王 增 竹

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

无人机航拍技术是最近发展迅速的一种新技术，它是利用轻型无人机搭载专业相机，获取目标区域的高清影像的技术。相比传统影像获取方法，无人机航拍技术具有效率高、成本低、作业范围广、拍摄角度独特、机动灵活等优点，已经被广泛地应用到影视广告制作、信息监测和其他需要高清影像的专业中[1-2]。

水电是清洁能源，具有可再生、无污染、运行费用低等优点，是我国大力发展的一种能源形式。水电站多分布在西部高山峡谷等水能资源蕴藏丰富的地区，自然条件相对恶劣，传统摄影方法难以及时有效地获取数据。采用无人机航拍技术，可以在复杂的环境中快速获取高清影像数据，提高效率。通过对影像进行矫正和后续处理，可以得到高精度的正射影像(DOM)和三维模型，广泛地应用于电站规划、建设和运维等各个阶段[3-4]。

1 无人机航拍技术简介

无人机(Unmanned Aerial Vehicle)是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。它最早出现于20世纪20年代，当时是作为训练用的靶机使用的，军事上使用较多。随着计算机技术、数字通讯技术和数码相机技术的不断进步和发展，目前，无人机上加载GPS 、数码相机等设备后，应用在航空摄影测量、地球物理勘探、灾情监测、土地利用调查等民用领域，并发挥着重要的作用[5]。

无人机航拍技术，以获取高分辨率数字影像为应用目标，以自动驾驶飞机为飞行平台，以高分辨率数码像机位传感器，最终获取小面积、真彩色、大比例尺、现势性强的航测遥感数据。无人机航拍系统，具有“三高一低”的重要特性，即高机动性、高分辨率、高度集成、低成本。

无人机航拍系统的组成主要包括：飞行器、控制站和通讯链路等，如图1所示。其中飞行器中的飞控系统(飞行管理和控制系统)是无人机航拍系统的核心，对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对飞行性能起着决定性的作用。数据链系统可以保证对遥控指令的准确传输，以及无人机接收、发送信息的实时性和可靠性，以保证信息反馈及时有效，顺利、准确地完成任务[3]。

图1 无人机航拍系统的组成

无人机按照尺度大小可以分为轻型(7 kg以下)、小型(7～116 kg)和大型(116～5 700 kg)三类。按照任务高度可分为超低空(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。按照无人机产生升力的原理可以分为气球、飞艇、固定翼无人机、旋翼无人机和扑翼机等类型。现在无人机航拍技术多采用轻型固定翼或旋翼无人机，在中低空范围内作业。固定翼和旋翼无人机的比较见表1。

表1 固定翼和旋翼无人机对比[3]

无人机航拍技术在水电行业的应用，主要包括高清影像和三维模型两个方面的应用，下面将分别阐述。

2 无人机航拍高清影像的应用

2.1 全景影像

全景影像技术(Panoramic Photography Technology)，是指拍摄能够呈现360°完整场景范围照片的技术，通过视角的变换，可以让人身临其境，其实现方法主要是使用相机环360°拍摄的一组或多组照片，进而拼接成一个全景图像。全景影像技术具有真实性强，播放设备硬件要求低，导览性、交互强等优点，越来越受到人们的关注。它可以应用于各种商品的广告与推销、远程教学、旅游业、新闻机构、娱乐业、多媒体演示、建筑业、古建筑艺术等。

通过无人机航拍系统拍摄的水电站的多组照片，合成水电站的全景图像，可以直观地看到水电站工程的全貌，并且能够根据不同的需要输出特定角度的照片，不需要无人机复飞，大大扩展了无人机航拍技术的应用范围。最终生成的全景成果通过第三方平台(如腾讯全景、720云等)展示，平台中提供自定义热点功能，能够实现多个场景的快速切换和访问。全景成果也可以生成本地FLASH和HTML文件，作为汇报展示的素材。另外，通过与VR技术相结合，可以制作沉浸式全景漫游、虚拟街景等产品，借助于VR头盔等硬件实现更好地展示效果。

图2 全景影像制作流程和应用场景

图3 以720云为平台的全景影像展示系统

2.2 无人机航拍监测

无人机航拍监测主要是利用无人机的影像实时传输、高分辨率、机动灵活等优点，对目标区域特别是人无法到达的高危区域进行监测，它能够及时获取目标区域的影像信息，并根据需要录制相应视频。无人机航拍监测在水电行业的应用主要包括地质灾害监测、江湖河道监测、输电线路巡检和环保水保监测等[3-5]。

水电站周边环境复杂，易发生地震、滑坡和泥石流等地质灾害。由于交通不便，人工拍摄地质灾害点难度较大且视角有限。采用无人机航拍监测，机动快速、成本低，可以多角度拍摄，大大减轻人工拍摄的压力，为消除隐患和灾后救援提供第一手可靠资料。2018年10月11日3时，金沙江川藏交界江达县波罗乡白格村发生山体滑坡，导致金沙江断流并形成堰塞湖。在抢险过程中，无人机航拍及时传回滑坡现场图片，为应急救援及灾害防护提供了可靠依据。

无人机搭载的遥感数据采集、接收和处理等软硬件，可以对湖泊水库、河流河道的有关信息进行快速获取，为水利部门及环保部门提供方便、快捷、多角度的监控信息。聂喆[1]等开展了无人机对黄河河道冰凌航拍工作，具有稳定性好、起降灵活、安全性高、实效性强等优势，同时利用无人机遥感影像进行凌汛险情调查与堤防病害识别，具有人力成本低、时间快、复查周期短，可以迅速发现或更新凌汛险情及堤防病害的发生、发展和变化情况等优点。

超/特高压输电线路输送距离长、塔架高并穿越大量深山大河，自然条件复杂多变。传统的输电线路巡检采用人工(裸眼目视或携带设备)地面观察或登杆(塔)排查等传统手段，不仅受自然条件制约，而且劳动强度大，人身安全存在隐患，巡检效率低。随着无人机技术的日趋完善，以无人飞行器为巡检载体、地面监控设备为支撑的输电线路巡检系统，因具有广覆盖、高效率、高可靠、低风险和低成本的优势，正在受到愈来愈广泛的关注。杨成顺等[6]研究了基于多旋翼无人机的输电线路智能巡检系统，该系统已在输电线路巡检中初步应用，结果表明其能够高效、自主、准确识别并诊断特高压输电线路的典型缺陷与故障。

水土保持监测是借助多种手段，采取综合性的方式，从水土资源的保护、维护资源的可持续利用以及维持良好生态环境出发，对造成水土流失的成因，水土流失的数量、影响范围、强度、造成的危害以及防治的成效等指标进行动态监测和评估。随着无人机航拍技术不断成熟和完善，它在水土保持监测方面应用的越来越广泛。梁志鑫等[7]提出运用无人机技术结合现有监测技术开展生产建设项目水土保持监测新方法，以提高生产建设项目水土保持监测的效率、精度及自动化程度。其主要工作流程为：先获取高清影像，然后利用遥感影像处理软件对影像进行拼接、纠正、调色等处理；通过野外调查，建立解译标志；依据解译标志针对影像提取植被覆盖度及土地利用信息；利用GIS坡度分析功能从DEM数据空间分析获取坡度信息。

3 无人机倾斜摄影技术应用

3.1 倾斜摄影技术

倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在无人机飞行平台上搭载多台传感器(如图4所示，目前常用的是五镜头相机)，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。垂直地面角度拍摄获取的影像称为正片(一组影像)，镜头朝向与地面成一定夹角拍摄获取的影像称为斜片(四组影像)[8]。

图4 倾斜摄影相机和影像获取示意

倾斜摄影获取的影像经过纠偏和后续加工处理，通过专用测绘软件可以生产倾斜摄影模型。相对于正射影像，倾斜影像模型能让用户从多个角度观察地物，更加真实地反映地物的实际情况，极大地弥补了基于正摄影像应用的不足。倾斜摄影技术生成的三维模型和局部细节见图5。通过配套软件的应用，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。此外，相较于三维GIS技术应用庞大的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多，其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用[9]。

倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果，直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证。同时有效提升模型的生产效率，采用人工建模方式一两年才能完成的一个中小城市建模工作，通过倾斜摄影建模方式只需要3～5个月时间即可完成，大大降低了三维模型数据采集的经济代价和时间代价。

图5 倾斜摄影技术生成的三维模型和局部细节

3.2 倾斜摄影技术在水电行业的应用

倾斜摄影技术在水电行业的应用主要包括两个方面：一是在高精度的三维模型上实现长度、角度和体积等物理量的测量，得到相关的工程量；二是基于实景模型，为水电站的运维和管理提供真实可靠的平台。

通过专业的GIS软件(如超图的SuperMap)，可以基于倾斜摄影三维模型进行多个物理量的测量。如石料场的开挖，通过对模型的前后对比，快速得到开挖量等信息，为工程建设提供依据。此外，还可以通过格式转换(见图6)，将三维模型导入到专业三维软件(如CATIA)中，基于模型得到更多的数据。王庆栋等[10]研究了利用倾斜摄影和3ds Max技术之间的对接，将两种软件的优势结合，提供一种实用、快捷高效、半自动的建模方案。

图6 倾斜摄影三维模型与专业软件对接

倾斜摄影技术生成的三维模型，具有丰富的可视细节，与现在的地形贴图模型相比，真实度更高，可以为水电站的规划设计和运维管理提供逼真的平台。实现对从规划到建设和运维的全过程“一张图”管理，为智慧电站信息服务建设注入全新的活力[11]。另外，由于倾斜摄影三维模型真实度高，可以在突发自然灾害(如地震、泥石流、滑坡)时，提供第一时间的现场影像，从而为救灾提供指导。

依托无人机航拍技术的不断进步，倾斜摄影技术在近两年发展迅速，但它也存在着数据量大、软硬件投入高、单体化较困难和细节需修补等问题，例如，进行空三处理的软件价格较高，硬件上需要购置计算能力强的服务器等，这些都在一定程度上限制了其在水电行业的应用。相信随着技术的不断革新，倾斜摄影技术会为水电行业的发展贡献更大的力量。

4 结 语

无人机航拍技术具有机动灵活、成本较低、图像清晰等优点，基于无人机航拍技术获得的高清影像和三维模型，在水电行业中有着越来越广泛的应用。但它的缺点也不容忽视，如飞行受天气因素影响较大，大风雨雪天气无法工作，在高海拔地区续航衰减严重，影像存在畸变需要后期修正等。如何充分发挥无人机航拍的优点，扩展在行业中的应用，是今后水电信息化工作思索和努力的方向。