无人机在水利行业的运用研究论文

浅谈GIS技术在水利工程中的应用展望论文

摘要： 近年来， GIS （地理信息系统） 技术在水利工程应用领域中发挥着技术先导的作用。文章通过分析目前GIS技术在水利规划、水资源管理等水利工程行业的具体应用形式， 结合地理信息学科的发展方向， 展望GIS在水利工程中的应用前景。

关键词： GIS； 水利工程；

1 GIS技术概述

20世纪60年代， 世界上第一个GIS （加拿大地理信息系统CGIS） 诞生， 其核心是用计算机来处理和分析具有空间属性地理信息。GIS技术能够有效地管理地理信息资源， 是其能够有效利用的核心技术。20世纪以来， 计算机和网络技术日的新月异极大地推进了GIS在我国的发展进程， 由于应用后能够明显地提高工作效率和经济效益， 因此， GIS技术已成为资源与环境各领域应用中不可或缺的前沿技术。

近20年， 我国经济水平持续增长， 人民生活质量稳步提高， 同时， 水资源需求与水资源利用率相对不足的矛盾逐渐加剧， 这促使水利工作者不断探索如何利用现代信息技术手段缓解这一矛盾。为有效地利用水资源， 在当前条件下最大限度地发挥水利工程的调节作用， 减少建设、管理人员的投入量， GIS技术作为信息化的体现之一， 在水利工程各环节中的应用范围不断扩大， 应用层次也逐渐深入。通过近年来的发展， GIS的应用形式已从最初单纯的可视化应用过渡为集合分析、模拟、预测等多位一体的复杂应用， 功能也提升为对多时期的地理信息变化进行动态监测和分析比较， 将数据收集、空间分析和决策过程统一打包的应用。实践表明， 通过使用GIS系统， 有利于设计人员对工程进行总体规划， 方便施工人员对实施过程进度和质量把控， 有效提高管理人员的工作效率， 从而提升水利行业整体信息化水平。

2 GIS技术在水利工程中的应用

水利工程为消除水害和开发利用水资源而修建， 重要性不言而喻， 而其本身具有一定的地理空间属性， 对工程的地理环境依赖较高。GIS的发展恰好为水利工程的空间属性提供了可行的表现途径和有效的模拟、分析方法。运用GIS技术， 矢量化地理信息数据， 搭建水利工程地理信息平台， 能够直观地展示工程环境， 结合水利资料， 实现环境分析模拟， 有利于管理人员决策[1]。

目前， GIS在水利工程方面的应用主要表现在以下几方面：

（1） 水利工程规划

GIS技术广泛应用于水库选址、复杂工程布局、工程测量[2]、库容量计算、开挖土石方量计算、工程建设监测[3]、工程变形监测等方面， 促使水利工程规划、管理科学发展。

（2） 水资源管理

运用GIS技术能够确定水资源分区， 建立科学有效的管理模式， 分析水资源量， 直观地展示水资源分布和数量的动态变化， 有助于实现水资源的合理利用。

（3） 防洪减灾

GIS应用主要表现在防汛决策支持系统[4]和洪灾损失评估， 它以GIS为基础， 实现了决策方案、防汛信息、损害范围的直观化和形象化表达， 为全国防汛决策提供有力的技术支撑。

（4） 水土保持

利用GIS技术能够进行水土流失预测和动态监测[4]， 查询、统计、分析土地分区和土地利用情况， 有利于重点区域水土流失综合治理措施的制定， 提升治理效果。

（5） 水质监测

建立GIS水质监测应用平台， 能够掌握水质的实时动态变化， 及时辨析污染源头， 有利于地表水、地下水储量分析， 模拟水量调度， 提高水资源利用水平。

（6） 水文预报

通过GIS技术， 整合水文基础数据， 实现基础背景数据管理， 对空间和属性数据的查询， 统计数据以及显示检索， 为水文预报提供基础数据支撑[5]。

3 GIS技术应用展望

随着计算机技术的发展， GIS技术在水利工程应用的内容已从结合地理要素的水利信息查询展示发展到利用GIS空间运算完成水利信息的分析、计算、模拟与统计。近年来， 结合遥感、GPS等前沿技术， 构建3D、4D地理信息系统平台， 实现多维度水工建筑仿真应用已成为水利信息化应用新趋势 （如三维可视化洪水淹没分析与灾情评估系统、4D水利施工管理系统等[6]） 。水利要素具有的空间地理属性促进了GIS在水利应用中的高速发展， 纵观发展历史， 水利GIS应用的发展趋势主要表现为应用内容的发散性扩展及应用技术的融合性集成。

3。1 应用内容扩展

利用GIS技术， 实现工程环境分析模拟的形象化， 并且在一定程度上提高了获取信息的时效性和准确性， 有利于管理和决策。因此， 今后GIS技术将逐渐覆盖水利行业的各个方面， 促使水利信息化进一步发展。

（1） 洪水模拟

利用洪水历史资料， 结合GIS平台， 建立合理的流域模型， 通过可视化模拟， 分析流域洪水成因、洪水特性及其规律；通过地理信息要素分类， 分析各主要河道的自然条件；运用GIS技术， 进行上下游洪水演进模拟分析， 促使建立一定洪水标准下合理的蓄、滞、泄关系及管理措施等。

（2） 供水预案

建立供水、需水、蓄水地理信息管理平台， 通过电子地图可视化展示水源地分布， 有助于研究可能的供水方案与主要工程措施及用水管理与供水水质保证措施。

（3） 水质分析

实现水质采集自动化， 分析地质、水质信息的地理属性， 应用GIS技术研究土壤侵蚀分区；分析各类可能污染源；利用历史资料， 模拟预测不同规划水平年的污染负荷量和水质变化， 以此为基础研究保护水资源应采取的措施。

（4） 工程测量

应用无人机搭载遥感、GPS设备， 采集、处理工程测量数据， 利用GIS技术实现测量数据可视化， 减少外勘人力成本， 提高工程测量的.精度与效率， 便于数据成果的合理应用。

3。2 应用技术深入

（1） GIS技术发掘

随着GIS技术的发展， 多种空间数据结构 （如“真三维”、“时空四维”） [7]应运而生， 面向对象的数据模型和实用的界面语言正处于高速发展阶段， 数据自动输入技术不断完善， 各行各业GIS应用模型开发力度不断加大， GIS的网络共享能力 （webGIS） 不断增强。在这样的大环境中， 水利与GIS的结合必将更加深入， 具体表现为水利数据信息的表达将趋于多维度、丰富性、立体性、共享性， 水利应用模型将趋于结构化、可扩展性， 形成整个水利行业的GIS综合管理平台， 逐渐打开GIS综合系统与水利专业系统共存共荣的局面。

（2） 相关技术集成

鉴于水利空间数据的时间性和复杂性， 单一的GIS技术很难满足水利要素的处理要求。因此， 在水利工程的应用中， “3S”技术 （全球定位系统GPS、遥感RS、地理信息系统GIS） 、无人机技术的集成已成为必然的发展趋势。GPS为GIS的快速定位和更新提供手段， 遥感技术的多谱段、多时相、多传感器和多分辨率的特点， 为GIS不断注入“燃料”， 反过来又可利用GIS支持从遥感影像数据中自动提取语义和非语义信息， 而无人机则可作为遥感设备提供载体[7]。利用无人机航拍， GPS和RS赋予了GIS实时、动态属性。3S技术整体结合所构成的水利地理信息系统是高度自动化、实时化的GIS系统。这种系统不仅具有自动、实时地采集、处理和更新数据的功能， 而且能够分析和运用数据， 为水利各学科应用提供科学的决策咨询。

多媒体地理信息系统 （MGIS） 将文字、图形 （图像） 、声音、色彩、动画等技术融为一体， 为GIS应用开拓了新的领域和广阔的前景[8]。它能够以最直观的方式表达和感知空间地理信息， 以形象化的、可触摸 （触屏） 的甚至声控对话的人机界面操纵空间地理信息处理的技术。应用MGIS的水利地理信息系统将对结构、功能及应用模式的设计产生极大的影响， 使得各类信息的表现形式更丰富， 更灵活， 更友好。

4 结语

毋庸置疑， 水利GIS应用的基础是地理空间数据和水利专题要素数据， 相关专业 （如测量专业） 的发展将对其产生明显的限制或促进作用。因此， GIS在水利工程中的应用水平应依据各专业的发展稳步提高， 防止闭门造车， 构建海市蜃楼。

复杂技术集成的GIS在水利工程上的应用将会成为今后一段时期内水利信息化的主要趋势。搭建集工程规划、建设、管理为一体的水利工程综合地理信息平台， 能够实时、有效地展示工程运行情况， 模拟防洪工况， 提高管理决策能力， 为水利信息化事业发展添砖加瓦。

参考文献

[1]刘林宁。地理信息系统在水利工程中的应用探讨[J]。农村经济与科技， 2016， 27 （18） ：65。

[2]鞠尊洲。3S技术在水利工程测量中的应用[J]。科技信息 （学术研究） ， 2008 （14） ：239—240。

[3]李蕾。浅谈在水利工程建设管理中信息技术的应用[J]。建设科技， 2016 （17） ：93。

[4]王芳， 卜倩倩。探析计算机地理信息系统在水利中的应用[J]。资源节约与环保， 2015 （03） ：154。

[5]赵晓敏， 李本怀。GIS技术在水文预报中的应用—以长春新立城水库为例[J]。水利技术监督， 2013， 21 （02） ：64—66。

[6]刘丹， 刘萍， 樊耔均。GIS在水利现代化中的应用和发展趋势[J]。硅谷， 2012， 5 （24） ：43+42。

[7]张会玲。GIS技术应用及未来发展趋势[J]。信息系统工程， 2012 （04） ：98—99。

[8]董凤服， 刘洋。GIS技术的发展趋势[J]。网络与信息， 2007 （08） ：65。

无人机在水利工程测量中的应用分析

无人机的应用，均可以实现对工程建设和管理的低空遥感，完成对工程的快速测绘及信息监测。 那么无人机在水利工程测量中的应用是怎样的?

众所周知，水利工程是重要的基础设施工程，对于促进经济发展和社会进步具有重要意义。现阶段，随着科技的发展，水利工程的建设也日趋现代化。尤其是在水利工程测量方面，现代科技的应用，极大地提高了工程测量的效率和质量。尤其是无人机的使用，凭借自身的机动灵活性，快速获取数据，贡献巨大。本文主要探讨了无人机在水利工程测量中的应用。

我国有面积广阔的季风气候区，海陆热力性质的巨大差异，形成了我国降水时空分布的不均匀性，旱涝灾害频发。随着我国水利基础设施的完善，水利信息化水平的不断提高，结合了先进的空间技术、通信技术等先进技术的信息化测绘技术在水利工程测量的实践中应用日趋广泛，为水利工程的设计和施工提供了精确、直观的数据分析，提高了工程决策的科学性。近年来，随着无人机的使用，起降方式机动灵活，自主飞行，低空循迹，快速获得数据资料，尤其是无人机中的相关设备，能够对于航空影像和工程数据进行收集，有利于三维模型的构建，为工程的科学决策奠定了基础。

一、无人机在水利工程中的应用

(一)无人机在水利工程中的应用范围

在水利工程行业内，工程建设与管理与工程建设环境评价和安全监测息息相关，而无人机的应用，均可以实现对工程建设和管理的低空遥感，完成对工程的快速测绘及信息监测。由于 工程监测具有数据分辨率高、实施快速的特点，而无人机的监测也具有灵活性强，分辨率高的优点，再配合以先进的空间信息技术和GPS技术，能够为水利工程的建设和科学决策提供科学的数据基础。

(二)无人机在水利工程中的应用分析

1.无人机在水利工程测绘中的具体应用

普通航空摄影也可以用于工程测绘，但是由于缺乏灵活性，对于云下图像的获取难度也很大，卫星遥感时效性不高，分辨率低，为此，在水利工程的测绘实践中，往往需要重复测绘，工作效率不高。随着无人机的使用，在机体上荷载数据遥感设备，借助于遥感数据处理系统，并与3S技术有机结合，能够对目标进行有效的观测和数据处理。通过无人机技术的使用，可以实现对目标的实时数据收集和快速处理。另一方面，通过无人机技术的使用，无人机遥感图像技术能够将不同时段的监测图像进行假彩色合成，从而对工程不同区域内水域的状况进行分析，为科学决策提供有效信息。

2.无人机在水利工动态监测和水域环境监测中的具体应用

我国水资源储量丰富，流域众多，河流面积广，对经济发展产生了重要影响。通过无人机技术的使用，能够实现对水域变化的动态监测，掌握基本的.水域基础数据，为水域的调查和统计奠定基础，并逐步实现水域管理的信息化，为水利管理的现代化铺平道路[1]。

3.无人机在水利工程水土保持中的具体应用

随着经济的发展，在各种因素的共同作用下，我国水土流失的问题日趋严重，甚至成为了最主要的环境问题之一。尤其是水利工程的建设，对流域内水土流失情况进行统计，人工处理方法费时费力，准确性不高。随着无人机技术的应用，根据土壤侵蚀定量来对水土保持进行研究。通过获取的遥感图像，能够对水土流失问题进行分析，并制定合理的改善策略，确保水利工程的可持续发展。

二、无人机在水利工程测量中的有效运用

(一)概述

无人机技术在水利工程测量中的具体应用，主要涉及无人机低空摄影测量系统，测量系统要想正常发挥功能，就必须保证飞行平台、飞行导航与控制系统、数码摄像设备、数据传输、地面监控、发射与回收、地面保障设备等系统均处于正常工作状态[2]。

无人机低空摄影测量系统有着广泛的实践应用，尤其是在土地利用动态监测、地质灾害勘察、矿产资源勘探、海洋资源勘察、环境监测等方面，无人机技术有着重要的应用。值得一提的是，无人机在水利工程测量中也有着广泛的应用。在应用过程中，需要根据地面分辨率、航摄范围、时间、航线布设及影像重叠度等进行设计，确保应用效果[3]。

(二)作业方案

本文以某水利工程的测绘工作为例，对无人机技术在水利工程测量中的应用方案进行了探讨。在本次测绘任务中，无人机低空摄影测量系统在设计测绘任务时，将其划分成7个架次。在测绘过程中，平面控制网布设了四等GPS网，GPS标石点共埋设了24个，并需要对3个国家三角点进行联测。关于高程控制，本次测绘工作所采用的是四、五等集合水准测量测量成果。关于像控点，区域网布设方案是非常适合本次测量工作实践的设计方案，航向相邻两个像控点之间的跨度控制在8-12条基线之间。为了保证测绘工作顺利开展，像控点的位置也至关重要，为此，一般选择在航向及旁向六片或五片的重叠范围内。在实际测量工作中，通过GPS-RTK方式对像控点进行联测，确定其三维坐标。数据采集的条件为固定解状态HRMS和VRMS均不高于0.02m[4]，并以两次测量值的平均值作为最终测量结果。

在本次的航空摄影中，无人机航空摄影分别实施了7个架次，航摄仪型号为Canon 5D Mark II，最终确定的地面分辨率为17cm，地面数据采集采用的是VirtuoZo NT 3.5，并借助CASS9.1软件形成最终的测绘图，输出结果，具体的工作流程如下图1所示。

(三)具体实施的相关内容

无人机在水利工程测量的具体应用过程中，主要对工程进行了低空摄影测量、空中三角测量。关于低空摄影测量，采用Canon 5D Mark II航摄仪对水利工程进行测量，累计航线36条，拍摄照片3383张。拍摄焦距0.035mm，绝对高度1200米，基线距离190m，航线距离 528m，平均分辨率为0.16，航向重叠度为68.58%，旁向重叠度为41.65%。根据相关的统计，误差均符合相关要求，表明无人机航摄的质量均符合各项指标。关于空中三角测量，在VirtuoZo数字化摄影测量工作站下，对空中三角测量进行加密，加密软件为Inpho，为了保证工作效率，本次测量所采用的加密方法为分区加密。加密流程如2所示，空三加密点是由计算机自动匹配的[5]。在Inpho软件中，自带平差结算功能，能够对区域网平差进行计算，提高测量精度[6]。为了保证检测的精确度，需要改正航片畸变，设置信息文件和相机文件，做好像点匹配、航带连接和外业像控点的平差处理等工作，同时还要做好必要的质量检查工作。

结语：

随着我国经济的发展，科技的进步，越来越多的科技成果将被应用于实践。在水利工程作为我国重要的基础设施，是一项利国利民的工程，需要不断引入先进的科技成果，提高自身的建设质量。为此，将无人机应用于水利工程测量的实践中，在提高测量精度的同时，对于促进水利工程的可持续发展具有重要意义。是怎样的?

众所周知，水利工程是重要的基础设施工程，对于促进经济发展和社会进步具有重要意义。现阶段，随着科技的发展，水利工程的建设也日趋现代化。尤其是在水利工程测量方面，现代科技的应用，极大地提高了工程测量的效率和质量。尤其是无人机的使用，凭借自身的机动灵活性，快速获取数据，贡献巨大。本文主要探讨了无人机在水利工程测量中的应用。

我国有面积广阔的季风气候区，海陆热力性质的巨大差异，形成了我国降水时空分布的不均匀性，旱涝灾害频发。随着我国水利基础设施的完善，水利信息化水平的不断提高，结合了先进的空间技术、通信技术等先进技术的信息化测绘技术在水利工程测量的实践中应用日趋广泛，为水利工程的设计和施工提供了精确、直观的数据分析，提高了工程决策的科学性。近年来，随着无人机的使用，起降方式机动灵活，自主飞行，低空循迹，快速获得数据资料，尤其是无人机中的相关设备，能够对于航空影像和工程数据进行收集，有利于三维模型的构建，为工程的科学决策奠定了基础。

一、无人机在水利工程中的应用

(一)无人机在水利工程中的应用范围

在水利工程行业内，工程建设与管理与工程建设环境评价和安全监测息息相关，而无人机的应用，均可以实现对工程建设和管理的低空遥感，完成对工程的快速测绘及信息监测。由于 工程监测具有数据分辨率高、实施快速的特点，而无人机的监测也具有灵活性强，分辨率高的优点，再配合以先进的空间信息技术和GPS技术，能够为水利工程的建设和科学决策提供科学的数据基础。

(二)无人机在水利工程中的应用分析

1.无人机在水利工程测绘中的具体应用

普通航空摄影也可以用于工程测绘，但是由于缺乏灵活性，对于云下图像的获取难度也很大，卫星遥感时效性不高，分辨率低，为此，在水利工程的测绘实践中，往往需要重复测绘，工作效率不高。随着无人机的使用，在机体上荷载数据遥感设备，借助于遥感数据处理系统，并与3S技术有机结合，能够对目标进行有效的观测和数据处理。通过无人机技术的使用，可以实现对目标的实时数据收集和快速处理。另一方面，通过无人机技术的使用，无人机遥感图像技术能够将不同时段的监测图像进行假彩色合成，从而对工程不同区域内水域的状况进行分析，为科学决策提供有效信息。

2.无人机在水利工动态监测和水域环境监测中的具体应用

我国水资源储量丰富，流域众多，河流面积广，对经济发展产生了重要影响。通过无人机技术的使用，能够实现对水域变化的动态监测，掌握基本的水域基础数据，为水域的调查和统计奠定基础，并逐步实现水域管理的信息化，为水利管理的现代化铺平道路[1]。

3.无人机在水利工程水土保持中的具体应用

随着经济的发展，在各种因素的共同作用下，我国水土流失的问题日趋严重，甚至成为了最主要的环境问题之一。尤其是水利工程的建设，对流域内水土流失情况进行统计，人工处理方法费时费力，准确性不高。随着无人机技术的应用，根据土壤侵蚀定量来对水土保持进行研究。通过获取的遥感图像，能够对水土流失问题进行分析，并制定合理的改善策略，确保水利工程的可持续发展。

二、无人机在水利工程测量中的有效运用

(一)概述

无人机技术在水利工程测量中的具体应用，主要涉及无人机低空摄影测量系统，测量系统要想正常发挥功能，就必须保证飞行平台、飞行导航与控制系统、数码摄像设备、数据传输、地面监控、发射与回收、地面保障设备等系统均处于正常工作状态[2]。

无人机低空摄影测量系统有着广泛的实践应用，尤其是在土地利用动态监测、地质灾害勘察、矿产资源勘探、海洋资源勘察、环境监测等方面，无人机技术有着重要的应用。值得一提的是，无人机在水利工程测量中也有着广泛的应用。在应用过程中，需要根据地面分辨率、航摄范围、时间、航线布设及影像重叠度等进行设计，确保应用效果[3]。

(二)作业方案

本文以某水利工程的测绘工作为例，对无人机技术在水利工程测量中的应用方案进行了探讨。在本次测绘任务中，无人机低空摄影测量系统在设计测绘任务时，将其划分成7个架次。在测绘过程中，平面控制网布设了四等GPS网，GPS标石点共埋设了24个，并需要对3个国家三角点进行联测。关于高程控制，本次测绘工作所采用的是四、五等集合水准测量测量成果。关于像控点，区域网布设方案是非常适合本次测量工作实践的设计方案，航向相邻两个像控点之间的跨度控制在8-12条基线之间。为了保证测绘工作顺利开展，像控点的位置也至关重要，为此，一般选择在航向及旁向六片或五片的重叠范围内。在实际测量工作中，通过GPS-RTK方式对像控点进行联测，确定其三维坐标。数据采集的条件为固定解状态HRMS和VRMS均不高于0.02m[4]，并以两次测量值的平均值作为最终测量结果。

在本次的航空摄影中，无人机航空摄影分别实施了7个架次，航摄仪型号为Canon 5D Mark II，最终确定的地面分辨率为17cm，地面数据采集采用的是VirtuoZo NT 3.5，并借助CASS9.1软件形成最终的测绘图，输出结果，具体的工作流程如下图1所示。

(三)具体实施的相关内容

无人机在水利工程测量的具体应用过程中，主要对工程进行了低空摄影测量、空中三角测量。关于低空摄影测量，采用Canon 5D Mark II航摄仪对水利工程进行测量，累计航线36条，拍摄照片3383张。拍摄焦距0.035mm，绝对高度1200米，基线距离190m，航线距离 528m，平均分辨率为0.16，航向重叠度为68.58%，旁向重叠度为41.65%。根据相关的统计，误差均符合相关要求，表明无人机航摄的质量均符合各项指标。关于空中三角测量，在VirtuoZo数字化摄影测量工作站下，对空中三角测量进行加密，加密软件为Inpho，为了保证工作效率，本次测量所采用的加密方法为分区加密。加密流程如2所示，空三加密点是由计算机自动匹配的[5]。在Inpho软件中，自带平差结算功能，能够对区域网平差进行计算，提高测量精度[6]。为了保证检测的精确度，需要改正航片畸变，设置信息文件和相机文件，做好像点匹配、航带连接和外业像控点的平差处理等工作，同时还要做好必要的质量检查工作。

结语：

随着我国经济的发展，科技的进步，越来越多的科技成果将被应用于实践。在水利工程作为我国重要的基础设施，是一项利国利民的工程，需要不断引入先进的科技成果，提高自身的建设质量。为此，将无人机应用于水利工程测量的实践中，在提高测量精度的同时，对于促进水利工程的可持续发展具有重要意义。