小型无人机在水利工程勘测中的应用
丁遵隆 严利燕
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
中图分类号：TV221? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）09-0103-03
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。
制作完成的3D产品，可以有效地应用在水利工程建设的各个阶段。DLG是传统的测绘地形图，是设计的基础资料;DOM正射影像，具有地图几何精度和影像特征，可以使设计人员更加直观地了解到现场情况;DEM成果，可以应用于水利规划，河流治理、水库工程等[7]。数字测绘3D产品能定性又定量地全面反映工程现场的情况，是勘察设计及后期施工的基础资料。如图2所示。
3倾斜摄影测量
倾斜摄影是近几年发展起来的一项高新技术，改变了传统正射影像DOM相机垂直拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台影像传感器，从不同角度采集影像，更加真实地反映地物的实际情况。该技术可以快速、高效获取客观丰富的地面数据信息[8]。
随着科技发展，测绘行业的产品不仅局限于二维地图和定位导航，传统航空摄影测量成果主要体现在4D产品上，而倾斜摄影测量除了能生产传统的4D产品外，主要产品还包括真三维场景和数字表面模型，可以给用户带来更逼真的感官体验，更直接、更广泛地用于地理信息各个领域[9]。
使用倾斜摄影测量技术进行测绘，与传统摄影测量方法相似，在外业航拍时，航空摄影测量是以像片倾角小于2°～3°的竖直航空摄影像片为原数据，而倾斜摄影测量则是除竖直航空摄影像片之外，增加了多个倾斜等不同角度采集的影像，这一部分影像既可以通过一台无人机搭载多台传感器进行一架次航拍获得，也可以通过一台无人机搭载一台传感器进行多架次飞行获得。
在完成数据获取后，使用Bentley ContextCapture软件进行无人机倾斜摄影实景三维建模，该软件通过空中三角测量、生成密集点云以及构建TIN模型、自动纹理切片映射等环节生成三维实景模型，自动化程度高，人工干预少，生产成本低，高效快速[10]。成果包括开放格式3MX、自有格式S3C、OSJB、Esri i3s scene database格式等，其中Esri i3s scene database格式成果可以对接到ArcGis中使用，OSJB格式可以应用于EPS地理信息工作站，通过该工作站制作4D测绘产品。基于倾斜摄影测量可以进行大比例尺地形图测绘，制作完成的大比例尺地形图可以满足1：500大比例尺地形图测量要求[11]。其他处理后的数据可用于数字地图和表面建模、质量和体积计算以及建筑信息建模（BIM）。
在水利工程中，结构复杂的水工建筑物安全鉴定及除险加固，需要对建筑物形体进行全面测量，传统测量工作中全站仪可以完成该项工作，但需要外业多次架设仪器，多角度对建筑物立面、剖面等进行数据采集，内业对数据进行整理绘图。但是由于传统的平面、断面图较为抽象，成果不够直观，需要技术人员有较高的专业技能才能读懂，增加了很多沟通成本。而倾斜摄影建模通过无人机外业获取的影响数据完成三维建模，不仅可以清晰展示建筑物的轮廓、表面纹理，还可以实现对建筑物的立体量测。设计人员使用Acute 3D Viewer软件，就能直观地看到建筑物的情况，针对需要的信息就是数据获取，了解建筑物、项目区的各项参数。还可以通过Portal for ArcGIS 将倾斜摄影模型发布成Web service，以支持网页及App形式的访问和搭建使用。
无人机倾斜摄影建模生成的实景三维建模还可以在工程建设过程中为各种分析和评估提供依据。精确的地形规划项目和管理是确保项目质量的重中之重，而在传统测绘方式中，获取高精度测绘成果往往意味着高昂的时间、人员和设备成本。小型无人机技术的发展，为传统勘测行业带来了技术革新与进步。
4结束语
小型无人机是一项具有天然优势的高科技技术。针对小型水利工程的相关应用，对水库勘测行业大有裨益，提高了生产效率，然而当下我们使用的小型无人机仍然存在续航时间短、精度低、智能化不足等问题，需要进行改善。未来，无人机通过与其他行业的交流，相信无人机在水利工程中的应用会更多，也会产生更多尚未开发的功能。
参考文献：
[1]方国栋. 水利工程施工管理中的若干问题及对策研究[J]. 河南水利与南水北调， 2015（6）：49-50.
[2]臧克， 孙永华， 李京， et al. 微型无人机遥感系统在汶川地震中的应用[J]. 自然灾害学报， 2010， 19（03）：162-166.
[3]宋宝森.全景图像拼接方法研究与实现[D].哈尔滨工程大学，2012.
[4]袁修孝. 航空摄影测量影像定向的若干探讨[J]. 地球科学进展， 2007， 22（8）.
[5]李忠强， 王瀚宇， 刘婷婷， et al. 基于 Pix4Dmapper 的无人机数据自动化处理技术探讨[J]. 海洋科学， 2018， 42（1）.
[6]卢晓攀. 无人机低空摄影测量成图精度实证研究[D]. 中国矿业大学， 2014.
[7]敖文斌. 基于DEM的遥感技术在水利工程中的运用[J]. 河南科技， 2014（4）：29-29.
[8]李德仁， 刘立坤， 邵振峰. 集成倾斜航空摄影测量和地面移动测量技术的城市环境监测[J]. 武汉大學学报·信息科学版， 2015， 40（4）：427-435.
[9]阳秀弟 . 浅谈倾斜摄影测量与传统航空摄影测量的区别[J]. 低碳世界， 2018.
[10]宋雪莲，阮玺睿，马茹菲，et al.基于ContextCapture的无人机倾斜摄影测量三维建模[J]. 科技经济导刊， 2018， v.26;No.647（21）：13-14+18.
[11]徐思奇， 黄先锋， 张帆， et al. 倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用[J]. 测绘通报， 2018.
