摘要：
当前无人机已经发展成一门综合性现代化信息技术，通过使用无人机对水利工程进行航拍及三维建模，探讨无人机作为新兴的技术手段在水利工作中的应用。
关键词：
无人机；三维模型；水文监测
1无人机简介
无人机是在内置程序操控下自主完成预设飞行任务的不载人飞行器，雏形最早出现在第二次世界大战以前，最开始研发目的是用来做军事训练靶机。20世纪90年代后，信号处理和通信技术的提高促进了无人机的发展，自动驾驶仪的出现让无人机有了质的飞跃。到目前为止，无人机航拍已经发展成为一门综合性的技术，以无人机作为平台搭载遥感设备如高分辨率航空相机、微型单反、红外传感器、激光传感器、测磁仪等获取信息，用计算机对影像信息进行处理，并按照一定精度要求制作成二维或者三维效果图像，是集成了航空摄影、遥控遥测、视频影像传输和三维电子影像处理的新型应用技术。
2无人机优点
近年来，无人机技术在国内发展很快。无人机低空飞行采集高分辨率影像这种工作方式，弥补了卫星和大飞机航拍因云层遮挡遗漏目标区域影像的缺点，解决了卫星和大飞机遥感航拍耗时过长、机动性不足等问题。传统航空遥感技术由于受限于航空平台、传感器和目标空域等多重因素，在获取较小面积遥感影像成果方面存在经济和时间成本都非常高的问题。小型无人机具有结构简单、无人驾驶、低成本等优点，能够在低空较小范围内快速采集高清晰遥感成果，可以作为传统大范围航空遥感结构下的的细节补充，在未来航空遥感体系中是不可或缺的组成部分。综合起来，无人机技术有下列优点：无人机可超低空工作，在云下飞行，不受云层影响；低空贴近飞行目标区域，可以采集很高分辨率的遥感影像；不受飞行区域地形限制，准备工作简单，对起降场地要求很小，起降方式灵活；遥感成果多样，可以多角度多航次全面获取地形地貌数据，成果不局限卫星和大飞机的正射影像等常规产品，还可以支持构建数字地表模型、三维景观模型等；生产成本低，维护费用低，保养简单，操作员培养简单；可以进入交通不便或者危险区域探测及监测，排除了人员危险，可划定某固定区域作重点航测，旋翼无人机可针对具体地物作悬停航测；效率高，耗时短，应急能力高。
3独流减河防潮闸三维建模
为了测试无人机航拍效果，我们选择独流减河防潮闸为实验对象，使用MotoarSkyMS670四旋翼无人机航拍，通过无人机配套软件生成闸所三维模型。MotoarSkyMS670无人机操控简单、灵活机动、无需跑道，可以快速到达指定目标区域，具有80min长航时、180个自动航点、一键或者低电压返航、手机平板操控、实时视频回传、可根据飞行高度预计像素分辨率及航拍照片影像重叠率、自动计算航线、支持全自动驾驶模式、能够记录每次飞行日志、专业航线规划模块、支持地面站相机拍照控制、能够智能配置对某一区域进行全覆盖影像飞行、可一键生成数字高程模型、数字地表模型、正射影像等特点。（1）地面站通过无线电台方式与无人机相连，利用无人机内置定位模块返回的数据自动确定无人机所在位置坐标，确定无人机起飞起始位置及返航降落地点，同时地面站软件可以实时显示无人机所在区域地图，方便对测量区域进行飞行规划。对待测目的区域进行规划，如果任务范围较大，可以根据工作需要将大范围待测区域分割成小区域，对各个小区域分别做航线规划，这种方式可减少单位时间工作量也方便检核已航拍结果完整性。（2）在地面站地图中选择待航拍区域并框选这一范围，可以根据目标区域自主选择矩形或者多边形，框选完毕后自动计算该框选区域所要测量的面积、飞行时间、飞行距离、路径、航线数等信息。（3）地面站根据实际工作所用的相机型号、镜头焦段、飞行高度信息自动计算航拍照片重叠率等信息。飞行控制人员如果认为软件自动计算的飞行参数不够完善，也可以人工进行调整，设定完毕后地面站系统将航线信息等飞行参数上传到无人机主控，然后将无人机解锁调整至待起飞状态，将飞行模式切换至自动飞行，无人机按照地面站既定的参数执行自动航拍任务，此时即使地面站电脑等硬件关机损坏也不会影响无人机执行任务，任务执行完毕无人机自动返航至起飞地点，如果执行任务途中遇到突发情况可一键返航，低电压时也会自动返航。（4）无人机根据地面站软件预先设置好的飞行参数进行自动航拍，根据照片重叠率连续采集照片，自动飞行任务完成后将照片导入系统配套后期处理软件，后期软件可通过地面站系统设置的照片重叠率一键进行照片自动拼接合成工作。（5）将所拍照片全部导入后处理软件，软件自动计算照片重叠点并根据照片所存储的相机信息算出相片拍摄位置及角度，然后软件按照算法自动计算生成当前飞行任务所航拍区域的三维数字点云。航拍图软件处理。（6）根据三维点云生成三角网格模型，再将模型贴图生成彩色，由于三维点云中每一点都带有坐标，软件将坐标值等数值赋予模型，使得三维模型可用于距离测量、面积测量、体积测量等，也可输出DEM等成果。
4无人机在应急监测中的应用
在应急监测中，传统人工方式存在效率低、成本高、人员危险大等问题。这些问题完全可利用长航时无人机参与航测，可以节省成本、降低人员危险、提高工作效率。在洪灾险情等紧急情况中，传统工作方式中多用人工乘车船到现场或者使用大型直升机悬空方式监控洪涝区域，定损查勘工作也基本采用人工方式获取数据，这些方式相比较来说成本高、人员危险系数大、应急响应不及时，如果用无人机参与航测，可解决交通中断及人员危险等问题，可以低成本快速巡查洪涝区域险情，实时传输现场状况，第一时间了解受灾损失情况，提高应急处理能力和工作效率，为应急救灾等工作提供重要信息支持。在“5•12”汶川地震和“8•3”鲁甸地震中无人机在抗震救灾中发挥了独特的作用。
5无人机在水文工作中的潜力
除了实现水利工程建模功能外，无人机视频实时回传技术可将交通不便或者危险地带的实时情况回传给地面站，在应急监测中，可以利用同一区域多期地形三维数据对比功能做滑坡体量计算、堰塞湖坝体及容量计算、灾后损失评估等工作。当前我国水文基础设施建设已经取得巨大成就，但中小河流水文监测建设还不够完善，可以充分利用无人机等现代信息化工具提高水文工作效率。在水利工程安全监测、水环境监测等工作中，无人机也可发挥巨大作用。当前重要水利工程安全监测工作多用人工携带照相或测量设备定期巡检，水库及坝区等区域巡查基本靠人工巡查，时间长、效率低，而通过无人机技术可以在短时间内完成库区和工程的巡查，提高工作效率、缩短巡查周期、加大管理力度，拓展水利工程监控范围；在水环境监测工作中，遇到大面积水污染问题时同样可以利用无人机定时定点实时巡查监控，可以快速获取监测目标现状影像，同时采用软件计算无人机采集影像中水污染的面积便可快速完成水污染区域确定和区域变化的监测。
6结语
无人机这种现代化信息技术平台具备的效率高、耗时短、起降方式机动灵便、响应迅速及多种数据采集能力等特点，是传统遥感技术的补充并且优势明显。无人机在水文监测领域应用前景广阔，在水资源信息巡查、洪涝干旱灾害监测、水利工程安全监测、堰塞湖应急监测、冰凌监测等方面潜力巨大。
作者：齐天龙 任彤 单位：海河水利委员会水文局
