基于無人機(jī)技術(shù)的防汛抗旱減災(zāi)應(yīng)用探討

曾令煒 李 睿 劉 強(qiáng)

近年來，無人機(jī)因其機(jī)動性好、應(yīng)用成本低、拍攝范圍廣以及數(shù)據(jù)實(shí)時性強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用到許多研究領(lǐng)域。當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時，如山洪、洪水和泥石流等，傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)將會受到嚴(yán)重?fù)p壞，造成通信中斷，由于受災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境通常十分惡劣，勘測人員無法輕易到達(dá)重災(zāi)區(qū)，現(xiàn)場災(zāi)情的數(shù)據(jù)信息獲取困難，給應(yīng)急救援帶來極大阻礙。為提高防汛抗旱減災(zāi)工作效率、信息搜集質(zhì)量和搶險救災(zāi)成功率，更好地解決災(zāi)害環(huán)境下通信系統(tǒng)快速恢復(fù)的問題，本文在梳理我國民用無人機(jī)技術(shù)和應(yīng)用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探究無人機(jī)技術(shù)在防汛抗旱減災(zāi)工作中空中遙感圖像信息采集和應(yīng)急通信保障兩個領(lǐng)域的優(yōu)勢特點(diǎn)和應(yīng)用前景，以期對水利信息化、智能化發(fā)展，以及防汛抗旱減災(zāi)工作中的通信保障和科學(xué)決策提供借鑒。

一、無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

無人機(jī)是無人駕駛飛機(jī)的簡稱，英文縮寫為“UAV”，通過搭載不同種類的設(shè)備，以完成不同種類的飛行目標(biāo)任務(wù)。根據(jù)不同的平臺結(jié)構(gòu)，無人機(jī)一般分為三種類型：一種是固定翼無人機(jī)，一種是無人直升機(jī)，還有一種是多旋翼無人機(jī)。固定翼無人機(jī)起降時，必須在動力系統(tǒng)的作用下通過滑行跑道進(jìn)行。固定翼無人機(jī)載荷大，飛行速度快，續(xù)航能力強(qiáng)，飛行效率高，但不能懸停。無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)幾乎對起降場地沒有要求，可垂直起降和定點(diǎn)懸停，缺點(diǎn)是耗電量大、飛行效率稍低。多旋翼型無人機(jī)相比于無人直升機(jī)，其結(jié)構(gòu)相對簡單，操作上容易上手，運(yùn)行相對穩(wěn)定，并且成本較低。本文主要以多旋翼無人機(jī)作為飛行平臺進(jìn)行研究和分析。

多旋翼無人機(jī)本身具有低成本、攜帶方便、易于控制和機(jī)動靈活等特點(diǎn)，通過搭載不同種類的采集和傳輸設(shè)備，可以完成不同類型的任務(wù)。在防汛抗旱減災(zāi)應(yīng)用方面，多旋翼無人機(jī)低空攝影系統(tǒng)具有成本低、操作方便的特點(diǎn)，對操作者的訓(xùn)練周期短，且系統(tǒng)易于保養(yǎng)和維護(hù)，可為防汛抗旱減災(zāi)工作節(jié)省大量人力物力。

（1）機(jī)動靈活、安全性高。多旋翼無人機(jī)具有機(jī)動靈活的特點(diǎn)，不需要特殊的機(jī)場著陸，它可以在陰天、低霧等環(huán)境下獲得合格的圖像，從而可以將大量的野外作業(yè)轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，不僅能夠降低勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)效率和精度，又能增加操作人員的安全性，即使出現(xiàn)了故障，也可最大限度地避免人員傷亡，具有較高的安全性。其機(jī)動靈活和安全的特點(diǎn)符合防汛抗旱減災(zāi)對突發(fā)性事件的處置要求。

（2）航拍圖像分辨率高、實(shí)時性好。多旋翼無人機(jī)通過攜帶高精度數(shù)字成像設(shè)備獲取的地面圖像具有清晰度高的優(yōu)點(diǎn)，并且可實(shí)時傳輸航測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場情況，有利于防汛抗旱減災(zāi)的及時決策。

（3）兼容性、擴(kuò)展性好。航拍所獲取的素材資源經(jīng)過其他軟件的處理之后，不僅可以進(jìn)行多個圖像的合成和三維立體建模等多項(xiàng)操作，還能夠根據(jù)特定需求，進(jìn)一步拓展功能。

二、無人機(jī)技術(shù)在防汛抗旱減災(zāi)中的應(yīng)用

圖1 無人機(jī)與應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)的協(xié)同配合組網(wǎng)圖

1.遙感圖像信息采集

水利管理部門的工作重點(diǎn)之一是防汛抗旱。實(shí)時、快速、高分辨率的圖像數(shù)據(jù)將直接關(guān)系到防汛抗旱的正確決策，也關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全和損失程度。同時，水利相關(guān)的項(xiàng)目通常環(huán)境較復(fù)雜、交通不方便，傳統(tǒng)的工作方法效率偏低，具有一定的危險性。利用多旋翼無人機(jī)在指定區(qū)域進(jìn)行遙感圖像信息采集，可以克服遠(yuǎn)距離和人員不足等不利因素，快速到達(dá)指定區(qū)域，對蓄滯洪區(qū)地形、地貌，水庫、堤防危險斷面進(jìn)行快速觀測，快速獲取大量清晰易讀的遙感圖像數(shù)據(jù)，提高現(xiàn)場勘查效率，為水利管理部門的防汛抗旱決策提供支持。無人機(jī)遙感圖像在防汛抗旱減災(zāi)中的應(yīng)用包括：

（1）檢查重點(diǎn)水利設(shè)施。在常規(guī)防汛工作中，多旋翼無人機(jī)可以通過高危險區(qū)，監(jiān)測年久的堤壩、堤防、水庫和堤防險段，使維修人員能夠及時了解水利設(shè)施的狀態(tài)和情況，大大方便了施工，簡化了水利設(shè)施的維護(hù)和檢查。

（2）提高預(yù)警監(jiān)測水平。在測量區(qū)域航空正射影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)的圖像處理軟件，生成DOM和DEM數(shù)據(jù)，建立相關(guān)的減災(zāi)救災(zāi)預(yù)警數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)的對比分析，有利于提高災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確性。

（3）評估災(zāi)害的損失。利用無人機(jī)遙感圖像獲取災(zāi)害前后的影像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比分析，可以對災(zāi)害情況進(jìn)行準(zhǔn)確的評估和判斷。

（4）提供實(shí)時災(zāi)害信息。與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)配合使用，能夠?qū)崟r回傳航空遙感圖像，指揮中心可以直觀地了解洪、澇、旱災(zāi)的情況、強(qiáng)度和分布，為減災(zāi)和救災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，避免災(zāi)害救助的盲目性。無人機(jī)遙感圖像與應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)的協(xié)同配合應(yīng)用組網(wǎng)方式見圖1。

圖2 無線傳播通視距離示意圖

表1 不同天線高度下通視距離

圖3 系留式多旋翼無人機(jī)應(yīng)急通信保障組網(wǎng)圖

圖4 系留式多旋翼無人機(jī)應(yīng)急通信保障（中繼方式）組網(wǎng)圖

無人機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)通過無線的方式實(shí)時傳輸至地面遙控站，地面遙控站通過線纜將數(shù)據(jù)接入現(xiàn)場指揮部，再經(jīng)過原有的車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳回后方指揮中心。指揮人員可根據(jù)航拍圖像多角度、立體式實(shí)時觀測現(xiàn)場情況，提升了應(yīng)急指揮的科技水平。

相比于傳統(tǒng)的技術(shù)人員攜帶單兵及攝像設(shè)備進(jìn)行圖像的采集和傳輸，無人機(jī)的應(yīng)用不僅有效解決了技術(shù)人員受到山丘、河流、亂石等環(huán)境條件限制活動范圍的問題，明顯拓展了險情現(xiàn)場圖像采集的范圍，而且還保障了救援人員的安全，通過航拍的形式，能夠極大限度地避免可能存在危險的地帶，這對于爭分奪秒的搶險救災(zāi)工作來說，意義重大。

2.應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)保障

無線電波可以看作是線性傳播，受地球表面曲率的影響，無線電波的傳輸距離受視距影響。天線的高度是影響無線通信覆蓋范圍的一個重要因素，尤其是在地形復(fù)雜的環(huán)境中，如山地、城市和密集森林，天線的高度將直接影響通信質(zhì)量。通過提高天線高度，可以提高和改善無線通信的覆蓋范圍和通信質(zhì)量。天線高度的提升可以減少地形對無線電波傳輸?shù)挠绊?，甚至可以改善超視距通信，顯著提高通信鏈路的質(zhì)量。利用空中平臺攜帶通信設(shè)備在任務(wù)區(qū)域空中建立范圍更大、更加可靠的通信覆蓋，這是一個理論上可行的解決方案。無線傳播通視距離示意圖見圖2。

如圖2所示，地球半徑為R0，兩個無線通信設(shè)備在A點(diǎn)、B點(diǎn)的高度分別為H1和H2，可以通過勾股定理的計(jì)算得出A、B兩點(diǎn)通視傳輸距離D 約為。因此，在不考慮其他因素影響的理想環(huán)境中，一側(cè)無線通信設(shè)備天線高度H2維持不變時，隨著另一側(cè)無線通信設(shè)備天線高度H1的升高，兩個無線通信設(shè)備之間的通信距離得到延伸。不同天線高度下的通視距離如表1所示。

系留式多旋翼無人機(jī)有著自動化程度高、可快速部署、操作使用方便、起降環(huán)境要求低等特點(diǎn)，通過系留式電纜從地面供電，其續(xù)航時間一般不低于8h（如氣象條件允許，可長期飛行），且有效載荷不小于10kg，有效飛行高度通常在100m左右。

因此，當(dāng)通信基礎(chǔ)設(shè)施受到損壞，以系留式多旋翼無人機(jī)為升空平臺搭載無線基站設(shè)備及發(fā)射天線，能夠?qū)崿F(xiàn)更大覆蓋范圍內(nèi)快速、可靠的寬帶通信，在突發(fā)自然災(zāi)害的環(huán)境中突顯其應(yīng)急通信能力。系留式多旋翼無人機(jī)應(yīng)急通信保障的組網(wǎng)方式如圖3所示。

通信指揮車作為地面基站通過有線光纜與系留式多旋翼無人機(jī)連接，再通過機(jī)載發(fā)射天線在空中接收單兵和無線智能終端等設(shè)備的數(shù)據(jù)，快速建立大區(qū)域覆蓋的無線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。如果需要傳輸覆蓋的區(qū)域更遠(yuǎn)，可在空中架設(shè)無人機(jī)基站作為信號中繼，通過空中接力實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更大范圍的信號傳輸和應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，見圖4。

在救援現(xiàn)場參與無線空中組網(wǎng)時，由于受覆蓋范圍、地理環(huán)境及天氣條件等自然因素影響較大，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況，靈活選擇組網(wǎng)模式，力爭采用最快捷方便的方式組建通信網(wǎng)絡(luò)，做好通信保障。

三、結(jié)論與展望

無人機(jī)技術(shù)以其機(jī)動靈活、效率高、成本低、可多角度拍攝高分辨率圖像的獨(dú)特優(yōu)勢，在防汛抗旱工作中，彌補(bǔ)了以往人員消耗大、運(yùn)行周期長、時效性差、保證率低的缺點(diǎn)，有助于創(chuàng)新防汛抗旱減災(zāi)的工作方式，提高工作效率。

隨著無人機(jī)、遙感、遙控、遙測、計(jì)算機(jī)和通信等技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，無人機(jī)在防汛抗旱減災(zāi)、水文水資源監(jiān)測、水土保持監(jiān)測、河道監(jiān)測與監(jiān)管、水利工程監(jiān)測等水利各個領(lǐng)域的應(yīng)用會更加廣泛，在水利現(xiàn)代化、信息化、智能化工作中將會提供更加強(qiáng)大和完善的技術(shù)支撐■