無人機在水文中的應用

劉 海，唐 哲

（湖南省岳陽水文水資源勘測局，414000，岳陽）

在傳統(tǒng)水文工作中，水資源調(diào)查、河段查勘和洪澇災害面積調(diào)查等野外工作主要采用人工徒步和乘船的方式完成。人力查勘行程緩慢，耗時長，且有的查勘位置人煙稀少，交通不便，難以找到船只將人員運送到指定位置，工作難度大。野外工作一般使用照相機記錄查勘影像，由于取景范圍、角度和位置的限制，影像信息記錄易碎片化，無法對現(xiàn)場情況進行全影像呈現(xiàn)。水資源調(diào)查、應急監(jiān)測取樣位置通常在河、湖中央，河道情況復雜、水面漂浮物多、船只缺乏等情況給工作帶來不便甚至成為障礙；在疫區(qū)取樣時，接觸疫水易對工作人員健康造成傷害；在鳥類自然保護區(qū)取樣時，候鳥遷徙、繁衍對生態(tài)環(huán)境變化很敏感，常規(guī)采樣船會給生態(tài)環(huán)境和鳥類保護留下隱患。在應急監(jiān)測時，突發(fā)事件發(fā)生水域流速快，水中漂浮物多，出現(xiàn)險情的斷面情況不明，工作人員駕駛皮劃艇或沖鋒舟拖曳三體測流船進行應急監(jiān)測的安全風險極大。無人機應用于水文工作后，克服了日常野外工作中空間、地貌和水域環(huán)境因素的不利影響，具備迅捷、高效、易攜帶等特點，解決了傳統(tǒng)水文作業(yè)人力密集，依賴地形、水文環(huán)境，設備繁重復雜的問題。

一、無人機應用發(fā)展概述

無人機的起源可以追溯到第一次世界大戰(zhàn)時期，當時無人機大量應用于軍事，20世紀末以后，其應用迅速擴展至全球的各個行業(yè)。2006年清明節(jié)期間，湖南高速交警首次采用無人機巡航高速公路，實現(xiàn)全國首個“交通+廣播+無人機編組+網(wǎng)絡”的全新調(diào)度指揮模式。

2016年，大岳高速洞庭湖大橋建設中使用無人機牽引先導索系統(tǒng)實現(xiàn)成功跨越架設，相比傳統(tǒng)方法采用的人工拽拉、拖輪牽引、熱氣球牽引和直升機牽引等方式，無人機牽引先導索過江破解主纜施工的技術瓶頸，具有操控簡便、快速安全、無需封航、成本低，不受地形影響等顯著優(yōu)點。長期以來，農(nóng)業(yè)植保工作主要依賴人工進行，作業(yè)時間長，工作效率低，噴灑危險性高。隨著植保無人機技術的快速發(fā)展，空中無人化農(nóng)藥噴灑方式正不斷助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。目前，無人機正逐步進入交通調(diào)度、工程測量、農(nóng)業(yè)植保、環(huán)境監(jiān)測、電力巡檢、應急救援等領域，應用前景更加廣闊。

二、無人機在水文工作中的應用

機動性高、易攜帶、智能高效是無人機的顯著特點。應用無人機完成高難度的水文野外作業(yè)，可以破解野外復雜工作環(huán)境限制，有效減輕工作壓力，快速獲取響應數(shù)據(jù)，提高工作效率，得到全面、實時資料。

采用傳統(tǒng)工具進行水資源調(diào)查、河段查勘和洪水調(diào)查工作遭遇野外復雜環(huán)境阻礙時，使用便攜式無人機航拍實時圖傳，可直觀、詳細地了解現(xiàn)場環(huán)境，為下一步工作奠定基礎。裝載高清攝像頭的無人機可以開啟4K高清視頻錄像，保存野外環(huán)境的全景影像資料。無人機高空航拍高清畫質(zhì)圖片與錄像可以替代人力查勘，快速確定被調(diào)查河段的流向、水情、植被等實際情況，避免了人力步行或乘船查勘的遲緩和辛勞。2016年，岳陽市水文局開展汨羅江大型水文科考時，大量采用了無人機進行野外水文地理環(huán)境查勘。在對汨羅江源頭的幾條疑似河源進行溯源時，對比傳統(tǒng)辦法人工實地查勘，利用無人機進行高空航拍、定位對比，快速確定汨羅江源頭。

為了估算已發(fā)生的洪水洪峰流量、洪水總量、洪水過程及其重現(xiàn)期，需要進行現(xiàn)場調(diào)查測量和資料收集、考證等洪水調(diào)查工作，彌補實測水文資料的不足，以便合理可靠地確定水利水電工程的設計洪水數(shù)據(jù)。河道和斷面情況調(diào)查是在洪水流量估算中確定過水面積、比降、糙率等水力因素的依據(jù)，對于多沙和斷面沖淤變化較大的河流尤為重要。使用無人機查勘洪水發(fā)生河段，調(diào)查河段的流向、水情、河床、植被及地形等情況，快速、全面地確定洪痕高程，得出河段比降，估算出洪峰流量，再根據(jù)歷史資料估算出洪水的重現(xiàn)期。為外業(yè)調(diào)查查勘工作減輕負擔，節(jié)省工作時間，提升工作效率，解決了水文洪水調(diào)查與斷面查勘中傳統(tǒng)人工方法存在的調(diào)查區(qū)域狹小和覆蓋范圍不足的問題。

對于水質(zhì)監(jiān)測取樣，傳統(tǒng)水文依靠人工乘船完成。在野外湖心、河心采集水樣時，攜帶船只不便，安全隱患大。乘船在湖、河中取水采樣，消耗大量人力物力財力，用時長，工作效率低。使用改裝可掛載10 kg水樣的無人機進行取樣，植入智能飛行控制芯片，可使其平穩(wěn)飛到指定地點上方進行水質(zhì)取樣，取樣人員在岸上進行操作，確保取樣安全。同時也避免了在鳥類自然保護區(qū)、飲用水水源地、疫區(qū)等特殊環(huán)境取樣時對生態(tài)環(huán)境造成干擾，且不受野外環(huán)境的影響，迅捷便利。

在開展水文應急監(jiān)測時，突發(fā)險情位置往往缺乏橋梁、船只，野外監(jiān)測流量時沒有水文測驗設備的工作平臺。此時，通過改裝無人機掛載的電波流速儀設備結合高清航拍圖傳，便可輕松獲取流速、流態(tài)等水文信息。用無人機航拍河道水情、水毀情況和淹沒區(qū)域情況，完成水文監(jiān)測、水情監(jiān)測、受災區(qū)域查勘等任務。2016年汛期在湖南省岳陽市華容縣新華垸發(fā)生的潰堤事件中，岳陽水文局水文應急監(jiān)測小組利用無人機快速對垸內(nèi)洪泛區(qū)進行航拍調(diào)查，獲取實時情況，確定監(jiān)測斷面布設位置，為開展應急監(jiān)測爭取了寶貴時間，快速獲取了第一手精確水文資料，為抗洪救災提供了科學依據(jù)。

無人機搭載手持電波流速儀開展流速測驗

三、結 論

簡單、方便、高效是無人機應用的優(yōu)勢，隨著科技的發(fā)展與進步，無人機的各項性能指標得到顯著提高，越來越多高性能的無人機進入水文工作中。無人機在航拍查勘、應急監(jiān)測和水質(zhì)取樣中的應用有力提高了水文野外作業(yè)效率和野外環(huán)境適應能力，為水文信息提供更加及時準確的情報，提高了水文的綜合服務能力，促進了水文現(xiàn)代化、信息化的發(fā)展。