小型无人机在水利工程勘测中的应用

　　摘 要：无人机行业发展迅速，在水利工程勘测项目中，有很多环节实际使用无人机进行工作。本文结合行业发展趋势，对无人机在水利工程中的应用情况及其可以实现的内容进行了调查，现作如下表述，希望能对相关行业有一定的借鉴作用。

　　关键词：小型无人机;水利工程;勘测;应用

　　《山西水利杂志》办刊宗旨是围绕水利工作实际，宣传与贯彻党和国家有关水利工作的方针、政策，反映与交流水利建设与管理诸方面的成绩、经验、情况、问题和意见，在指导水利工作、推广典型经验、介绍水利经济理论、提倡科学治水和学术争鸣、促进水利工作改革、提高经济效益方面发挥积极作用。

　　水利工程是为了控制、利用和保护地表及地下水资源与环境而修建的各项工程建设的总称。按其服务对象，可分为防洪工程、农田水利、水力发电、航道和港口工程、供水和排水工程、环境水利工程、海涂围垦工程等[1]。中小型水利工程勘测，通常存在项目规模小，投资不高，技术人员少，技术复杂等问题。而小型无人机便于携带、起降灵活，可以实现自主飞行与低空飞行，较好地契合了小型水利工程的规模小，技术人员少的特点。

　　小型无人机系统，通常由飞行平台、传感器系统、操控软件、地面辅助设备等组成，其中，传感器的基础功能包括摄像及摄影，也可以结合辅助设备包括定位定姿系统、声像系统、光电系统等实现更多功能，具有成本低、机动灵活、影像实时传输、高危地区探测等特点[2]。目前，小型无人机已经可以开展测绘航空摄影、摄影测量等工作。

　　1摄影摄像

　　小型无人机的基本功能是摄影摄像，该功能在水利工程中的应用有以下几个方面：①丘陵地区、线状工程的现场勘查航拍;②制作全景VR产品。

　　1.1现场查勘

　　丘陵、山区地带的水利项目的特点是现场作业条件较差、交通不便，而需要查勘、了解的信息较多。传统作业模式需要设计人员步行上山实地查勘，该模式效率低下，部分区域需要向导，甚至后勤人员搬运物资徒步上山，工作难度大、效率低，且存在一定的安全隐患。小型无人机的特点，有效弥补了传统作业模式的缺点。勘察人员携带无人机作业，相当于在项目空中多了一双眼睛，小型无人机已经可以做到7km的无线图传信号，在实际山区操作过程中，可以实现1km以内的安全飞行，可以对项目区现状情况一览无遗。海涂围垦、河道等线状工程，纵向大，横向窄，传统现场勘查不能很好地了解工程全貌，需要多人多次到现场分段分点了解。而无人机航拍可以一次性将起飞位置半径5km的现场面貌进行航拍视频拍摄，数据获取简便，效率高。此类线状工程的现场查勘，特别适合用无人机作为辅助手段。

　　数据获取由无人机的摄影摄像功能完成，通过操控设备，可以实时进行拍照，成果自动保存在无人机设备的存储卡中，内业只需要对存储卡中的图像、视频进行拷贝即可，成果以TIF格式的图像及MOV格式的影像文件为主。数字资料可以长期保存，便于管理，反复调阅，利于后期的档案制作。

　　1.2 VR全景产品制作

　　VR全景，是将相机环 360 度拍摄的一组或多组照片拼接成一个全景图像，其算法是通过识别匹配特征点对，去除错误的匹配特征点对，保留正确的匹配特征点对，从而进行提纯和拼接，实际运用中相邻图像有约30%的重叠度即可完成全景图的制作。有了全景图之后，通过计算机技术实现全方位的真实场景还原，并可以进行互动[3]。

　　专业VR全景相机需要多个镜头，在固定点的水平方向及上下方向进行图片素材采集。无人机技术可以从空中进行数据获取，根据无人机携带的镜头参数，通常以水平0°、俯角30°、俯角60°、俯角90°、仰角30°，以水平及竖直重叠度不低于30%的要求对项目地进行照片拍摄，即可获取到可以进行全景图制作的基础资料。全景图的制作主要通过Helmut Dersch公司的PTgui软件进行，输出全景图之后，再通过Photoshop软件对全景图进行细节完善。制作完成后的全景图可以上传到互联网，实现在线浏览，也可以使用Pano2VR软件，将全景图制作成FLASH文件，便于离线浏览。

　　制作完成的全景图，反映的是项目现场的实际情况，在勘察设计过程中，既可以直接通过VR全景图与参建各方进行一些现场展示，也可以在全景图的基础上，制作成可以进行互动的设计效果图。如图1所示。

　　2无人机摄影测量

　　航空摄影测量，是从二维对地观测影像提取三维地表空间信息的一门科学与技术。该技术从一开始利用各项辅助数据减少地面控制点成图，到以3S(GPS、GIS、RS)为主要技术手段，以4D产品(DEM、DOM、DLG、DRG)生产为最终目标的数字摄影测量时代[4]。随着技术的进步，目前小型无人机也可以进行4D产品制作，且更加安全便捷，成本也更低。

　　以大疆无人机为例，其2018年出品的Phantom4RTK，通过无人机自主飞控软件DJI GS pro，按照航空摄影规范划分航测分区及航线，设置航拍参数如相片重叠度、航线旋偏角、飞行高度等，即可以使无人机按照既定规划航线自主飞行，自主拍摄，自主返航，完成航空相片拍摄工作。外业相片拍摄时，还需要布设足够的地面像控点，并测量其坐标、高程。至此，外业数据采集便完成了，相比传统测量方法，极大地节约了人力、物力。

　　内业数据处理时，使用Pix4Dmapper软件。Pix4Dmapper 无人机数据处理系统解决了无人机数据处理过程中的 POS 信息不准确或没有、处理速度慢、操作复杂、数据量大等问题， 实现了无人机数据处理的快速、自動化、专业化的高精度处理， 无需专业知识，无需人工干预，即可将数千张影像快速制作成专业的、精确的二维地图和三维模型。该软件的成果包括正射影像图DOM、数字表面模型DSM、数字地面模型DEM、Google瓦片KML、三维模型OBJ、三维点云LAS/文本、空三结果和精度报告等[5]。数据处理时，加入外业相片控制点，进行空三解算、绝对定向，制作完成的带有准确坐标、高程信息DOM、DSM可以通过EPS地理信息工作站成图。制作完成的数字线划图DLG，成果精度经验证可以满足1：1000大比例尺地形测量的需要[6]。无人机的应用使传统测绘工作流程更优，效率更高。