無人機測驗系統(tǒng)在水文監(jiān)測中的應用探索

陳 晨，榮佳偉，喬鉑純

（松遼委水文局黑龍江中游水文水資源中心，黑龍江佳木斯156400）

黑龍江無論是流域面積大小、總長度還是多年平均徑流量，均為世界前十。汛期時，黑龍江干流中游段的水文監(jiān)測工作任務尤為繁重，隨著經(jīng)濟、科技及工業(yè)的高速發(fā)展，各類行業(yè)先進技術(shù)紛紛應用于水文監(jiān)測中。通過無人機測驗系統(tǒng)，能夠有效提高黑龍江干流中游段水文監(jiān)測的質(zhì)量，保證水文數(shù)據(jù)的準確性、時效性和科學性。

1 黑龍江干流中游段水文監(jiān)測概況

黑龍江干流可分為3 段，洛古河至黑河附近的結(jié)雅河口為上游，結(jié)雅河口至烏蘇里江河口為中游，烏蘇里江河口以下至入海口為下游，屬平原性河流。水文工作是為國民經(jīng)濟建設、防汛抗旱、水資源開發(fā)利用和水環(huán)境保護提供科學依據(jù)的重要基礎工作，也是一項傳統(tǒng)的專業(yè)性工作。水文監(jiān)測是水文計算、水文預報、水資源分析等各項水文工作的基礎。認識水文現(xiàn)象，探索水文規(guī)律，首要任務是開展水文監(jiān)測工作。除了水位、水溫、降水和蒸發(fā)等日常水文觀測內(nèi)容之外，黑龍江干流中游段的水文監(jiān)測工作還包括暢流期流量測驗、泥沙測驗、封凍期流量測驗工作。根據(jù)汛情，有時還會開展應急監(jiān)測工作。

隨著我國綜合國力的不斷提升和科技水平的逐步發(fā)展，水文監(jiān)測方式發(fā)生了很大的改變，水文測驗儀器設備的先進程度和利用率也有了顯著提高。在北方，暢流期已基本實現(xiàn)了水文測驗現(xiàn)代化。

黑龍江干流中游段暢流期流量測驗通常采用ADCP（聲學多普勒流速剖面儀）走航式流量測驗方式，即使用水文測驗用船垂直水面固定ADCP的水下?lián)Q能器，通過沿測驗斷面航行，采集水深、河寬、流量、流速等數(shù)據(jù)。ADCP 通常裝載在廠家配置的小型測船內(nèi)，再將小型測船固定在水文測驗船船側(cè)，通過“大船帶小船”的方式走航式開展流量測驗。這種測驗方式相較于傳統(tǒng)的架設纜道使用旋槳式流速儀開展流量測驗，更加高效和便捷。但是按照規(guī)定，測驗船上江開展測量，不僅需要配備專職船舶駕駛員，包括測驗技術(shù)員在內(nèi)的船上所有人員，都必須持有船員適任證書和船員服務簿方能開展工作。船只運行維護成本較高，單次測驗時間周期較長。綜上所述，目前黑龍江暢流期水文監(jiān)測工作采取的ADCP 走航式流量測驗方式，在工作效率和成本上仍有一定的提升空間。

2 應用探索

2.1 無人機的特點與應用概況

目前，中國是全球民用無人機最主要的產(chǎn)業(yè)基地，民用無人機最大的市場在于政府公共服務的提供，如警用、消防、測繪、植保、巡檢、氣象等，占到總需求的80%。近5 年來，中國民用消費級及工業(yè)無人機都取得了高速發(fā)展，逐漸成為全球無人機行業(yè)重要的板塊之一。在民用無人機領域，中國已經(jīng)走在世界前列，以大疆為代表的中國民用無人機研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展迅速，并在國際市場上占據(jù)了較好的競爭地位。

無人機具有便攜、高效等諸多特點，以目前某民用工業(yè)級無人機行業(yè)領先品牌旗艦機型為例，使用溫度-20～50 ℃，最大載重6.0 kg，最大通訊距離5 km，最大可承受風速8 m/s（勁風標準），最大水平飛行速度65 km/h，無負載懸停時間32 min，滿負載6 kg懸停時間16 min。這些參數(shù)滿足包括黑龍江在內(nèi)的多數(shù)大江大河的測驗環(huán)境條件。

2.2 無人機測驗系統(tǒng)在黑龍江干流中游段水文監(jiān)測中的應用探索

目前行業(yè)常見的無人機測驗系統(tǒng)多為通過多旋翼無人機裝載非接觸式雷達多普勒測流設備和激光3D 掃描設備采集水文數(shù)據(jù)，無人機按照設置好的測驗斷面航行路線，每間隔適當距離，將無人機懸停并進行測驗，懸停高度保持在30 m 左右，直至按航線完成測驗斷面的流量測驗工作。暢流期的測沙與采樣工作，也可以使用無人機懸停測量、采樣方式進行，無需“大船帶小船”的測驗模式，降低了單次流量測驗成本，提高了工作效率。大洪水時期，開展應急監(jiān)測同樣可以采用此種流量測驗方式。

到了開江和封江的重要時段，無人機的使用，不僅可以對測驗斷面的流冰疏密度有一個直觀的判斷，還可以充分發(fā)揮其機動性強的特點，掌握上下游冰清，為實時預測預報提供依據(jù)。

3 改進方向

研究提及的某品牌旗艦型號工業(yè)級無人機可承受最大風速為8 m/s，黑龍江干流中游段江面寬闊，如遇到風浪較大情況，無人機不僅很難頂風沿測驗斷面直線飛行、懸停完成測驗工作，同時對續(xù)航能力也有很大考驗。因此，應避免在5 級以上強風天氣下開展測量，測驗前準備好足夠數(shù)量的備用電池。工作出發(fā)之前，應當了解當?shù)叵拗骑w行政策，飛行前提前與有關(guān)部門申請報備。

此外，還要結(jié)合黑龍江干流中游段實際情況，參考干流各水文站水文監(jiān)測資料，通過率定和對比測量，不斷提高無人機測驗系統(tǒng)測量河道斷面流量的測驗精度。

4 結(jié)語

無人機測驗系統(tǒng)的應用，能夠有效提高黑龍江干流中游段水文監(jiān)測的質(zhì)量，節(jié)省人力物力，縮短單次測驗時間，提高作業(yè)效率；與新時代水文測驗的現(xiàn)代化、機械化、自動化程度相適應。

技術(shù)人員應當考慮黑龍江干流中游段的獨特性，進一步改進、優(yōu)化無人機測驗系統(tǒng)，提升水文測驗現(xiàn)代化的能力和水平，保證水文數(shù)據(jù)的準確性、時效性和科學性。