朱可　趙云輝　汪翡翠　閆浩

本文介紹了無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的組成及作業(yè)流程，首先利用無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的特點(diǎn)結(jié)合實(shí)際流域水資源監(jiān)測(cè)任務(wù)的需求，并通過(guò)實(shí)際案例凸顯無(wú)人機(jī)在流域水源監(jiān)測(cè)上的優(yōu)勢(shì)，最后對(duì)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在流域水資源監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用前景進(jìn)行探索。

無(wú)人機(jī)作為新興的航空遙感平臺(tái)，具有高效率、低成本等特點(diǎn)。無(wú)人機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)了幾年的飛速發(fā)展，飛行穩(wěn)定性、起降環(huán)境、載重、飛行時(shí)間、飛行控制系統(tǒng)都取得了很大的進(jìn)步。利用無(wú)人機(jī)搭載可見光相機(jī)配備專業(yè)的飛行控制軟件，組成無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)。利用無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)開展河流監(jiān)測(cè)，充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)大航時(shí)的特點(diǎn)，可以快速獲取流域兩岸高分辨影像數(shù)據(jù)，極大程度上降低流域水資源調(diào)查成本。對(duì)無(wú)人機(jī)航空遙感成果進(jìn)行專題分析，并將普查成果與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，提高流域普查和流域管理能力。

該流域水資源監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)

該流域河水主要由冰雪融水補(bǔ)給，流域在每年冬季處于干枯狀態(tài)，每年5-6月隨著冰雪融化河流水位逐漸上升。此次監(jiān)測(cè)區(qū)域河流兩岸主要以從事農(nóng)業(yè)為主。流域遙感監(jiān)測(cè)目的主要為流域管理部門獲取河流兩岸農(nóng)業(yè)用水情況的普查。獲取流域內(nèi)引流渠、固定泵房、大河引水口、臨時(shí)水泵等用水設(shè)施的坐標(biāo)位置，繪制通往調(diào)查點(diǎn)的道路，提取河道右側(cè)1km范圍內(nèi)的農(nóng)田分布、面積及坐標(biāo)位置同時(shí)構(gòu)建流域信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為流域管理部門進(jìn)行水資源管理提供信息數(shù)據(jù)。

無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)

設(shè)備選型

進(jìn)行無(wú)人機(jī)航空遙感監(jiān)測(cè)時(shí)，根據(jù)任務(wù)區(qū)域的地理環(huán)境進(jìn)行無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的選擇。此次航空遙感監(jiān)測(cè)的任務(wù)區(qū)域內(nèi)建筑無(wú)較少、人員活動(dòng)較少，同時(shí)由于此次監(jiān)測(cè)時(shí)機(jī)選擇流域枯水期，可在干枯河道內(nèi)進(jìn)行無(wú)人機(jī)起降。由于流域監(jiān)測(cè)區(qū)域和監(jiān)測(cè)時(shí)間的要求，任務(wù)區(qū)域風(fēng)力較大，不適合選用小型電動(dòng)固定翼。綜合考慮監(jiān)測(cè)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、監(jiān)測(cè)效率、無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地等因素，此次任務(wù)選擇采用大白固定翼無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)，系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、航攝相機(jī)、飛行控制系統(tǒng)、地面站軟件、任務(wù)載荷等幾部分組成。固定翼無(wú)人機(jī)及主要參數(shù)如圖1和表1所示：

任務(wù)載荷為佳能5D MARK S相機(jī)，最大有效像素5060萬(wàn)，采用35mm定焦鏡頭，搭配大白固定翼無(wú)人機(jī)，可適用于大比例正射影像快速數(shù)據(jù)采集。相機(jī)及主要參數(shù)如圖2和表2所示：

航線參數(shù)設(shè)計(jì)

本次任務(wù)的主要目的是進(jìn)行流域兩岸偷水、排水情況的普查，需能從影像中分辨出偷水排水管道、水泵等設(shè)施，顧本次航攝要求影像分辨率優(yōu)于10cm。根據(jù)飛行高度、航攝相機(jī)焦距、航攝相機(jī)傳感器尺寸以及傳感器分辨率的關(guān)系在分辨率需求確定的情況下進(jìn)行飛行高度計(jì)算。

計(jì)算公式如下：

f/H=ab/AB

（1）

m=AB/k

（2）

其中，廠為相機(jī)焦距;

H為航高;

ab為傳感器寬度;

AB為地面覆蓋寬度;

m為像元分辨率;

k為地面覆蓋寬度對(duì)應(yīng)的像元數(shù)量;

像點(diǎn)位移計(jì)算如公式3所示：

c=w/m

（3）

其中，v為飛行速度;

t 為相機(jī)快門時(shí)間;

m為像元分辨率;

c為像點(diǎn)位移量;

根據(jù)航攝任務(wù)的實(shí)際目的及《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范 》航線規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)按照以下原則：

（1）相片分辨率能夠優(yōu)于10cm;

（2）相片航向重疊度滿足不低于60%，旁向重疊度滿足不低于30%;

（3）全部有效相片中，滾轉(zhuǎn)角可滿足不大于12。，除轉(zhuǎn)彎區(qū)域外，最大氣象影響幅度下滾轉(zhuǎn)滿足不大于15。，出現(xiàn)超過(guò)8°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%;

（4）同一航線上相鄰像片的航高差可滿足不大于30m，航線高度容差可優(yōu)于5m：

（5）影像能夠清晰，原始相片或自動(dòng)處理后的相片可辨認(rèn)出與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像;影像上無(wú)大面積反光、污點(diǎn)等缺陷;

（6）因飛機(jī)地速的影響，在曝光瞬間造成的像點(diǎn)位移最大不超過(guò)1.5個(gè)像素;

（7）航線方向與測(cè)區(qū)長(zhǎng)邊方向平行，以減少飛行航線數(shù)量;

（8）為保證測(cè)區(qū)內(nèi)完整的覆蓋度和成圖精度，航向覆蓋超出航攝邊界不少于2條基線，旁向覆蓋超出測(cè)區(qū)界限不少于像幅的30%;

無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)流程

無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)過(guò)程分為前期準(zhǔn)備階段、作業(yè)準(zhǔn)備階段、飛行作業(yè)階段、數(shù)據(jù)處理階段和交付驗(yàn)收階段。航攝任務(wù)的整體流程如圖4所示：

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)特點(diǎn)

使用成本低

大白無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用模塊化組裝，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)輸方便。無(wú)人機(jī)采用滑跑起飛及降落，在緊急情況下可進(jìn)行散降，起降距離小于50m，無(wú)人機(jī)飛行高度最高不超過(guò)3000m，無(wú)人機(jī)機(jī)組人員標(biāo)配為3人。

作業(yè)效率高

大白固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)翼展3m，載重5kg，有效作業(yè)時(shí)長(zhǎng)3h，巡航速度100km/h。搭載佳能5D MARK S相機(jī)時(shí)，獲取優(yōu)于10cm分辨率的原始影像數(shù)據(jù)時(shí)，單架次覆蓋面積可達(dá)50kIT12，對(duì)于大面積流域監(jiān)測(cè)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)

大白無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配合專業(yè)的地面站軟件，抗風(fēng)能力優(yōu)于6級(jí)，無(wú)人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定，從而保障航測(cè)作業(yè)中獲取的無(wú)人機(jī)原始影像質(zhì)量。可滿足大比例尺正射影像圖的航測(cè)需求。

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在流域水資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況

利用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作業(yè)效率高的優(yōu)點(diǎn)，在枯水期特別是流域主管部門關(guān)心的農(nóng)田灌溉前期進(jìn)行流域遙感監(jiān)測(cè)，快速獲取流域內(nèi)的無(wú)人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)20km河流流域兩岸各1000m范圍內(nèi)一天內(nèi)快速覆蓋且成果分辨率優(yōu)于8cm。通過(guò)處理后獲得高分辨率的遙感影像圖，對(duì)遙感影像圖進(jìn)行專題分析，提取流域主管部門關(guān)系的大河內(nèi)引流渠、固定泵房、大河引水口、臨時(shí)水泵等用水設(shè)施及兩岸農(nóng)田及道路信息并構(gòu)建專題信息數(shù)據(jù)庫(kù)。為流域主管部門執(zhí)法排查提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)成果

針對(duì)此次項(xiàng)目的具體需求，2017年4月利用固定翼無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)快速獲取該流域區(qū)段內(nèi)15km河流及河流兩岸各1km范圍內(nèi)無(wú)人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)，影像分辨率為7cm，成果照片數(shù)量4619張。根據(jù)河流主管部門需求，該獲取時(shí)間段為農(nóng)田種植密集區(qū)。通過(guò)處理獲取的無(wú)人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)制作了分辨率為7cm的1：1000高分辨率正射影像圖（ DigitalOrthophoto Map，DOM）。根據(jù)該區(qū)段流域主管部門的需求，對(duì)獲取的正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行專題分析。獲取流域內(nèi)引流渠、固定泵房、大河引水口、臨時(shí)水泵、農(nóng)田以及通往用水設(shè)施的道路等信息進(jìn)行專題提取。建立專題分析數(shù)據(jù)庫(kù)，生成監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)ｎ}信息圖（圖5）。此次共提取得到用水設(shè)施93個(gè)，其中臨時(shí)水泵5處、固定泵房14處、固定水泵53處、大河引水口9處、水管12處、提取兩岸農(nóng)田信息總塊數(shù)627塊、農(nóng)田總面積45881.98畝并繪制該區(qū)域內(nèi)交通路線圖。

成果應(yīng)用及完善

將無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取的流域水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換加載到手機(jī)導(dǎo)航軟件戶外助手當(dāng)中，流域管理部門執(zhí)法人員根據(jù)水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中標(biāo)注的信息進(jìn)行逐一排查并將所標(biāo)注信息的權(quán)屬信息添加到水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行完善。構(gòu)建最終的水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，為水資源管理合理調(diào)配，用水情況實(shí)施掌握提供有力的數(shù)據(jù)支持。

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)核查的過(guò)程中，核查人員根據(jù)標(biāo)注信息進(jìn)行核查，核查準(zhǔn)確性和完整性得到了質(zhì)的提高。通過(guò)實(shí)際核查，現(xiàn)場(chǎng)核查人員以前通過(guò)人眼核查，無(wú)法發(fā)現(xiàn)的隱蔽偷水排水口被準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)、依法取證。同時(shí)借助于無(wú)人機(jī)遙感成果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的定位精度，取代了以往的手持GPS較低的定位精度，使得用水設(shè)施點(diǎn)位精度的準(zhǔn)確性得到了較大的提升。以往測(cè)量成果的位置不準(zhǔn)、面積不準(zhǔn)的問題得到了根本性的解決。

通過(guò)流域主管部門的實(shí)際檢驗(yàn)，無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在流域水資源監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用得到了充分的肯定，建立了初步的流域用水設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)，流域兩岸農(nóng)田信息數(shù)據(jù)庫(kù)，流域兩岸道路信息數(shù)據(jù)庫(kù)。推動(dòng)該區(qū)域流域水資源管理由電子表格向二維電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)變，提高了流域水資源管理的綜合能力。

總結(jié)及展望

通過(guò)此次任務(wù)充分驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在流域水資源監(jiān)測(cè)中的實(shí)際價(jià)值。通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)建立的水資源監(jiān)測(cè)管理數(shù)據(jù)庫(kù)極大提高了水資源管理的綜合能力。通過(guò)此次項(xiàng)目驗(yàn)證有利于流域管理單位建立整條流域的水資源管理數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)定期巡檢、定期數(shù)據(jù)更新、快速應(yīng)急響應(yīng)等，構(gòu)建完整的可變的水資源管理數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)后期可接入網(wǎng)絡(luò)智能水流監(jiān)測(cè)設(shè)備、智能水泵、智能電表等設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)用水的實(shí)時(shí)掌控。流域水資源管制水平將得到質(zhì)的提升。

（參考文獻(xiàn)：略。如有需要，請(qǐng)聯(lián)系編輯部。）