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        淺析無人機(jī)航拍技術(shù)在水電行業(yè)中的應(yīng)用

        2019-06-12 06:37:46
        水電站設(shè)計 2019年2期
        關(guān)鍵詞:全景航拍攝影

        王 增 竹

        (中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司, 四川 成都 610072)

        0 前 言

        無人機(jī)航拍技術(shù)是最近發(fā)展迅速的一種新技術(shù),它是利用輕型無人機(jī)搭載專業(yè)相機(jī),獲取目標(biāo)區(qū)域的高清影像的技術(shù)。相比傳統(tǒng)影像獲取方法,無人機(jī)航拍技術(shù)具有效率高、成本低、作業(yè)范圍廣、拍攝角度獨(dú)特、機(jī)動靈活等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到影視廣告制作、信息監(jiān)測和其他需要高清影像的專業(yè)中[1-2]。

        水電是清潔能源,具有可再生、無污染、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),是我國大力發(fā)展的一種能源形式。水電站多分布在西部高山峽谷等水能資源蘊(yùn)藏豐富的地區(qū),自然條件相對惡劣,傳統(tǒng)攝影方法難以及時有效地獲取數(shù)據(jù)。采用無人機(jī)航拍技術(shù),可以在復(fù)雜的環(huán)境中快速獲取高清影像數(shù)據(jù),提高效率。通過對影像進(jìn)行矯正和后續(xù)處理,可以得到高精度的正射影像(DOM)和三維模型,廣泛地應(yīng)用于電站規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)維等各個階段[3-4]。

        1 無人機(jī)航拍技術(shù)簡介

        無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle)是一種由無線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱的無人駕駛飛行器。它最早出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代,當(dāng)時是作為訓(xùn)練用的靶機(jī)使用的,軍事上使用較多。隨著計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)和數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,目前,無人機(jī)上加載GPS 、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備后,應(yīng)用在航空攝影測量、地球物理勘探、災(zāi)情監(jiān)測、土地利用調(diào)查等民用領(lǐng)域,并發(fā)揮著重要的作用[5]。

        無人機(jī)航拍技術(shù),以獲取高分辨率數(shù)字影像為應(yīng)用目標(biāo),以自動駕駛飛機(jī)為飛行平臺,以高分辨率數(shù)碼像機(jī)位傳感器,最終獲取小面積、真彩色、大比例尺、現(xiàn)勢性強(qiáng)的航測遙感數(shù)據(jù)。無人機(jī)航拍系統(tǒng),具有“三高一低”的重要特性,即高機(jī)動性、高分辨率、高度集成、低成本。

        無人機(jī)航拍系統(tǒng)的組成主要包括:飛行器、控制站和通訊鏈路等,如圖1所示。其中飛行器中的飛控系統(tǒng)(飛行管理和控制系統(tǒng))是無人機(jī)航拍系統(tǒng)的核心,對無人機(jī)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確度、實(shí)時性等都有重要影響,對飛行性能起著決定性的作用。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以保證對遙控指令的準(zhǔn)確傳輸,以及無人機(jī)接收、發(fā)送信息的實(shí)時性和可靠性,以保證信息反饋及時有效,順利、準(zhǔn)確地完成任務(wù)[3]。

        圖1 無人機(jī)航拍系統(tǒng)的組成

        無人機(jī)按照尺度大小可以分為輕型(7 kg以下)、小型(7~116 kg)和大型(116~5 700 kg)三類。按照任務(wù)高度可分為超低空(0~100 m)、低空(100~1 000 m)、中空(1 000~7 000 m)、高空(7 000~18 000 m)和超高空(大于18 000 m)等。按照無人機(jī)產(chǎn)生升力的原理可以分為氣球、飛艇、固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)和撲翼機(jī)等類型?,F(xiàn)在無人機(jī)航拍技術(shù)多采用輕型固定翼或旋翼無人機(jī),在中低空范圍內(nèi)作業(yè)。固定翼和旋翼無人機(jī)的比較見表1。

        表1 固定翼和旋翼無人機(jī)對比[3]

        無人機(jī)航拍技術(shù)在水電行業(yè)的應(yīng)用,主要包括高清影像和三維模型兩個方面的應(yīng)用,下面將分別闡述。

        2 無人機(jī)航拍高清影像的應(yīng)用

        2.1 全景影像

        全景影像技術(shù)(Panoramic Photography Technology),是指拍攝能夠呈現(xiàn)360°完整場景范圍照片的技術(shù),通過視角的變換,可以讓人身臨其境,其實(shí)現(xiàn)方法主要是使用相機(jī)環(huán)360°拍攝的一組或多組照片,進(jìn)而拼接成一個全景圖像。全景影像技術(shù)具有真實(shí)性強(qiáng),播放設(shè)備硬件要求低,導(dǎo)覽性、交互強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),越來越受到人們的關(guān)注。它可以應(yīng)用于各種商品的廣告與推銷、遠(yuǎn)程教學(xué)、旅游業(yè)、新聞機(jī)構(gòu)、娛樂業(yè)、多媒體演示、建筑業(yè)、古建筑藝術(shù)等。

        通過無人機(jī)航拍系統(tǒng)拍攝的水電站的多組照片,合成水電站的全景圖像,可以直觀地看到水電站工程的全貌,并且能夠根據(jù)不同的需要輸出特定角度的照片,不需要無人機(jī)復(fù)飛,大大擴(kuò)展了無人機(jī)航拍技術(shù)的應(yīng)用范圍。最終生成的全景成果通過第三方平臺(如騰訊全景、720云等)展示,平臺中提供自定義熱點(diǎn)功能,能夠?qū)崿F(xiàn)多個場景的快速切換和訪問。全景成果也可以生成本地FLASH和HTML文件,作為匯報展示的素材。另外,通過與VR技術(shù)相結(jié)合,可以制作沉浸式全景漫游、虛擬街景等產(chǎn)品,借助于VR頭盔等硬件實(shí)現(xiàn)更好地展示效果。

        圖2 全景影像制作流程和應(yīng)用場景

        圖3 以720云為平臺的全景影像展示系統(tǒng)

        2.2 無人機(jī)航拍監(jiān)測

        無人機(jī)航拍監(jiān)測主要是利用無人機(jī)的影像實(shí)時傳輸、高分辨率、機(jī)動靈活等優(yōu)點(diǎn),對目標(biāo)區(qū)域特別是人無法到達(dá)的高危區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測,它能夠及時獲取目標(biāo)區(qū)域的影像信息,并根據(jù)需要錄制相應(yīng)視頻。無人機(jī)航拍監(jiān)測在水電行業(yè)的應(yīng)用主要包括地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、江湖河道監(jiān)測、輸電線路巡檢和環(huán)保水保監(jiān)測等[3-5]。

        水電站周邊環(huán)境復(fù)雜,易發(fā)生地震、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。由于交通不便,人工拍攝地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)難度較大且視角有限。采用無人機(jī)航拍監(jiān)測,機(jī)動快速、成本低,可以多角度拍攝,大大減輕人工拍攝的壓力,為消除隱患和災(zāi)后救援提供第一手可靠資料。2018年10月11日3時,金沙江川藏交界江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)白格村發(fā)生山體滑坡,導(dǎo)致金沙江斷流并形成堰塞湖。在搶險過程中,無人機(jī)航拍及時傳回滑坡現(xiàn)場圖片,為應(yīng)急救援及災(zāi)害防護(hù)提供了可靠依據(jù)。

        無人機(jī)搭載的遙感數(shù)據(jù)采集、接收和處理等軟硬件,可以對湖泊水庫、河流河道的有關(guān)信息進(jìn)行快速獲取,為水利部門及環(huán)保部門提供方便、快捷、多角度的監(jiān)控信息。聶喆[1]等開展了無人機(jī)對黃河河道冰凌航拍工作,具有穩(wěn)定性好、起降靈活、安全性高、實(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)勢,同時利用無人機(jī)遙感影像進(jìn)行凌汛險情調(diào)查與堤防病害識別,具有人力成本低、時間快、復(fù)查周期短,可以迅速發(fā)現(xiàn)或更新凌汛險情及堤防病害的發(fā)生、發(fā)展和變化情況等優(yōu)點(diǎn)。

        超/特高壓輸電線路輸送距離長、塔架高并穿越大量深山大河,自然條件復(fù)雜多變。傳統(tǒng)的輸電線路巡檢采用人工(裸眼目視或攜帶設(shè)備)地面觀察或登桿(塔)排查等傳統(tǒng)手段,不僅受自然條件制約,而且勞動強(qiáng)度大,人身安全存在隱患,巡檢效率低。隨著無人機(jī)技術(shù)的日趨完善,以無人飛行器為巡檢載體、地面監(jiān)控設(shè)備為支撐的輸電線路巡檢系統(tǒng),因具有廣覆蓋、高效率、高可靠、低風(fēng)險和低成本的優(yōu)勢,正在受到愈來愈廣泛的關(guān)注。楊成順等[6]研究了基于多旋翼無人機(jī)的輸電線路智能巡檢系統(tǒng),該系統(tǒng)已在輸電線路巡檢中初步應(yīng)用,結(jié)果表明其能夠高效、自主、準(zhǔn)確識別并診斷特高壓輸電線路的典型缺陷與故障。

        水土保持監(jiān)測是借助多種手段,采取綜合性的方式,從水土資源的保護(hù)、維護(hù)資源的可持續(xù)利用以及維持良好生態(tài)環(huán)境出發(fā),對造成水土流失的成因,水土流失的數(shù)量、影響范圍、強(qiáng)度、造成的危害以及防治的成效等指標(biāo)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和評估。隨著無人機(jī)航拍技術(shù)不斷成熟和完善,它在水土保持監(jiān)測方面應(yīng)用的越來越廣泛。梁志鑫等[7]提出運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)開展生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測新方法,以提高生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測的效率、精度及自動化程度。其主要工作流程為:先獲取高清影像,然后利用遙感影像處理軟件對影像進(jìn)行拼接、糾正、調(diào)色等處理;通過野外調(diào)查,建立解譯標(biāo)志;依據(jù)解譯標(biāo)志針對影像提取植被覆蓋度及土地利用信息;利用GIS坡度分析功能從DEM數(shù)據(jù)空間分析獲取坡度信息。

        3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用

        3.1 傾斜攝影技術(shù)

        傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù),通過在無人機(jī)飛行平臺上搭載多臺傳感器(如圖4所示,目前常用的是五鏡頭相機(jī)),同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像,獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正片(一組影像),鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片(四組影像)[8]。

        圖4 傾斜攝影相機(jī)和影像獲取示意

        傾斜攝影獲取的影像經(jīng)過糾偏和后續(xù)加工處理,通過專用測繪軟件可以生產(chǎn)傾斜攝影模型。相對于正射影像,傾斜影像模型能讓用戶從多個角度觀察地物,更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況,極大地彌補(bǔ)了基于正攝影像應(yīng)用的不足。傾斜攝影技術(shù)生成的三維模型和局部細(xì)節(jié)見圖5。通過配套軟件的應(yīng)用,可直接基于成果影像進(jìn)行包括高度、長度、面積、角度、坡度等的量測,擴(kuò)展了傾斜攝影技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用。此外,相較于三維GIS技術(shù)應(yīng)用龐大的三維數(shù)據(jù),應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)獲取的影像的數(shù)據(jù)量要小得多,其影像的數(shù)據(jù)格式可采用成熟的技術(shù)快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,實(shí)現(xiàn)共享應(yīng)用[9]。

        傾斜攝影測量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景,通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果,直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性,為真實(shí)效果和測繪級精度提供保證。同時有效提升模型的生產(chǎn)效率,采用人工建模方式一兩年才能完成的一個中小城市建模工作,通過傾斜攝影建模方式只需要3~5個月時間即可完成,大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟(jì)代價和時間代價。

        圖5 傾斜攝影技術(shù)生成的三維模型和局部細(xì)節(jié)

        3.2 傾斜攝影技術(shù)在水電行業(yè)的應(yīng)用

        傾斜攝影技術(shù)在水電行業(yè)的應(yīng)用主要包括兩個方面:一是在高精度的三維模型上實(shí)現(xiàn)長度、角度和體積等物理量的測量,得到相關(guān)的工程量;二是基于實(shí)景模型,為水電站的運(yùn)維和管理提供真實(shí)可靠的平臺。

        通過專業(yè)的GIS軟件(如超圖的SuperMap),可以基于傾斜攝影三維模型進(jìn)行多個物理量的測量。如石料場的開挖,通過對模型的前后對比,快速得到開挖量等信息,為工程建設(shè)提供依據(jù)。此外,還可以通過格式轉(zhuǎn)換(見圖6),將三維模型導(dǎo)入到專業(yè)三維軟件(如CATIA)中,基于模型得到更多的數(shù)據(jù)。王慶棟等[10]研究了利用傾斜攝影和3ds Max技術(shù)之間的對接,將兩種軟件的優(yōu)勢結(jié)合,提供一種實(shí)用、快捷高效、半自動的建模方案。

        圖6 傾斜攝影三維模型與專業(yè)軟件對接

        傾斜攝影技術(shù)生成的三維模型,具有豐富的可視細(xì)節(jié),與現(xiàn)在的地形貼圖模型相比,真實(shí)度更高,可以為水電站的規(guī)劃設(shè)計和運(yùn)維管理提供逼真的平臺。實(shí)現(xiàn)對從規(guī)劃到建設(shè)和運(yùn)維的全過程“一張圖”管理,為智慧電站信息服務(wù)建設(shè)注入全新的活力[11]。另外,由于傾斜攝影三維模型真實(shí)度高,可以在突發(fā)自然災(zāi)害(如地震、泥石流、滑坡)時,提供第一時間的現(xiàn)場影像,從而為救災(zāi)提供指導(dǎo)。

        依托無人機(jī)航拍技術(shù)的不斷進(jìn)步,傾斜攝影技術(shù)在近兩年發(fā)展迅速,但它也存在著數(shù)據(jù)量大、軟硬件投入高、單體化較困難和細(xì)節(jié)需修補(bǔ)等問題,例如,進(jìn)行空三處理的軟件價格較高,硬件上需要購置計算能力強(qiáng)的服務(wù)器等,這些都在一定程度上限制了其在水電行業(yè)的應(yīng)用。相信隨著技術(shù)的不斷革新,傾斜攝影技術(shù)會為水電行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)更大的力量。

        4 結(jié) 語

        無人機(jī)航拍技術(shù)具有機(jī)動靈活、成本較低、圖像清晰等優(yōu)點(diǎn),基于無人機(jī)航拍技術(shù)獲得的高清影像和三維模型,在水電行業(yè)中有著越來越廣泛的應(yīng)用。但它的缺點(diǎn)也不容忽視,如飛行受天氣因素影響較大,大風(fēng)雨雪天氣無法工作,在高海拔地區(qū)續(xù)航衰減嚴(yán)重,影像存在畸變需要后期修正等。如何充分發(fā)揮無人機(jī)航拍的優(yōu)點(diǎn),擴(kuò)展在行業(yè)中的應(yīng)用,是今后水電信息化工作思索和努力的方向。

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