会河南黄河河务局，河南 郑州 450003；2.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003）

在水利领域中，及时准确地获取和监测水资源、水质和水文信息对于水资源管理、灾害防控和水利工程建设具有重要意义。传统的水利数据采集方法存在人力成本高、数据采集周期长、覆盖范围有限等问题。随着无人机技术的快速发展和成熟，无人机航测技术已成为一种高效、灵活且具有巨大潜力的水利数据采集手段，该技术结合了航空摄影、遥感和地理信息系统等多个领域的技术，通过搭载各种传感器和设备，可以获取高分辨率、多维度的水利数据。无人机航测技术的应用可以实现对水资源的调查和监测、洪水风险评估与预警、水利工程施工监理与质量控制等多个方面的需求，为水利领域的决策提供科学依据[1-5]。

1 无人机航测技术的概述

1.1 定义和原理

无人机航测技术是指利用无人机平台搭载各种传感器和设备，通过航空摄影、遥感和地理信息系统等技术手段，对地面、水域等目标进行高效、精确的数据采集和测量的技术。它将无人机的飞行能力与先进的传感器技术相结合，能够快速获取大范围、复杂地形的高分辨率数据，为水利领域的调查、监测和决策提供准确、全面的信息支持。无人机航测技术原理主要包括以下几个方面。

1）飞行控制。无人机通过先进的飞行控制系统，包括GPS 导航、惯性测量单元（IMU）和自动驾驶系统等，实现飞行轨迹的规划和控制[6]。飞行路径可以提前设定，也可以根据实时需求进行调整。

2）数据采集。无人机搭载多种传感器和设备，如相机、激光雷达、热红外传感器等，可以获取不同类型的数据[7]。相机用于航空摄影，可以获取高分辨率的图像数据；激光雷达可以进行地形测量和障碍物探测；热红外传感器用于检测地表温度和热红外信息等。

3）数据处理与分析。无人机采集到的数据需要进行处理和分析，以提取有用的信息[8]。数据处理软件可以进行图像拼接、数字高程模型（DEM）生成、地物分类等操作，从而得到准确的地理信息。

4）数据应用。无人机获取和处理的数据可以应用于水资源调查与监测、洪水风险评估与预警、施工监理与质量控制等水利领域[9]，通过分析数据，可以了解水体的面积和水位变化、水质参数、地表形态等关键信息，为决策者提供科学依据。

无人机航测技术原理和方法的不断发展和创新，为水利领域的数据采集和应用带来了全新的可能性。通过合理的系统设计和优化的技术配置，无人机航测技术可以获取高效、精确的数据，提升水利领域的工作效率和决策水平。

1.2 系统结构

无人机航测系统结构图是描述无人机航测技术中各个组成部分及其相互关系的图，如图1 能够清晰地展示无人机航测系统的组成要素及其在数据采集过程中的功能和作用。无人机平台携带各种传感器和设备进行飞行任务，飞行控制系统确保飞行轨迹和稳定性，传感器和设备采集各种数据，通信和导航系统确保数据传输和飞行安全，数据处理与分析系统对采集的数据进行处理和分析，从而得到准确的地理信息，这些组成部分之间通过数据流和指令流进行连接和交互，无人机平台与传感器和设备之间通过接口进行连接，传感器和设备将采集到的数据传输给数据处理与分析系统进行处理，处理后的数据可以通过通信系统传输给地面控制站或其他终端设备做进一步分析和应用。

图1 无人机航测系统结构图

2 无人机航测技术的软硬件

2.1 软件

无人机航测技术的软件包括飞行控制软件和数据处理与分析软件，这些软件提供了无人机航测任务的规划、控制和数据处理的功能，为无人机航测技术的应用提供支持。

1）飞行控制软件

飞行控制软件用于规划和控制无人机的飞行任务，主要功能：根据航测任务的需求和要求，飞行控制软件可以根据地理信息和空域约束，自动生成飞行路径，包括起飞、航线、转弯、拍摄点等关键节点[10]；通过GPS 导航和惯性测量单元（IMU）等技术，实现无人机的自动驾驶功能，能够根据预设的飞行路径和航测任务要求，自动控制无人机的航向、高度和速度等参数[11]；实时监控无人机的飞行状态和参数，包括飞行速度、姿态、电池电量等，通过监控系统，操作人员可以随时掌握无人机的飞行情况，保证任务的安全和顺利进行[12]。

2）数据处理与分析软件

数据处理与分析软件用于对采集到的航测数据进行处理、分析和提取有用信息，它具备以下主要功能：对采集到的航空图像进行处理和拼接，生成无人机飞行区域的全景图像[13]，通过图像处理算法，可以自动匹配、校正和拼接图像，生成高分辨率、无接缝的全景图像；利用采集到的激光雷达数据或图像数据，生成数字高程模型（DEM）和三维地形模型[14]，这些模型可以提供地形测量、地貌分析和体积计算等功能，为水利领域的工程设计和规划提供支持；通过图像处理和机器学习算法，可以自动识别水体、建筑物、植被等地物类型，并提取相关的属性和特征信息，这样的地物分类和识别能够在水利领域的水资源调查和监测中提供精确的地物信息，帮助监测水体的变化、分析植被覆盖情况，以及发现潜在的问题和风险；将处理后的数据以直观的方式展示出来，为决策者和研究人员提供可靠的信息支持，通过软件的功能和算法，无人机航测技术可以实现高效、准确的数据处理和分析，为水利领域的决策和管理提供科学依据。

2.2 硬件

无人机航测技术的硬件部分包括无人机平台及其相关设备和传感器，这些硬件设备提供了数据采集和传输的能力，是无人机航测技术的实际实施工具。

1）无人机平台

无人机平台是无人机航测技术的核心组成部分，选择合适的无人机平台对于实现高质量的航测数据采集至关重要。常见的无人机平台类型包括多旋翼无人机、固定翼无人机和垂直起降无人机，它们同时具备高稳定性、长航时能力、多功能载荷能力等特点，但不同的飞行特性适合应用于不同的作业场景。多旋翼无人机具有垂直起降和悬停能力，能够在较小的空间内进行精准悬停和飞行[15]，这使其在需要低空细致观察和近距离拍摄的水利应用中具有优势，如水体测量和水质监测。固定翼无人机具有长航时能力和较大的航程，适用于大范围的快速航测任务[16]，它们通常搭载高分辨率相机和激光雷达等传感器，用于生成高精度的地形模型和进行地物分类等应用。垂直起降无人机结合了固定翼和多旋翼的优势，能够在垂直和水平方向上灵活运动[17]，它们在需要垂直起降和长航时的任务中表现出色，如大规模水资源调查和洪水风险评估等。

2）传感器和设备

无人机航测技术中使用的传感器和设备多样化，需根据任务需求和测量目标的不同而选择不同的设备。常见的传感器和设备：相机用于航拍图像的采集，可以是普通相机或者专业航空相机[18]，相机可以获取高分辨率的图像数据，用于地物识别、变化监测和地图制作等；光雷达（LiDAR）可以通过发射激光束并测量其返回时间来获取地面或物体的高度和三维坐标信息[19]，可以提供高精度的地形数据，用于数字高程模型（DEM）的生成和地物特征的提取；红外热像仪可以测量物体的热辐射，用于检测地表温度分布、水体温度变化和热点识别等[20]，红外热像仪在水利领域的应用包括水资源监测、漏水检测和热污染源的识别等；多光谱传感器可以捕捉多个波段的光谱信息，用于植被生长状态、植被覆盖和植被健康状况的监测[21]，通过多光谱图像的处理和分析，可以提供植被指数和植被分类等信息；全球导航卫星系统（GNSS）接收机用于无人机的定位和导航，利用全球定位系统（如GPS）提供的卫星信号来确定无人机的位置和速度[22]，GNSS 接收机的准确性对于无人机航测任务的成功实施至关重要；数据传输和存储设备用于将采集到的数据传输至地面控制站或其他终端设备，并进行存储和备份[23]，这些设备包括无线通信模块、存储卡、硬盘等，能够确保数据的及时传输和安全存储。

3）通信和导航系统

为了实现无人机航测任务的顺利进行，无人机系统需要可靠的通信和导航系统。通信系统包括无线通信模块和地面控制站，通过与地面控制站的通信，操作人员可以监控无人机的状态、调整航线和接收实时数据[24]，无线通信模块确保了地面控制站与无人机之间的可靠数据传输。导航系统使用全球导航卫星系统（如GPS）来确定无人机的位置、速度和航向[25]，准确的导航系统对于实现精准的航测数据采集和飞行路径规划至关重要。

通过合理选择和配置无人机平台、传感器和设备，以及配备可靠的通信和导航系统，无人机航测技术能够在水利领域实现高质量、高效率的应用。这些硬件组件的选择和性能将直接影响航测数据的精度、分辨率和覆盖范围，从而对水利工程规划、水资源管理和洪水风险评估等提供有力的支持。

3 在水资源调查与监测中的应用

3.1 水面面积测量与水位监测

水面面积和水位是水资源调查和管理中重要的参数。无人机航测技术可以提供高精度的水面面积测量和水位监测，为水资源管理提供准确的数据支持。

1）水面面积测量精度评估

通过无人机航测技术获取的航空图像或激光雷达数据，结合图像处理和分析算法，可以准确测量水体的面积[26]。评估水面面积测量的精度可达到1.5～5.0 cm2，需要考虑图像分辨率、相机标定和几何校正、高程数据配准等因素。高分辨率的航空图像可以提供更精细的水体边界和细节信息，从而提高测量精度；相机的几何校正和标定可以消除图像畸变和投影误差，保证测量结果的准确性；通过激光雷达获取的地面高程数据可以与图像进行配准，以获得更准确的水体边界和面积信息。

评估水面面积测量的精度通常采用与实地测量结果的比对来进行，通过对比分析，可以评估无人机航测技术在水面面积测量方面的准确性和可靠性。

2）水位监测精度评估

无人机航测技术可以通过激光雷达或其他传感器测量水位，提供水体水位的实时监测数据[27]。评估水位监测的精度可达到1.5～5.0 cm，需要考虑激光雷达测量精度、系统定标和准确度校正、环境因素影响等因素。激光雷达的测量精度对水位监测结果的准确性具有直接影响；对无人机航测系统进行定标和准确度校正可以消除系统误差，提高水位监测结果的准确性；水体表面波动、浪涌和水质变化等因素会对水位测量结果产生影响，需要综合考虑和补偿。

评估水位监测精度通常涉及与现场测量或其他水文观测站点的对比，通过与实地测量结果进行比对，可以评估无人机航测技术在水位监测方面的准确性和可靠性。

3.2 水质参数监测

水质参数的准确监测对于水资源管理和环境保护至关重要。无人机航测技术可以获取高分辨率的水体图像和光谱数据，用于水质参数的监测和评估[28]，水质参数主要包括常规五参数、氨氮、氯化物、氟化物、重金属、石油类挥发酚、叶绿素、蓝绿藻、硝酸盐等，监测的精度需要考虑以下因素。

1）光谱传感器精度评估

无人机搭载的多光谱传感器可以获取不同波段的光谱数据，用于水体中的水质参数推测。评估光谱传感器的精度包括波段分辨率和光谱分辨率、辐射校正和大气校正。传感器的波段分辨率决定了可以检测的光谱范围，而光谱分辨率决定了能够分辨的光谱特征，较高的分辨率有助于提高水质参数的监测精度。光谱数据需要进行辐射校正和大气校正，以消除光照条件和大气因素对数据的影响，校正的准确性对于水质参数监测结果的精度具有重要影响。

2）水质参数推测算法评估

基于获取的光谱数据，结合水质监测样本和相关算法，可以推测水体中的水质参数。评估水质参数推测算法的精度包括算法的准确性和适用性、样本数据的质量和数量。算法需要准确地建立光谱特征与水质参数之间的关系，并适用于不同的水体类型和环境条件；算法的精度受到用于建模和验证的样本数据的质量和数量的影响，样本数据应具有代表性和多样性，以提高推测结果的可靠性。

通过与实地采样和实验室分析结果的对比，可以评估无人机航测技术在水质参数监测方面的准确性和可行性。准确评估无人机航测技术在水资源调查与监测中的监测精度，有助于确定其在水利领域的应用潜力和可靠性，为水资源管理和决策提供可靠的依据，有助于改善水利工程的规划、设计和运营。

4 在洪水风险评估与预警中的应用

4.1 地表高程测量

无人机航测技术在洪水风险评估与预警中扮演着重要角色，能够获取高分辨率的地表形态信息，其中，地表高程的测量精度是至关重要的[29]。通过搭载激光雷达（LiDAR）或多光谱相机等传感器，无人机可以获取地表的高程数据，并生成数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。DEM能够提供准确的地表高程信息，为洪水风险评估与预警提供必要的基础数据。

无人机航测技术在地表高程测量方面的精度不大于1.5 cm，其影响因素涉及到数据采集、处理和精度验证等方面。在数据采集方面，无人机的飞行高度、飞行速度、图像重叠度等参数会影响测量结果的精度，适当的飞行参数设置和路径规划能够提高地表高程测量的精确性。在数据处理方面，需要进行点云数据的配准、滤波和插值等操作，以获得光滑且准确的地表高程模型。最后，通过与地面控制点进行比对和验证，可以评估无人机航测技术在地表高程测量中的具体精度。

4.2 地表覆盖分类与变化检测

除了地表高程测量，无人机航测技术还可用于地表覆盖分类与变化检测，对洪水风险评估与预警具有重要意义[30]。利用无人机获取的高分辨率影像数据，结合遥感图像处理和机器学习算法，可以实现对地表覆盖类型的准确分类和监测。

无人机航测技术在地表覆盖分类与变化检测方面的精度同样需要考虑数据采集、处理和验证等环节。在数据采集方面，无人机航行的高度、相机参数和影像采集模式等因素会对地表覆盖分类的精度产生影响。在数据处理方面，需要进行影像预处理、特征提取和分类算法的应用，以获得准确的地表覆盖分类和变化信息。最后，可以通过与地面真实数据的对比验证，对无人机航测技术在地表覆盖分类与变化检测中的精度进行评估。

5 在水利工程施工监理与质量控制中的应用

无人机航测技术在水利工程施工监理与质量控制方面发挥着重要的作用，可以提供高效、准确的数据采集和监测，以确保施工过程的合规性和质量可控性。

5.1 主要仪器设备的技术参数

1）激光雷达

激光雷达用于获取地面和地形的高程数据，可以提供高精度的地形模型和地物三维信息，技术参数包括测距精度、角度分辨率、扫描频率等。

2）多光谱相机

多光谱相机用于获取不同波段的光谱数据，用于土壤、植被和地表覆盖的监测和分析，技术参数包括相机的波段范围、波段分辨率、空间分辨率等。

3）红外热像仪

红外热像仪用于检测和监测水利工程中的温度变化，如渗漏、热点和异常热量，技术参数包括热像仪的温度灵敏度、空间分辨率、测量范围等。

5.2 技术应用

1）施工过程监测

通过航空摄影和激光扫描技术，实时监测施工现场的进展、变化和质量状况，以及检测施工过程中可能存在的问题和风险[31]。

2）工程质量检测

利用无人机获取的高分辨率图像和数据，对水利工程的质量进行评估和检测，包括结构、地基、管道等方面的检测和分析[32]。

3）安全监控

通过红外热像仪等设备，对水利工程的安全隐患进行监测和预警，如渗漏、裂缝、异常温度等情况[33]。

5.3 性能要求

1）高精度和高分辨率

无人机航测技术需要提供高精度的数据采集和测量，以满足水利工程施工监理和质量控制的要求。同时，高分辨率的数据可以提供细节丰富的图像和模型，用于精确分析和评估。

2）实时监测和反馈

无人机航测技术应具备实时数据采集和监测能力，能够及时捕捉施工现场的变化和问题，并及时反馈给相关人员，以支持及时的决策和调整。

3）数据处理和分析能力

无人机航测技术需要具备数据处理和分析的能力，能够对获取的图像、激光扫描数据等进行有效处理和分析，并生成可视化的结果和报告。

4）环境适应性

无人机航测技术应适应不同的水利工程环境和场景，包括复杂的地形、天气条件和工程结构等。相应的传感器和设备应具备良好的适应性和可靠性，以确保在各种条件下的正常运行和数据采集。

5）操作安全性和可靠性

无人机航测技术在施工现场需要确保操作的安全性和可靠性。应制定和执行相应的操作规范、飞行计划和应急预案，以确保无人机航测过程的安全和可控。

6 结语

无人机航测技术在水资源调查与监测中，通过高分辨率的图像采集和数据处理，能够实现精确的水面面积测量和水位监测，这为水资源管理和决策提供了可靠的数据支持，提高了水资源的监测精度和管理效率。在洪水风险评估与预警中，通过获取高分辨率的地表形态信息，可以精确地分析洪水淹没区域和水流动态，提供了洪水灾害风险评估的重要依据，同时能够实时监测洪水发展情况，并及时提供预警信息，提高了洪水预警的准确性和时效性。在水利工程施工监理与质量控制中，通过高精度的数据采集和监测，可以实时监测施工现场的进展情况和质量状况，提供了可靠的数据支持和监控手段，同时能够快速获取大范围的数据，提高了施工监理的效率和准确性。在未来的研究和实践中，建议不断优化技术手段和提高系统性能，以满足水利领域对精确数据的需求，并加强对无人机航测技术的标准化和规范化，促进无人机航测技术在水利领域的推广和应用，进一步提升水利工作的效率和水平，推动水利领域的现代化发展。