無人機(jī)在水文監(jiān)測(cè)和信息化管理中的應(yīng)用

馬玉婷

（長江水利委員會(huì)水文局長江上游水文水資源勘測(cè)局，重慶 江北 400020）

衛(wèi)星遙感技術(shù)在水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水文地貌測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但該技術(shù)主要采用多光譜成像技術(shù)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境中各指標(biāo)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，難以掌握各指標(biāo)的變化規(guī)律。在山間險(xiǎn)灘等衛(wèi)星不能監(jiān)控區(qū)域，常采用無人機(jī)測(cè)量技術(shù)。

1 無人機(jī)技術(shù)概述

我國民用無人機(jī)技術(shù)的研究與使用位于世界前列，近年來在工業(yè)領(lǐng)域也成果豐碩，在全球無人機(jī)市場(chǎng)處于絕對(duì)主導(dǎo)地位。目前水文監(jiān)測(cè)中使用的大部分是旋翼飛行器，按規(guī)范分類為無人機(jī)系統(tǒng)中第三類飛行器。

采用無人機(jī)進(jìn)行水文監(jiān)測(cè)，主要有兩種方法，一種是采用手動(dòng)控制的方法，另一種是事先對(duì)無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)置，然后無人機(jī)自動(dòng)巡航收集水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括水體深度、水位高程、水面寬以及水流速度等數(shù)據(jù)，還可以可視化地展現(xiàn)水系統(tǒng)的流動(dòng)趨勢(shì)。無人機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)束后，通過無線傳輸和處理系統(tǒng)繪制出監(jiān)測(cè)區(qū)域圖，精確計(jì)算水系截面流量，記錄流速測(cè)量，生成流量計(jì)算圖表。

2 無人機(jī)在水文監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 山洪監(jiān)測(cè)

陡峭山區(qū)山洪多發(fā)，來勢(shì)迅猛、強(qiáng)度大、危害大，具有高度不確定性，水文、水位信息收集和實(shí)時(shí)監(jiān)控十分困難，需要人工到受災(zāi)第一線進(jìn)行信息收集，且受災(zāi)人群調(diào)查，風(fēng)險(xiǎn)大、難度大[1]，使用無人機(jī)監(jiān)測(cè)可以避開風(fēng)險(xiǎn)，以最短時(shí)間到達(dá)受災(zāi)地點(diǎn)，利用雷達(dá)波、實(shí)時(shí)微分等技術(shù)，對(duì)受災(zāi)地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)地理信息獲取，并通過高分辨率的圖像處理技術(shù)，快速對(duì)受災(zāi)地點(diǎn)進(jìn)行建模，得到受災(zāi)地區(qū)的精確信息，為災(zāi)區(qū)救援工作提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 水庫測(cè)量

湖泊或水庫監(jiān)控內(nèi)容包括：水面、水位以及地形地貌等信息。傳統(tǒng)方法采用監(jiān)測(cè)船舶和標(biāo)尺等人工手段，人力、物力和時(shí)間花費(fèi)較大，且數(shù)據(jù)精度低。精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)大范圍污染河道比較困難，且由于工作區(qū)域太大，監(jiān)控速度也很慢[2]。

無人機(jī)水文監(jiān)測(cè)，可將一個(gè)湖泊或水庫的實(shí)際狀況，通過系統(tǒng)攝像頭迅速完成拍攝，并對(duì)區(qū)域的實(shí)際狀況建模，直觀展現(xiàn)區(qū)域地貌，精確測(cè)量水面及當(dāng)前蓄水量，通過上、下游快速監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解水文情況，對(duì)大范圍的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，既快捷又有效，極大地節(jié)約了資源。

2.3 堰塞監(jiān)測(cè)

山區(qū)發(fā)生重大地質(zhì)事件（如：山崩、地震）后，很容易產(chǎn)生堰塞湖，由于山區(qū)河道構(gòu)造不穩(wěn)定，被侵蝕、沖刷后，很容易產(chǎn)生崩塌，導(dǎo)致泥石流，造成嚴(yán)重災(zāi)害，僅靠人工手段開展災(zāi)害監(jiān)測(cè)根本無法實(shí)現(xiàn)。通過無人機(jī)長距離監(jiān)測(cè)，可直觀展現(xiàn)堰塞湖真實(shí)情況，在1～2 h內(nèi)建立起一個(gè)完整的災(zāi)情預(yù)測(cè)系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)對(duì)堰塞湖和潰壩進(jìn)行全面的檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果做出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，為防汛工作爭(zhēng)取到寶貴的時(shí)間。

2.4 水質(zhì)檢測(cè)

對(duì)受污染水域進(jìn)行完整調(diào)查和重點(diǎn)采樣，常用的反應(yīng)水質(zhì)狀態(tài)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)綜合指標(biāo)有Chl-a 濃度、CDOM、TSS 濃度、TN、TP 以及DO 等。傳統(tǒng)的水質(zhì)采樣有人工采樣和自動(dòng)化采樣兩種，人工采樣風(fēng)險(xiǎn)大，效率低；而自動(dòng)化采樣則需定點(diǎn)采樣，靈活性較弱，采樣范圍受到限制。

采用快速響應(yīng)、高效運(yùn)行無人機(jī)配備的測(cè)流系統(tǒng)，可通過不同水質(zhì)反射的波譜特性，對(duì)水體進(jìn)行采樣，通過波普監(jiān)測(cè)綜合指標(biāo)分析水質(zhì)變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，更好地反應(yīng)水體的時(shí)間與空間的分布情況以及變化情況；通過無人機(jī)懸浮技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和掌控水體質(zhì)量情況，彌補(bǔ)了人工調(diào)查速度較慢以及自動(dòng)采樣的局限性。

目前已有專門為水質(zhì)采樣設(shè)計(jì)的特殊無人機(jī)，機(jī)上的水質(zhì)采樣設(shè)備可以一次攜帶多種質(zhì)量的采樣瓶，可以自動(dòng)進(jìn)行不同范圍和不同水深的采樣；另一種無人機(jī)型可以代替工作船舶進(jìn)行采樣，不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成太大的干擾。

2.5 洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)

發(fā)生特大洪澇災(zāi)害時(shí)，選用可攜帶非接觸性雷達(dá)、多普勒和激光掃描儀等測(cè)量水流裝置的旋翼式無人機(jī)進(jìn)行水文資料收集時(shí)，在預(yù)先設(shè)定好的飛行路線，按照設(shè)定的30 m 高空飛行路線，進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)點(diǎn)懸停檢測(cè)作業(yè)，直到測(cè)驗(yàn)路線結(jié)束后返回。

3 無人機(jī)地理信息采集

3.1 地理信息采集優(yōu)勢(shì)比較

獲得地形圖的方式主要有：人工測(cè)量手工繪制、飛機(jī)航拍、衛(wèi)星遙感和無人機(jī)航拍等，這些獲得的方式都有各自的獨(dú)到之處。

第一，手繪地圖適用于局部測(cè)量和控制點(diǎn)測(cè)量，缺點(diǎn)是工作強(qiáng)度大，進(jìn)度緩慢。第二，飛機(jī)航拍適用于大面積圖形繪制，繪制速度快，缺點(diǎn)是申請(qǐng)過程繁瑣，約束條件多，費(fèi)用高。第三，衛(wèi)星遙感，谷歌地圖就是衛(wèi)星遙感成像，又叫衛(wèi)星圖像，是一種小比例的遙感圖像，缺點(diǎn)是像素不高、局部細(xì)節(jié)不清晰、價(jià)格較高。第四，無人機(jī)航拍技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景，其成像精度可以在0.1 m 以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)1：1 以上的成像[3]，是當(dāng)前的遙感攝影技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的；無人機(jī)更擅長小型區(qū)域拍攝，可以作為衛(wèi)星遙感成像的輔助，對(duì)于有實(shí)時(shí)性、清晰度和價(jià)格方面的需求來說，是最好的選擇。

3.2 無人機(jī)地面控制

無人機(jī)可以迅速、有效地檢測(cè)水的流速、流量、水位，靈活、便捷、高效地輸出測(cè)流數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)江河災(zāi)害險(xiǎn)情的預(yù)警、排查，減少了人工檢測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，提升了檢測(cè)效率。但尚未實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對(duì)河道斷面流量的測(cè)量，一是多普勒水流測(cè)量技術(shù)測(cè)量的只是表面水流速度，對(duì)河道總流量的測(cè)量精度較低，難以替代河道斷面流量測(cè)量；二是由于受不確定風(fēng)速、運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)、傳播媒介等因素的干擾，測(cè)量的準(zhǔn)確性受到較大的限制。

利用無人機(jī)對(duì)河道進(jìn)行緊急情況下的水文監(jiān)測(cè)，可有效提高河道水文監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和智能化水平，但仍需依靠人工進(jìn)行全方位操控，需強(qiáng)化對(duì)地面人工操控的指導(dǎo)和操控流程的動(dòng)態(tài)管理，強(qiáng)化對(duì)無人機(jī)、任務(wù)載荷和數(shù)據(jù)鏈的監(jiān)控，以提高操控的有效性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

將無人機(jī)用于河道水文監(jiān)測(cè)，是一種全新的河道災(zāi)害監(jiān)控方式。利用無人機(jī)進(jìn)行流量和水位測(cè)量，可有效解決常規(guī)監(jiān)控方式受地形、水文地質(zhì)等因素制約的弊端，加強(qiáng)無人機(jī)在河道水文監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用，可以很好地解決以往無法測(cè)流的困難，大大提升工作效率。