淺述無人機在水文測驗和信息化管理中的應用

唐敏俐

摘 要 隨著科學技術的發(fā)展，我國的無人機技術有了很大進展，并在水文測驗和信息化管理中得到了廣泛的應用。為了進一步提升河流水文應急監(jiān)測的效率與方法，對無人機監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文應急監(jiān)測中的應用進行了分析。介紹了無人機在水質監(jiān)測、地形測量、災情查勘和信息化管理中的應用實例，論述了無人機在水文測驗上的快速與高效優(yōu)勢，提出了將無人機應用和推廣納入水文現(xiàn)代化建設技術裝備中，將提高水文測驗、災情信息采集的準確性及時效性。

關鍵詞 無人機;水文;測流地形測量;災情查勘;信息化管理

引言

目前，水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的監(jiān)測體系主要以定時定點的地面監(jiān)測系統(tǒng)為主，衛(wèi)星遙感技術為輔。衛(wèi)星遙感技術以其宏觀、動態(tài)和經(jīng)濟的優(yōu)勢彌補傳統(tǒng)地面監(jiān)測采樣方法數(shù)據(jù)離散化、耗時長和費用高的缺陷，被廣泛應用于水質動態(tài)監(jiān)測、水文地形測量中，且取得較好的效果。然而，衛(wèi)星遙感的傳感器一般為多光譜成像光譜儀，光譜通道數(shù)少，影像周期長，易受大氣云層影響，導致其不能及時、準確地監(jiān)測水質參數(shù)濃度，了解水體污染情況;也無法監(jiān)測到山區(qū)危險河段水文地形的變化。因此，無人機技術逐漸廣泛應用于水文測驗中。

1無人機遙感水質監(jiān)測對象

水質監(jiān)測的范圍可謂十分廣泛，如常見反映水質狀況的綜合指標：Chl-a濃度、CDOM、TSS濃度、TN、TP以及DO等。這些水質指標含量的高低會導致水體反射的光譜特征發(fā)生明顯的變化;而反應快速、作業(yè)高效的無人機遙感平臺應用于水質監(jiān)測可以反映出水質在空間和時間上更全面的分布情況和變化情況，這是無人機遙感用來定量監(jiān)測水質的基礎。利用無人機空中懸停的特點，可實時監(jiān)控和掌握水體水質的動態(tài)信息，能夠快速地為水利設施進行實時監(jiān)控，解決調(diào)查緩慢和人工作業(yè)不便的缺陷[1]。

2無人機在水文地形測量中的應用

2.1 獲取地形圖方法

獲取地形圖方法有傳統(tǒng)人工測量手繪成圖、飛機航拍、衛(wèi)星遙感、無人機航拍。這幾種獲取地圖方法，各有特點。①人工測圖。適合局部測量成圖和控制點測量，由于外業(yè)工作強度大，測量速度慢。②飛機航片。適合大面積成圖，成圖速度快。但申請手續(xù)復雜，受限制的條件太多，成本高。③衛(wèi)星影片。谷歌地圖就是衛(wèi)星影像圖，也稱衛(wèi)片、遙感照片、衛(wèi)星影片，是小比例遙感照片，常見1∶2000到1∶100萬，小比例圖用于資源調(diào)查、普查等。但局部細節(jié)不清楚，時效性差，價錢貴。④無人機航拍。無人機航拍應用非常廣泛，無人機拍攝照片分辨率可達到0.1m以下，用于1∶1000成圖或更大，這種高分辨率照片是目前衛(wèi)星照片無法做到。無人機適合小范圍局部航拍，是衛(wèi)片的補充，對時效性、清晰度、價錢等要求高的用戶，無人機是最明智的選擇。

2.2 航拍測地形圖

由于無人機監(jiān)測系統(tǒng)是基于微波雷達來進行河流水文監(jiān)測的，這就使得無人機飛行要具有較高的穩(wěn)定性，否則必然會導致河流速度等指標會受到無人機自身飛行速度的影響，從而產(chǎn)生較大的誤差。一般來說在河流水文監(jiān)測當中無人機飛行控制應注意以下幾個階段的控制：①加速＼減速控制。加速與減速應盡量平穩(wěn)，盡量將加速度控制在較小的范圍之內(nèi);②爬升＼下降控制。爬升與下降也應盡量平穩(wěn)，既要注意通視條件，也要注意速度控制;③懸?？刂?。懸停階段是無人機測速的重要階段，這一階段的穩(wěn)定性控制至關重要，一般情況下應注意觀察風向條件，必要時采用回轉或盤旋方式來改變航向。

無人機航拍在成果片上疊加網(wǎng)格數(shù)據(jù)等形成地形圖。整個拍攝過程耗時僅半天，航片合成耗時半天，數(shù)據(jù)處理成圖數(shù)天內(nèi)完成。無人機航片清晰、快捷、靈活、價錢低、是衛(wèi)星影片無法比擬。無人機拍攝的航片，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理成圖后，精度可滿足1∶1000測圖要求，符合測圖有關技術標準，對山區(qū)高差大河段地形測量有重大意義。

2.3 加強地面控制與指揮

無人機監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文應急監(jiān)測中的應用有效提升了監(jiān)測的自動化與智能化程度，但依然需要依賴于人的全面控制。因此，在具體監(jiān)測過程中還必須要加強地面控制與指揮，進一步提升監(jiān)測效率與精準性。具體而言地面工作人員必須要對監(jiān)測的全過程進行有效動態(tài)控制，完成對無人機、任務載荷以及數(shù)據(jù)鏈的監(jiān)視，此外還應同步完成相關操作控制[2]。

3無人機在水文測流上的發(fā)展及展望

無人機測流包括無人機載體和測流系統(tǒng)，無人機載體包括無人機飛行平臺、無人機飛控系統(tǒng)、無人機無線通信系統(tǒng)、無人機增穩(wěn)攝像系統(tǒng)和無人機地面控制臺，測流系統(tǒng)包括多普勒測流雷達、水位計、數(shù)據(jù)中轉電臺和地面電臺，無人機飛控系統(tǒng)有線連接于數(shù)據(jù)中轉電臺，數(shù)據(jù)中轉電臺無線連接于地面電臺。無人機測流目前主要是為滿足非常規(guī)洪水情況下，能夠快速有效地對河面水流流速，河面水流流量，河面水位漲幅高度，進行精準探測，達到快速響應，靈活便攜，高效產(chǎn)出測流數(shù)據(jù)的效果，做到提前預警排查水災害險情，降低人工測量風險，提高測量效率。

目前，通過無人機測河道整個斷面流量還未實現(xiàn)，一方面由于多普勒測流雷達本身所測得的流速為表面流速，在測流方面精度不高，無法代替河道斷面流量，還需通過不斷率定發(fā)展。其次，無人機通過加載測流系統(tǒng)需考慮無人機自身飛行不確定風速、移動抖動、傳播介質等影響，對實際工作中所需流量數(shù)據(jù)精度有很大影響。

未來可通過對測流系統(tǒng)的不斷完善，對在線測流設備測流精度的不斷提升，對無人機飛行組件穩(wěn)定性的不斷優(yōu)化，無人機測流將成為現(xiàn)實水文測驗中應急測量的重要手段[3]。

4結束語

綜上所述，無人機監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文應急監(jiān)測中的應用是一種新型河流水文監(jiān)測方法，解決了傳統(tǒng)應急監(jiān)測受地形條件、水文地質條件限制大的問題，加強無人機監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文應急監(jiān)測中的應用也是大勢所趨。無人機技術是近幾年發(fā)展的新技術，在水文應用前景廣闊。事實證明，當發(fā)生超標汛情后，用無人機測流、測水位，可有效解決無法測流的問題，提高工作效率。

參考文獻

[1] 郭望成.基于環(huán)境1號衛(wèi)星的藍藻水華提取方法研究[D].南京：南京師范大學，2011.

[2] 譚鈞元.一種基于無人機載體水面測流系統(tǒng)[P].中國：CN110186437A， 2019-08-30.

[3] 陳守榮，香天元，趙昕.長江水文測驗方式方法技術創(chuàng)新實踐與探討[J].中國水利，2010（5）：45-47.