遼寧防汛抗旱工作中無人機(jī)的應(yīng)用分析

王世杰

(遼寧省凌源市水務(wù)局，遼寧 凌源 122500)

1 無人機(jī)概述

無人機(jī)技術(shù)是利用遙感傳感器、計(jì)算機(jī)、無人機(jī)等實(shí)現(xiàn)空中平臺(tái)搭建、數(shù)據(jù)信息采集、遙感影像處理的綜合型技術(shù)，其生成的圖像具有精度高、攜帶方便、自動(dòng)化好、反映迅速等特點(diǎn)[1]。通過航拍、三維空間運(yùn)算、矢量化處理等程序可以提取待測(cè)量對(duì)象的坡度、體積、形狀、植被覆蓋率等數(shù)據(jù)信息，從而解決傳統(tǒng)方法存在的效率低、精度差、到不了、看不全的問題[2]。

無人機(jī)實(shí)現(xiàn)飛行目標(biāo)及完成相應(yīng)任務(wù)的根本途徑是攜帶不同的設(shè)備，其簡(jiǎn)稱為“UAV”。根據(jù)不同的平臺(tái)結(jié)構(gòu)可以將無人機(jī)劃分成多旋翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、固定翼無人機(jī)三類[3]。其中，固定翼無人機(jī)必須在動(dòng)力系統(tǒng)作用下滑行跑道以實(shí)現(xiàn)起飛、降落；無人價(jià)值飛機(jī)存在飛行效率高、續(xù)航能力強(qiáng)、飛行速度快、載重量大等特點(diǎn)；多旋翼無人機(jī)和無人直升機(jī)可以定點(diǎn)懸?；虼怪苯德?，起飛和降落過程中甚至不需要起降場(chǎng)地，但存在飛行效率稍低、耗電大等缺點(diǎn)[4]。多旋翼無人機(jī)相對(duì)于無人直升機(jī)，一般存在成本較低、運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定、操作方便、結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。文章以遼寧省防汛抗旱指揮部擁有的六旋翼無人機(jī)為研究對(duì)象，深入研究了其應(yīng)用特點(diǎn)和基本功能。

1.1 應(yīng)用特點(diǎn)

六旋翼無人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，可搭載多種信息采集和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備完成多種任務(wù)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)易于維護(hù)、操作簡(jiǎn)便、操作人員培訓(xùn)周期短且低空攝影系統(tǒng)成本低，能夠大大節(jié)省防汛抗旱投入的物力和人力。

1)自動(dòng)化處理。高精度、全自動(dòng)數(shù)據(jù)處理及影像提取是無人機(jī)技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)，依據(jù)自動(dòng)化功能可以實(shí)現(xiàn)像主點(diǎn)、相機(jī)型號(hào)、聚焦等EXIF信息的讀取，并準(zhǔn)確的識(shí)別相機(jī)鏡頭徑向與切向畸變差系數(shù)，對(duì)影像畸邊進(jìn)行自動(dòng)校正，為輸出高精度影像提供支持。在自動(dòng)化處理時(shí)無需對(duì)飛行姿態(tài)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行專門的處理，操控員按照地面提供的GPS信息就可以直接查看與處理[5]。根據(jù)系統(tǒng)自帶功能能夠完成初始影像、DOM、DEM等數(shù)據(jù)的處理，并為專業(yè)技術(shù)軟件(如RS、GIS等)計(jì)算提供數(shù)據(jù)信息，通過輸出可讀文件ERDAS、Arc GIS、 Socet Set等實(shí)現(xiàn)與攝影測(cè)量軟件的無縫集成[6]。

2)成果系統(tǒng)。通過自動(dòng)切片處理DOM數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)的PNG、KML文件，采用Google Earth可以實(shí)現(xiàn)成果的預(yù)覽；此外，無人機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)，具有明顯的成果輸出速度和高精度數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)。在完成影像正射校正的同時(shí)利用系統(tǒng)模塊，可以完成影像的勻色處理，將所有扭曲的視角進(jìn)行校正后輸出影像。在DSM中每個(gè)像素都存在與其一一對(duì)應(yīng)的高度值與坐標(biāo)，按照GIS標(biāo)準(zhǔn)軟件可以生成等高線以及精準(zhǔn)測(cè)量坡度、距離、體積等數(shù)據(jù)。

3)空間分辨率達(dá)cm級(jí)。采用空間算法確定初始影像的相關(guān)參數(shù)及其真實(shí)位置，依據(jù)區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)、全部影像內(nèi)容和獨(dú)立的優(yōu)化技術(shù)無人機(jī)可以自動(dòng)完成影像校準(zhǔn)，并且保持測(cè)量、攝影輸出標(biāo)準(zhǔn)格式與所需數(shù)據(jù)格式一致[7]。根據(jù)無人機(jī)自帶GPS軟件可完成地理位置的估算，并且處理過程中無需其它GCP模塊，為了滿足更高精度的絕對(duì)定位需求可以利用直觀便攜的界面，經(jīng)空間計(jì)算與控制點(diǎn)的田間實(shí)現(xiàn)cm級(jí)分辨率精度和1∶200比例尺等高線的輸出。

4)反應(yīng)快速。無人機(jī)技術(shù)在幾分鐘內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)DEM預(yù)覽及鑲嵌處理，硬件配置低且運(yùn)算速度快，采用常用的筆記本就可以完成運(yùn)行。

1.2 基本功能

系統(tǒng)具備高度自動(dòng)化生產(chǎn)3D產(chǎn)品、超快速影像匹配處理、高自動(dòng)化定向計(jì)算、影像快速處理等全部實(shí)用功能，可以生產(chǎn)數(shù)字格柵地圖DSM、高質(zhì)量數(shù)字正射影像圖DOM和高精度數(shù)字高程模型DEM，具體如下：

1)數(shù)據(jù)提取功能。①飛行軌跡的設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)地踏勘和遙感影像等數(shù)據(jù)資料，應(yīng)全面分析測(cè)區(qū)內(nèi)的地形地貌、土地利用情況等信息，在此基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)飛行軌跡，其中分辨率、飛行高度與架次、起落點(diǎn)、影像重疊率等為重點(diǎn)設(shè)置的環(huán)節(jié)。②像控點(diǎn)信息的采集。遵循易糞便、分布均勻的原則，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)明顯標(biāo)志物的經(jīng)緯度、高程信息利用差分GPS提取，通常要設(shè)置5-7個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，選擇已建立的地面影像控制點(diǎn)作為航拍影像后期處理的精度設(shè)置基準(zhǔn)。③遙感影像信息的獲取。對(duì)重復(fù)影像進(jìn)行篩選刪除處理，從而確定信息豐富、信息度較高的影像，并調(diào)整合適的亮度、顏色完成影像輸出。

2)數(shù)據(jù)管理功能。主要包括影像與基本數(shù)據(jù)的輸入或輸出、圖件與圖廓整飾的輸出、各種參數(shù)的設(shè)置、各種過程的批處理、三維立體景觀顯示災(zāi)區(qū)被測(cè)區(qū)域、基本的影像處理、不同網(wǎng)格密度的質(zhì)量報(bào)告與質(zhì)量控制等功能。

3)影像匹配與定向計(jì)算功能。主要包括影像匹配、影像匹配預(yù)處理、全自動(dòng)絕對(duì)定向、相對(duì)定向和內(nèi)定向等功能。

4)生成正射影像功能。通過一系列的運(yùn)算和初始化處理，結(jié)合加密后的點(diǎn)云集合以及運(yùn)算數(shù)據(jù)成果自動(dòng)生成DSM和正射影像。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 三維工情量測(cè)

拍攝、建模、測(cè)量與分析典型性地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，詳細(xì)流程如下：

1)數(shù)據(jù)采集。對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃被測(cè)工情區(qū)域采用掛載傾斜攝像機(jī)的六旋翼無人機(jī)，并且通過地面站駕駛員可以實(shí)現(xiàn)三維建模飛行航線的控制。飛行啟動(dòng)后飛機(jī)將按照航線，自動(dòng)飛行采集數(shù)據(jù)并完成自動(dòng)返航。①拼接與融合影像：首先幾何校正飛行器造成的圖像旋轉(zhuǎn)、投影變形、相機(jī)鏡頭畸變，并完成圖像特征的自動(dòng)配準(zhǔn)和圖像對(duì)齊；然后采用合適的方法并按照?qǐng)D像內(nèi)部特征完成配準(zhǔn)處理，其中點(diǎn)特征匹配時(shí)圖像拼接領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的方法，為全自動(dòng)拼接圖像提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持；最后，對(duì)配準(zhǔn)后的圖像邊界進(jìn)行縫合和平滑配準(zhǔn)，所以區(qū)域影響必須經(jīng)幾何校正和圖形配準(zhǔn)融合等一系列處理。②空中三角測(cè)量：考慮影像連接點(diǎn)、側(cè)區(qū)內(nèi)已知點(diǎn)和地面控制點(diǎn)，考慮物方空間坐標(biāo)利用平差法求解外方位元素。相鄰相片中的同名定向點(diǎn)坐標(biāo)利用自動(dòng)匹配技術(shù)進(jìn)行提取，相對(duì)定向點(diǎn)就是輸出的初始像點(diǎn)坐標(biāo)，而絕對(duì)定向則利用野外實(shí)測(cè)的GPS像控制點(diǎn)來確定；然后，對(duì)圖像三維坐標(biāo)零平差法生成，并導(dǎo)出相應(yīng)的文件；最后，按照實(shí)際需求與以上文件設(shè)置網(wǎng)格間距并生成不規(guī)則三角網(wǎng)，高程點(diǎn)利用內(nèi)插法進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上生成DSM數(shù)據(jù)。

2)三維建模。采用工作站上的“三維建模軟件”導(dǎo)入采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)一系列運(yùn)算處理搭建三維模型，每1.5h耗時(shí)可完成1km2的三維建模。

3)測(cè)量分析。以各種數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)生成三維建模圖，同時(shí)完成面積、高度、距離等多種測(cè)量和線面繪制。在其他分析軟件中也可導(dǎo)入測(cè)量所得的數(shù)據(jù)，并完成淹沒演示、剖面、填挖方、雷達(dá)、可視域及通視等一系列分析，通過對(duì)研究區(qū)域典型性地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的測(cè)量分析、三維建模、數(shù)據(jù)采集等，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)，為遼寧省防汛抗旱指揮決策以及重點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害處理提供技術(shù)支持。

2.2 災(zāi)情巡查攝影

1)災(zāi)情巡查。災(zāi)情發(fā)生時(shí)，采用搭載高清云臺(tái)攝像器的六旋翼無人機(jī)，并且圍繞災(zāi)區(qū)定義飛行航線，駕駛員可使用手扶式遙控器駕駛無人機(jī)高空拍攝災(zāi)情或利用地面站控制系統(tǒng)使無人機(jī)自動(dòng)巡航拍攝。然后將畫面通過無線電技術(shù)或衛(wèi)星通訊車傳輸?shù)降孛婕爸笓]中心，指揮中心和現(xiàn)場(chǎng)人員可以直觀地獲取災(zāi)情概況，從而為防汛抗旱決策指揮提供支持。

2)災(zāi)情攝影。對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃災(zāi)區(qū)采用掛載傾斜攝像機(jī)的六旋翼無人機(jī)，并且通過地面站駕駛員可以實(shí)現(xiàn)正攝飛行航線的控制，無人機(jī)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的采集和返航。對(duì)采集的數(shù)據(jù)可利用三維建模軟件實(shí)行處理，從而獲取DOM圖。例如，受持續(xù)強(qiáng)降雨影響某地區(qū)突發(fā)山洪泥石流，并導(dǎo)致當(dāng)?shù)厝罕姳焕?，泥石流沖毀淹沒村民住宅等。因此，水毀建筑物的大致位置可以通過災(zāi)前災(zāi)后圖像的對(duì)比來確定，進(jìn)而快速的確定人員被困地點(diǎn)。在暴雨中利用六旋翼無人機(jī)，救護(hù)人員可以實(shí)現(xiàn)水毀現(xiàn)場(chǎng)信息的持續(xù)采集，并向指揮中心傳送采集的圖像信息。依據(jù)實(shí)時(shí)信息指揮中心要精準(zhǔn)指揮，最大程度的降低財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

2.3 應(yīng)急救援指揮

1)高空喊話。對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域利用掛載無限高音喇叭的六旋翼無人機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)高空巡航和錄制音頻的循環(huán)播放，預(yù)警廣播，緊急疏散；此外，也可實(shí)時(shí)喊話安撫被困人員等。

2020年，在遼寧防汛應(yīng)急搶險(xiǎn)救援演練中六旋翼無人機(jī)高空搜索出數(shù)名被困群眾，并發(fā)揮安撫情緒、高空喊話的重要作用，收到傳回影像后指揮部對(duì)被困群眾排出水域救援專業(yè)隊(duì)員施救，救援演練中無人機(jī)取得較好的應(yīng)用效果。

2)定點(diǎn)拋投。采用掛載高空拋投器的六旋翼無人機(jī)及其實(shí)時(shí)傳輸回來的圖像，可精準(zhǔn)的確定投放位置，并將投物器利用手持遙控器打開，在所需地點(diǎn)準(zhǔn)確拋投繩索、救生衣、急救包、頭盔等貨物以供被困人員使用。

2020年，在遼寧防汛應(yīng)急搶險(xiǎn)救援演練中無人機(jī)發(fā)現(xiàn)落水群眾后，投落救生衣為施救提供了有利條件。

2.4 水利行業(yè)的應(yīng)用

1)無人機(jī)硬件生產(chǎn)成本將隨著產(chǎn)業(yè)鏈配套的日趨成熟而大幅度下降，未來其市場(chǎng)價(jià)格將不斷下降，各專業(yè)應(yīng)用軟件也將日趨完善與成熟，市場(chǎng)關(guān)注度和消費(fèi)級(jí)無人機(jī)客戶群體將不斷攀升，專業(yè)級(jí)無人機(jī)市場(chǎng)具有較大的潛力且各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，客戶規(guī)模表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、水利工程、能源、防汛抗旱、國(guó)土資源、搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域?qū)⒌玫礁訌V泛而深入的應(yīng)用。

2)對(duì)于湖泊、河流和水庫等，無人機(jī)可以對(duì)水域范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)變化情況實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的監(jiān)測(cè)，通過獲取影像資料、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等一系列信息，并采用專業(yè)的分析軟件實(shí)現(xiàn)信息化、智能化水域管理，為加快經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

3)在影像信息獲取時(shí)無人機(jī)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：安全可靠、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、遙測(cè)設(shè)備靈活，起降無需大面積場(chǎng)地且連續(xù)作業(yè)能力較強(qiáng)；無人機(jī)可拍攝高重疊率、大比例尺、高精準(zhǔn)度的影像，一般在云層以下飛行并獲取高精度局部信息。所以，在水土保持、水利管理、土壤監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域也可利用無人機(jī)技術(shù)，可以檢查洪災(zāi)區(qū)域、監(jiān)測(cè)水庫與水情、河道走向等，并且在災(zāi)情發(fā)生時(shí)還可查看淹沒區(qū)域、水毀橋梁等情況，

3 結(jié) 語

無人機(jī)技術(shù)在遼寧省水利行業(yè)中的應(yīng)用還處于起始階段，隨著無人機(jī)在水文監(jiān)測(cè)、水土保持、水資源、防汛抗旱等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將顯著提高災(zāi)情、旱情、水雨情信息傳輸?shù)臅r(shí)效性及采集的準(zhǔn)確性，為水資源評(píng)價(jià)、防洪抗旱調(diào)度方案制定、準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)與預(yù)測(cè)等提供科學(xué)的決策依據(jù)。