趙文通

（中國水利水電第一工程局有限公司，吉林長春 130000）

0 引言

目前，我國的水利工程測量主要采用人工實地測量或衛(wèi)星遙感測量的方式，雖然能夠為水利工程的施工、運營、管理提供一定的數(shù)據(jù)參考，但均存在一定的缺陷[1]。其中，人工測量雖然成本較低，但測量的時間較長，效率低下，且普遍存在較大的誤差，而衛(wèi)星遙感測量雖然精度較高，但需要花費大量的人力、物力成本，難以在工程中普及。民用無人機的發(fā)展，為水利工程的測量提供了新的途徑，雖然我國民用無人機的研究起步較晚，但近年來開始進入了高速發(fā)展階段，在各個領(lǐng)域均得到了一定的應(yīng)用[2]。無人機航空攝影測量技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為水利工程測量的重要手段之一，由于不同的水利工程規(guī)模、位置、測量精度等方面存在一定的區(qū)別，因此在無人機航空攝影測量過程中需要進行適當?shù)恼{(diào)整，合理運用各項技術(shù)，從而保證測量的準確性與及時性。

1 無人機航空攝影測量技術(shù)在水利工程測量中的優(yōu)勢

根據(jù)我國水利工程的特點，無人機航空攝影測量技術(shù)的優(yōu)勢主要分為以下幾個方面：第一，測量操作簡單。無人機具有體積小、重量輕的優(yōu)勢，在無人機上搭載的高清攝像頭，能夠在人為操作下對不同的目標區(qū)域進行測量，具有一定的靈活性。同時，無人機在飛行的狀態(tài)下具有垂直升降的功能，無需為無人機安排專用的場地、輔助設(shè)備等，降低了水利工程測量中的成本[3]。工作人員可以對無人機反饋的航測圖像進行評估，若發(fā)現(xiàn)圖像效果不佳，還可以操作無人機進行多個切面、角度的多次航測，直到獲得滿意的圖像或數(shù)據(jù)，保證了測量的有效性。無人機具有小巧輕便的優(yōu)勢，能耗較低，續(xù)航時間長，目前市場中常用的無人機續(xù)航時間至少30min，充分滿足了水利工程航測的需求。第二，適應(yīng)能力強。由于我國地域廣闊，水利工程可能建設(shè)于環(huán)境或地形較為復(fù)雜的地區(qū)，這對傳統(tǒng)的人工實地測量造成了極大的挑戰(zhàn)，衛(wèi)星遙感測量又會消耗過多的成本，此時采用無人機測量的方式，則能有效適應(yīng)不同的環(huán)境，根據(jù)地面站系統(tǒng)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠提前設(shè)計無人機的航測路線，提前躲避高大的建筑物、樹木等，保證水利工程測量任務(wù)的順利完成。第三，測量準確性高、反饋速度快。由于水利工程極為重要，對測量的數(shù)據(jù)與影像資料的準確性有著較高的要求，通過無人機搭載的高清攝像機，能夠獲取到1:2500～1:1000 的高比例圖像，精確度較高，能夠滿足我國大部分水利工程建設(shè)與管理的需求[4]。通過無人機還能夠?qū)崿F(xiàn)短距離的航測，并保證在航測的過程中，將獲取到的數(shù)據(jù)、影像資料實時反饋至地面站，地面站獲取到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，由計算機軟件進行進一步的處理，能夠在短時間內(nèi)導(dǎo)出分析結(jié)果，技術(shù)人員根據(jù)計算機導(dǎo)出的結(jié)果，對水利工程所在地區(qū)的相關(guān)信息進行深入的分析。

2 無人機航空攝影測量技術(shù)在水利工程測量中的具體應(yīng)用

2.1 設(shè)計像控點

在傳統(tǒng)的水利工程測量中，一般采用相片像控的方式獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。而通過無人機航空攝影測量技術(shù)，則能夠有針對性地進行測量工作，對像控點進行準確的布置，維持像控點之前的緊密性與關(guān)聯(lián)性，避免發(fā)生重復(fù)測量等問題，節(jié)約水利工程測量的成本。在使用無人機航空攝影測量技術(shù)時，可以在測量前規(guī)劃好測量路線，根據(jù)無人機型號的具體參數(shù)進行設(shè)計，包括飛行高度、彎曲度、測量角度等，保證像控點布設(shè)的準確性，提高測量的精確度。

在布置無人機航空攝影測量的像控點時，應(yīng)重點關(guān)注以下幾方面：第一，應(yīng)盡量選擇水庫區(qū)域無明顯遮擋的位置，若水庫的規(guī)模較大，在設(shè)計無人機航測路線時，應(yīng)選擇“Z 路線”[5]；第二，應(yīng)當合理選擇無人機的固定點，而變換較為頻繁的區(qū)域，不能作為像控點；第三，無人機航測時應(yīng)當合理設(shè)計像控點的密度。若工程所在區(qū)域的地形較為復(fù)雜，設(shè)計像控點時應(yīng)在原有基礎(chǔ)上增加20%。同時，還需要根據(jù)無人機攝像機的分辨率對像控點密度進行適當?shù)恼{(diào)整，當分辨率為1.5cm 時，像控點之間的距離應(yīng)控制在100m，當分辨率為2cm 時，像控點之間的距離可以增加至200m，從而保證無人機航測能夠發(fā)揮出最大的作用，提高航測的準確性。

2.2 全方位測量

在無人機航空攝影測量技術(shù)中，無人機的飛行區(qū)域較廣，能夠有效擴大工程的測量范圍。近年來，我國水利工程的數(shù)量明顯增加，而由于區(qū)域、需求的不同，工程規(guī)模差異較大，測量工作量存在一定的區(qū)別。而無人機航測技術(shù)能夠滿足不同工程的測量需求，不僅能夠獲得全面、精確的地形數(shù)據(jù)，還能夠獲得水庫的效果圖、地質(zhì)特征等，為工程施工設(shè)計提供指導(dǎo)。例如,在某項水利工程中，通過對水庫作業(yè)數(shù)據(jù)的收集，得出如圖1 所示的圖像，從而制定具備可行性的水利設(shè)計規(guī)劃[6]。和傳統(tǒng)的使用全站儀等測量方式相比，無人機航測的范圍更廣，具有明顯的優(yōu)勢。另外，無人機的優(yōu)勢還體現(xiàn)在全方位測量方面，通過在無人機上搭設(shè)專用的攝像機，能夠?qū)崿F(xiàn)高達30 倍的變焦與夜間拍攝功能，不同的連接口均可切換連接，通過高性能攝像機的輔助，進一步擴大了水利工程的測量范圍，提高了精確性，有效避免了細節(jié)模糊、測量不當?shù)纫蛩芈裣碌陌踩[患。工作人員還可以對無人機的航測高度進行實時調(diào)整，保證水利工程測量的靈活性、實踐性。

圖1 水庫作業(yè)數(shù)據(jù)收集

2.3 根據(jù)數(shù)據(jù)繪制三維圖像

在通過水利工程測量得到一定的數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進行整理分析，從而明確工程施工的具體步驟，常用的數(shù)據(jù)包括高程數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、水下測量數(shù)據(jù)等。其中地形數(shù)據(jù)是工程施工的關(guān)鍵信息，應(yīng)當重點關(guān)注水岸區(qū)域的水文條件、地形特征等，明確水庫壩位、橫斷面等參數(shù)，保證工程完成后水利設(shè)施能夠順利投入運行。在無人機航測技術(shù)的輔助下，不僅能夠采集到精確性較高的相關(guān)數(shù)據(jù)，還能夠?qū)Σ杉蟮臄?shù)據(jù)進行分類保存，避免發(fā)生重復(fù)測量、數(shù)據(jù)交叉等問題，使數(shù)據(jù)分析人員能夠明確不同數(shù)據(jù)的類型與特點，對工程施工的可行性做出精確的判斷?？偟膩砜?，無人機航測的實施，有效避免了數(shù)據(jù)冗亂導(dǎo)致的人為失誤，提高了工程的安全性。另外，無人機在繪制三維圖像方面也有一定的應(yīng)用價值，攝像機、無人機等信息載體，能夠保證無人機繪制的三維圖像的準確性，切實反映水庫的建設(shè)情況。同時，無人機生成圖像后，還會生成與之對應(yīng)的測繪擴展名，避免了因數(shù)據(jù)包錯誤導(dǎo)致的圖像誤差。

2.4 針對性調(diào)繪

針對性調(diào)繪指的是根據(jù)全站儀測量的結(jié)果，對水利工程以及周圍區(qū)域的信息進行匯總分析，判斷水利工程完成后是否存在一定的安全隱患，或者是否有影響周邊建筑正常功能的可能。通過無人機航測的方式，獲取到準確度較高的測繪數(shù)據(jù)，這對后期的調(diào)繪工作具有重要的指導(dǎo)作用。另外，我國部分水利工程的測量數(shù)據(jù)屬于機密信息，無人機在對高程、地形等信息進行測量時，能夠進行相應(yīng)的加密操作，保證了信息的安全性，有效預(yù)防了信息外泄的發(fā)生，保障了水利工程施工的安全。

3 無人機航空攝影測量技術(shù)在水利工程測量中的注意事項

無人機航測過程中可能出現(xiàn)傳感器誤差，因此為了保證航測數(shù)據(jù)與影像資料的實時傳輸，可以在無人機上設(shè)計無線傳輸模塊。但由于無人機的體積較小、載重有限，為了保障無人機的續(xù)航時間，一般僅會安裝簡易的傳感器模塊，與常規(guī)設(shè)備相比，傳輸功能明顯下降，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差或影像資料畸變等。此時可以采取兩種措施進行改善，一種是選擇新型的通訊裝置，雖然會花費一定的成本，但能夠保證通訊裝置符合無人機小體積的特點，還能進一步提高傳輸?shù)木_性。另一種則是在無人機中添加內(nèi)置存儲模塊，將收集到的所有數(shù)據(jù)儲存在設(shè)備中，當航測任務(wù)結(jié)束后，再將數(shù)據(jù)從儲存設(shè)備轉(zhuǎn)移至計算機，這種方式無需傳感器對數(shù)據(jù)進行壓縮處理，同時也保證了測量數(shù)據(jù)、影像資料的準確性。

無人機在航測過程中可能受到多種因素的干擾，例如，風力作用可能導(dǎo)致無人機出現(xiàn)明顯的晃動，致使飛行路線偏離或拍攝角度不佳，難以獲取到最好的影像資料，甚至出現(xiàn)分辨率不達標的情況。此時也可以采用多種方式：一種方式是選擇晴朗、無風的天氣進行航測，減少外界因素可能造成的影響；另一種方式則是選擇智能導(dǎo)航與人工操作相結(jié)合的模式，在人為輔助下進行無人機飛行測繪，保證測繪數(shù)據(jù)與影像資料的準確性。此外，還可以在無人機上安裝POS 以及GPS 定位，輔助無人機進行測量，從而提高測繪數(shù)據(jù)的精確性。

4 無人機航空攝影測量技術(shù)在水利工程中的發(fā)展前景

隨著我國無人機技術(shù)的成熟，該技術(shù)在航空攝影測量方面必然會得到更加廣闊的應(yīng)用，在水利工程測量、地籍測繪、災(zāi)后救援等方面均有較高的應(yīng)用價值，但同時也對無人機航測的精度、信息反饋時效性等提出了一定的要求。未來無人機航空攝影測量技術(shù)的發(fā)展方向主要有兩方面[7]：一方面是加強無人機的智能化程度，目前我國無人機在水利工程測量中仍存在大量的無效數(shù)據(jù)，影像資料也普遍存在重疊、模糊等情況，通過無人機智能化程度的提高，應(yīng)能實現(xiàn)曝光補償、自動調(diào)整拍攝角度等目標，從而提高影像資料的準確性；另一方面是無人機以及相關(guān)設(shè)備的微型化，能夠進一步提高無人機的續(xù)航時間，使無人機在有限的時間內(nèi)完成更多的測繪任務(wù)，滿足大型水利工程測繪任務(wù)的需求。

此外，隨著我國大型水利工程需求的擴大與變化，對空間規(guī)劃技術(shù)提出了較高的要求，同時遠程控制與通信技術(shù)也是水利工程測量研究的重點內(nèi)容。隨著無人機航測技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，在大型水利工程的施工、竣工過程中，無人機能夠?qū)臻g形態(tài)進行實時、準確、完整的記錄，無人機攝影測量與地面激光掃描技術(shù)有著較高的發(fā)展?jié)摿8]。但從我國的研究趨勢來看，大型水利工程動態(tài)、靜態(tài)變形自動監(jiān)測技術(shù)還有待進一步的發(fā)展，需要在技術(shù)手段、操作規(guī)程、監(jiān)測技術(shù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面進行一定的創(chuàng)新，從而更好地進行水利工程測量數(shù)據(jù)智能分析與數(shù)據(jù)表達，通過對形態(tài)與變形的監(jiān)測，進一步提高水利工程的質(zhì)量，保證工程施工與運營的安全性。

5 結(jié)語

我國水利工程項目所處的環(huán)境大多較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的人為實地測量與衛(wèi)星遙感技術(shù)均存在明顯的缺陷，難以在工程中推廣實施，而無人機航測技術(shù)則符合水利工程測量在全面性、準確性、清晰性方面的需求，對工程的規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)、運營管理具有重要的意義。因此，應(yīng)當重視對無人機航測技術(shù)的研究與探索，推動無人機在水利工程測量中的應(yīng)用，從而促進我國工程測量技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。