無(wú)人機(jī)在水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探討

宋 冰

(黑龍江省水文局，哈爾濱 150001)

推廣應(yīng)用

無(wú)人機(jī)在水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探討

宋 冰

(黑龍江省水文局，哈爾濱 150001)

當(dāng)前無(wú)人機(jī)已經(jīng)發(fā)展成一門綜合性現(xiàn)代化信息采集技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起降靈活、操控便捷、應(yīng)急性強(qiáng)，更具有高效率、低成本、低損耗、風(fēng)險(xiǎn)小、易保養(yǎng)、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)勢(shì)。水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)一般都是隨機(jī)性大、危險(xiǎn)性高、監(jiān)測(cè)面廣，常規(guī)監(jiān)測(cè)手段很難達(dá)到預(yù)期效果。文章探討無(wú)人機(jī)在水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景和需求。

無(wú)人機(jī)技術(shù)；水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)；遙測(cè)遙感

0 引 言

中國(guó)地域遼闊、河流眾多，是一個(gè)自然災(zāi)害類型較多，發(fā)生頻率較高的國(guó)家。存在著洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水環(huán)境污染三大水問(wèn)題。水文監(jiān)測(cè)工作是國(guó)家的重要基礎(chǔ)工作，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和應(yīng)急處理機(jī)制的完善，要求水文信息采集的時(shí)效性和準(zhǔn)確性越來(lái)越高,收集范圍越來(lái)越大，水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)比以往更加重要。

當(dāng)前無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成一門綜合性現(xiàn)代化信息采集技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起降靈活、操控便捷、經(jīng)濟(jì)適用、應(yīng)急性強(qiáng)、搭載能力大等特點(diǎn)，對(duì)處理隨機(jī)性大、危險(xiǎn)性高、監(jiān)測(cè)面廣的水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)起到重要的作用。

文章僅對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)在水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(Unmanned Aircraft System，縮寫UAS)，是由無(wú)人飛行設(shè)備及控制系統(tǒng)(包括控制站、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等)組成，是一種搭載相關(guān)任務(wù)設(shè)備并在可控情況下能夠自主完成飛行任務(wù)的不載人航空器，一般按翼型可分為固定翼無(wú)人機(jī)與旋翼無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)具有高效率、低成本、低損耗、低風(fēng)險(xiǎn)、易保養(yǎng)、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)點(diǎn)。

無(wú)人機(jī)做為搭載平臺(tái)，能攜帶多種設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)。如可搭載高分辨攝像頭、測(cè)繪設(shè)備、紅外傳感器、激光傳感器等，是集無(wú)人機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、GPS差分定位等綜合性現(xiàn)代化信息技術(shù)。

可以進(jìn)入交通不便或者危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)及監(jiān)測(cè)，避免了人員危險(xiǎn)。也可利用無(wú)人機(jī)劃定某固定區(qū)域作重點(diǎn)航測(cè)。當(dāng)搭載高精度數(shù)碼成像設(shè)備進(jìn)行多角度多航次獲取任務(wù)區(qū)地形地貌數(shù)據(jù)，測(cè)量的數(shù)據(jù)成果可進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)影像信息進(jìn)行處理，按照一定精度要求制作成三維效果圖像，滿足航空攝影、遙控遙測(cè)、實(shí)時(shí)傳輸和三維電子影像處理等強(qiáng)大功能。另外，水文部門大力研究無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，如把激光測(cè)速儀搭載在旋翼無(wú)人機(jī)上，可懸停航測(cè)水面流速等。

2 無(wú)人機(jī)在水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)一般都是危險(xiǎn)性高、隨機(jī)性大、監(jiān)測(cè)范圍廣，共同特點(diǎn)是“急、險(xiǎn)、難”，如突發(fā)暴雨洪水、分洪潰堤、地震堰塞湖、冰塞冰壩和水質(zhì)污染等類型繁多。

2.1 洪水災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)

以往在災(zāi)害發(fā)生后，因技術(shù)條件限制只能人工查勘受災(zāi)區(qū)域情況，收集信息的局限性大、信息面小，很難滿足決策需求。即便在緊急情況下，一般也只用人工乘車、船到現(xiàn)場(chǎng)或者使用大型直升機(jī)懸空方式監(jiān)控洪澇區(qū)域，但這些方式相對(duì)成本高、人員危險(xiǎn)系數(shù)大、應(yīng)急響應(yīng)不及時(shí)。但如果采用固定翼和多旋翼無(wú)人機(jī)相互結(jié)合使用，便能夠解決此類問(wèn)題，無(wú)人機(jī)可多角度的從空中拍攝洪澇區(qū)域情況，實(shí)時(shí)把受災(zāi)情況和水文信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，地面工作人員可通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)大量的實(shí)時(shí)遙感信息進(jìn)行快速分析，并計(jì)算水文信息變化情況，為應(yīng)急救災(zāi)等工作提供及時(shí)、準(zhǔn)確的信息支持。

2.2 堰塞湖應(yīng)急監(jiān)測(cè)

堰塞湖多由地震、滑坡、泥石流或火山熔巖流等自然地質(zhì)災(zāi)害引起山體滑坡，堵截河床而形成的。堰塞湖危害極大，不但淹沒(méi)上游地區(qū)，而且有些堰塞體極不穩(wěn)定，對(duì)下游形成垮壩式的洪災(zāi)。為了分析預(yù)報(bào)堰塞湖天然壩的穩(wěn)定性，有針對(duì)性地做好災(zāi)害預(yù)案，必須對(duì)堰塞湖及時(shí)進(jìn)行水文監(jiān)測(cè)。由于堰塞湖發(fā)生地方特殊，很多地方人員很難到達(dá)。在堰塞湖形成初期，可以利用無(wú)人機(jī)拍攝低空影像資料，利用 GIS技術(shù)建立堰塞湖上下游的地理地貌幾何模型，對(duì)建立堰塞湖蓄水預(yù)報(bào)方案、潰壩洪水演進(jìn)模型和洪水風(fēng)險(xiǎn)圖等起到關(guān)鍵性作用，為處置應(yīng)急災(zāi)害提供有力技術(shù)支撐；在堰塞湖蓄水期，可利用無(wú)人機(jī)獲取影像信息，根據(jù)這些快速、及時(shí)、量多的圖像資料，提取堰塞湖庫(kù)區(qū)的淹沒(méi)狀態(tài)、回水面積、蓄水量等重要水情信息，形成動(dòng)態(tài)的水情演變趨勢(shì)；在堰塞湖泄流或突然跨壩時(shí)，可以利用無(wú)人機(jī)搭載雷達(dá)測(cè)速裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出口流量。

2.3 冰凌應(yīng)急監(jiān)測(cè)

凌汛是河道水災(zāi)的一種特殊形態(tài)，嚴(yán)重時(shí)形成冰壩。冰壩嚴(yán)重堵塞河道，使水位壅高，造成上游區(qū)域受淹。當(dāng)冰壩承受不住上游河段的冰和水壓力時(shí)，造成自然潰決，洪水伴隨冰凌突然下泄，對(duì)堤防、建筑物破壞非常嚴(yán)重。我國(guó)的北方大江大河，如黃河﹑黑龍江﹑松花江﹑嫩江等非常容易形成冰壩。由于冰壩形成的河段長(zhǎng)、流冰期危險(xiǎn)性高，水文監(jiān)測(cè)難度非常大。

在冰壩形成期間，利用固定翼無(wú)人機(jī)航拍河道水流平面圖，采用專用軟件量測(cè)冰面面積和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，從而實(shí)時(shí)計(jì)算冰花疏密度和冰流量，由于無(wú)人機(jī)比人工方式提供的信息量大、快速及時(shí)，對(duì)形成冰壩動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)非常重要；在冰壩的破除期間，可以利用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)爆破口的狀態(tài)情況，計(jì)算分析泄流成果，為決策提供重要水文監(jiān)測(cè)依據(jù)。同時(shí)也可以利用多旋翼無(wú)人機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)重要工程、險(xiǎn)工弱段的破壞情況。

2.4 分洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)

蓄滯洪區(qū)是江河防洪體系中的重要組成部分，是保障重點(diǎn)地區(qū)防洪安全，減輕災(zāi)害的有效措施。蓄滯洪區(qū)啟動(dòng)后水文監(jiān)測(cè)對(duì)淹沒(méi)災(zāi)害評(píng)估、意外搶險(xiǎn)非常重要，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括分洪水量和淹沒(méi)范圍。在分洪初期，分洪流速非常大，常規(guī)設(shè)備很難接近，可以采用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載雷達(dá)測(cè)速儀，實(shí)時(shí)測(cè)量水面流速，計(jì)算實(shí)時(shí)分洪流量。淹沒(méi)范圍測(cè)量就是利用無(wú)人機(jī)低空航拍功能，按設(shè)計(jì)好的航線進(jìn)行航拍，解析出各時(shí)段的淹沒(méi)范圍。

3 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人機(jī)這種先進(jìn)的現(xiàn)代化綜合信息技術(shù)平臺(tái)，已在各行業(yè)充分展示了其獨(dú)特的應(yīng)用能力。在水文行業(yè)中特別適用于水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)、突發(fā)事件應(yīng)急監(jiān)測(cè)，大大降低了勘測(cè)人員承擔(dān)危險(xiǎn)工作的風(fēng)險(xiǎn)概率。所采集的數(shù)據(jù)是對(duì)傳統(tǒng)遙感技術(shù)和常規(guī)地面觀測(cè)的補(bǔ)充，在水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、航空技術(shù)、通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)將是未來(lái)水文監(jiān)測(cè)的重要工具。

[1]孫毅，王英勛.無(wú)人機(jī)駕駛員航空知識(shí)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)民航出版社，2014(10)：15-25.

[2]金偉，葛宏立，杜華強(qiáng)，等.無(wú)人機(jī)遙感發(fā)展與應(yīng)用概況[J].遙感信息， 2009(1)：88-92.

Application of UAV in Hydrological Emergency Monitoring

SONG Bing

(Heilongjiang Provincial Hydrology Bureau，Harbin 150001,China)

At present，UAV has become a comprehensive and modern information collecting technology with superiorities of simple structure，flexible rising，convenient operation，strong emergency，also the characteristics of high efficiency，low cost，low consumption，small risk，easy care and re-use etc.Hydrological emergency monitoring is large of randomness，high of danger and wide of monitoring range，conventional ways are difficult to realize the effects predicted. The paper explores the application prospects and requirements of UAV in the field of hydrological emergency monitoring.

UAV technology; hydrological emergency monitoring; remote metering; remote sense

1007-7596(2016)12-0125-02

2016-11-28

宋冰(1988-)，男，黑龍江海倫人，助理工程師。

P335

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