无人机低空遥感技术在水文监测中的应用

◎ 王松吉 宋君 陈沭 青岛市水文中心

水文监测是对水资源、水环境和水文过程进行实时、准确监测和评估的重要手段。传统的水文监测方法存在着空间分辨率有限、观测范围受限、周期性观测困难等问题，无法满足对水文数据高分辨率、实时性和全面性的需求。然而，随着无人机低空遥感技术的迅速发展，水文监测领域迎来了一种全新的解决方案，凭借着高分辨率、灵活性和实时性等特点，在水文监测中得到了广泛的应用，为水资源管理、洪水预警、水生态保护等提供了全面的数据支持和决策依据。

1.无人机低空遥感技术概述

无人机低空遥感技术是通过搭载各种传感器的无人机平台，从低空对目标区域进行数据采集和监测的技术手段。该技术基于遥感原理，利用无人机获取的影像、激光雷达点云等数据，进行地物信息提取和分析。

无人机平台的选择直接影响到数据采集的效果和操作的灵活性。根据任务需求和飞行特性，选择合适的无人机平台，包括多旋翼无人机、固定翼无人机和垂直起降无人机等。不同的传感器能够获取不同类型的数据，如光学相机、多光谱相机、热红外相机和激光雷达等。根据具体应用需求，选择合适的传感器并将其集成到无人机平台上，以实现多样化的数据采集。无人机低空遥感技术需要通过精确的导航和控制系统来确保飞行的稳定性和精度，导航系统包括全球卫星导航系统（GNSS）、惯性导航系统（INS）和视觉导航系统等，用于定位和导航控制。获取的无人机数据需要进行处理和分析，以提取有用的信息[1]。

2.无人机低空遥感技术在水文监测中的应用优势

2.1 高空间分辨率

无人机低空遥感技术具备高空间分辨率的特点，能够提供高精度、高分辨率的监测数据。传统的遥感技术如卫星遥感由于距离较远，其空间分辨率较低，难以捕捉到细微的水文特征。而无人机低空遥感技术能够靠近监测目标，获取更为精细的数据，如水面温度、水质悬浮物浓度等，使得水文特征得以更准确地捕捉和分析，从而更准确地评估湖泊水质的变化[2]。

2.2 灵活性和定制性

无人机低空遥感技术可以根据不同的水文监测需求进行灵活调整和定制化操作，以往的监测方法可能受限于监测点位的选择和固定的监测周期，无法满足特定的监测要求，而无人机低空遥感技术可以根据需要灵活调整飞行路径、监测时间和监测区域，满足不同的监测需求。比如，在洪水监测中，无人机低空遥感技术可以根据洪水的发展情况，灵活调整飞行路径和监测区域，实时获取洪水的信息，进而提供实时、准确的洪水监测数据，为洪水预警和救援提供重要支持。

2.3 实时监测和快速响应

无人机低空遥感技术具备实时监测和快速响应的能力，可以迅速获取监测数据并进行实时分析和处理。相比传统的监测方法，无人机低空遥感技术能够在较短的时间内完成监测任务，及时反馈监测结果[3]。比如，在水位监测中，无人机低空遥感技术可以实时获取河流水位的数据，并迅速传输至地面站点进行分析，确保监测人员可以及时掌握河流水位的变化情况，做出相应的调控措施，有效预防洪水灾害的发生。

2.4 多源数据融合

无人机低空遥感技术可以与其他数据源进行融合，提供更全面、多维度的监测数据。通过将无人机获取的数据与卫星遥感数据、地面监测数据等进行融合，可以提高监测数据的准确性和可信度。比如，在水资源评估中，无人机低空遥感技术可以获取水体表面温度、植被指数等数据（如表1所示），而卫星遥感数据可以提供更广阔的覆盖范围，将这两种数据进行融合分析，可以更准确地评估水资源的利用状况和生态环境的变化。

表1 水资源评估数据

3.无人机低空遥感技术在水文监测中的应用措施

3.1 地形分析

地形分析是无人机低空遥感技术在水文监测中的重要应用之一，通过对地形的精确测量和分析，可以获取地面高程、地形起伏、水体流动路径等关键信息，为水文监测和水资源管理提供基础数据支持。

第一，无人机搭载激光雷达（LiDAR）传感器能够进行高精度的地面高程测量。激光雷达发射激光束并接收反射信号，通过测量激光束的飞行时间和接收信号的强度，可以计算出地面点的高程信息。通过扫描地面，获取大量点云数据，并经过后续处理和滤波，可以生成高精度的数字地面模型（D ig it a l Elevation Model，DEM）[4]。比如，在某水库的地形分析中，使用搭载激光雷达的无人机进行了高程测量，通过飞行获取的点云数据，经过数据处理和滤波，得到了水库周边地区的高程模型。这些高程数据被应用于水库的容积计算、洪水模拟和水位预测等工作中，为水文监测和水资源管理提供了精确的基础数据。

第二，利用无人机低空遥感技术进行地形起伏分析，可以揭示地表的起伏特征、地形剖面和地形断面等关键信息。通过获取地面影像和点云数据，结合地理信息系统（GIS）分析工具，可以生成地形剖面图、坡度图和等高线图等。比如，在河流流域的地形起伏分析中，通过对无人机影像和点云进行处理，生成了该河流流域的地形剖面图和坡度图，能够反映出地形的变化情况，有助于分析河流的水力特性、水流路径和洪水风险等。

第三，无人机低空遥感技术可以捕捉水体的流动路径和水系网络。通过搭载相机和传感器，获取水体的高分辨率影像和水深数据，结合地形分析和地理信息系统（GIS）分析，可以识别出水体的流动方向、水系分布和水体连接关系，有助于水文模型的建立和水资源管理决策的制定。

3.2 飞行控制

飞行控制对于无人机低空遥感技术在水文监测中的应用而言非常关键，通过合理的飞行控制措施，可以确保无人机的稳定飞行和准确数据采集，为水文监测提供可靠的数据支持。

首先，要合理设计航线规划与路径设计。在水文监测任务中，无人机的航线规划和路径设计至关重要，通过选择合适的飞行航线，可以覆盖目标区域的关键地理特征，并最大限度地获取有效的数据。比如，在湖泊水质监测中，无人机需要在湖面上空进行飞行，以获取充分的水质信息，那么在飞行控制中，需要通过预先设定航点、考虑飞行高度和航速等因素进行航线规划，确保无人机在湖面上空均匀、高效地飞行，以获取全面的水体光谱数据。

其次，要合理监测与调整飞行参数。在飞行过程中，对无人机的飞行参数进行监测和调整非常必要，通过监测飞行高度、姿态角、速度等参数，可以实时掌握无人机的状态，确保飞行的稳定性和安全性。比如，在河流水位监测中，无人机需要在低空飞行并对河道进行拍摄。在飞行控制中，需要通过搭载高度测量传感器和惯性导航系统（INS），实时监测无人机的飞行高度，并通过飞控系统对高度进行调整，确保无人机在设定的飞行高度上稳定飞行，从而获取准确的水位数据。

此外，要合理优化飞行路径与使用避障技术。通过合理的飞行路径规划和避障算法，可以确保无人机在遇到障碍物时能够自主避让，并继续完成任务。比如，在山区河流的水文监测中，无人机需要在崎岖的地形中飞行，并获取地形和水体的信息，因此需要使用避障传感器和地形识别技术，对周围环境进行实时感知和分析，以避免与山体、树木等障碍物发生碰撞，并选择合适的飞行路径完成任务。

3.3 影像处理

通过对获取的影像数据进行处理和分析，可以提取出水文特征信息，如水体边界、水面高程等，为水文监测和水资源管理提供定量化的数据支持。

第一，畸变差矫正。由于无人机在飞行过程中的姿态变化，以及相机镜头的畸变等因素，获取的影像数据可能存在畸变，为了准确测量和分析影像中的水文特征，需要对影像进行畸变差矫正。畸变差矫正包括校正相机畸变和地形畸变，校正相机畸变可以通过相机校准和相机模型进行，以消除图像中的透视畸变和径向畸变；地形畸变则是根据无人机的位置和姿态信息，结合地形模型，对影像进行校正，以消除地形变形引起的畸变。

第二，空中三角测量。空中三角测量是基于影像数据进行三维测量和定位的技术，通过从不同视角获取的影像数据，可以利用视差原理进行像对匹配，从而得到地面点的三维坐标。在水文监测中，空中三角测量可以用于水体高程测量和水体形态分析，通过获取多视角的影像数据，进行像对匹配和三角测量，可以计算出水体中的地面点的三维坐标，从而得到水体的高程信息[5]。同时，利用多个视角的影像数据，还可以进行水体的形态分析，如水面的倾斜度、面积变化等。

第三，快拼图生成。快拼图生成是将多幅影像数据拼接成一幅大尺寸、高分辨率的拼接影像的过程，通过快速拼接多个视角的影像，可以获得更大范围的覆盖区域和更高的空间分辨率，提供更全面、细致的水文监测数据。在无人机低空遥感技术中，快拼图生成需要进行影像配准、图像融合和拼接处理。首先，对获取的影像数据进行配准，通过像对匹配和几何变换，将不同视角的影像对齐。然后，进行图像融合，将重叠区域的像素进行加权融合，使得拼接后的影像具有一致的亮度、色彩和纹理。最后，进行拼接处理，将配准和融合后的影像拼接成一幅完整的快拼图。

3.4 地面控制

在进行水文监测任务时，选择合适的起降场是至关重要的，起降场的选址需要考虑到无人机的飞行路线、任务区域的位置和环境条件等因素。比如，在河流水质监测中，起降场通常选择在离河流较近且平坦开阔的地方，如此可以使无人机更加便捷地起降，并减少对任务区域的飞行时间和能量消耗。此外，在对飞行航线的监控和调整是确保无人机飞行路径精确控制的关键，通过实时监控无人机的位置、航向和高度等参数，可以及时调整航线，确保无人机按照预定路径飞行。航线监控可以通过搭载的飞行控制系统实现，该系统可以实时获取无人机的姿态、位置和速度等信息，并与预设的航线进行比对和调整，一旦无人机偏离了设定的航线，系统会自动发出警报并进行修正，使无人机回到预定的飞行轨迹。

4.结束语

综上所述，通过对无人机低空遥感技术的概述和分析其在水文监测中的应用优势，发现这项技术在水文监测领域具有巨大的潜力和优势。在实际应用中，地形分析可以提供地形数据和地形特征，为水文分析提供重要的基础；飞行控制确保无人机飞行路径精确控制和安全起降；影像处理通过畸变差矫正、空中三角测量和快拼图生成等技术，提高影像数据质量和准确性；地面控制包括起降场选址与准备、航线监控与调整以及数据实时传输与处理，保障无人机飞行安全和数据的实时处理。当然，在水文监测应用中还存在一些挑战和问题，如飞行规则和监管政策的制定、数据处理与分析的自动化等方面，需要相关领域的专家和从业者进一步研究和探索，共同促进无人机低空遥感技术在水文监测中的应用与发展。