無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

梅同單 李丹

摘 要：深入分析無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于長(zhǎng)江水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)的具體方案，通過(guò)優(yōu)劣評(píng)價(jià)得出相應(yīng)改進(jìn)策略，為我國(guó)水文監(jiān)測(cè)良好發(fā)展提供支持。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);水文應(yīng)急監(jiān)測(cè);長(zhǎng)江

中圖法分類號(hào)：P332? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0421

我國(guó)信息技術(shù)發(fā)展迅猛，各類先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于水文監(jiān)測(cè)中。長(zhǎng)江是我國(guó)第一大河，做好長(zhǎng)江汛情應(yīng)急監(jiān)測(cè)對(duì)水旱災(zāi)害防御至關(guān)重要。通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠構(gòu)建一個(gè)相對(duì)完善的空中水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而快速采集并傳輸長(zhǎng)江汛情監(jiān)測(cè)信息?；诖?，本文深入分析了無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于長(zhǎng)江水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)的具體方案，通過(guò)優(yōu)劣評(píng)價(jià)得出相應(yīng)的改進(jìn)策略。

1? 無(wú)人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案

當(dāng)前，常用的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是多旋翼無(wú)人機(jī)，通過(guò)遠(yuǎn)程程序?qū)邆湫磔S的無(wú)人飛行器進(jìn)行有效控制，結(jié)合非接觸式雷達(dá)波多普勒測(cè)速設(shè)備、通訊傳輸設(shè)備以及激光三維掃描設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)獲取準(zhǔn)確的水文數(shù)據(jù)，并及時(shí)傳輸給地面總控制臺(tái)。

使用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案主要有以下兩種。（1）機(jī)動(dòng)主體。無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般不需要配備相應(yīng)的輔助類水文固定設(shè)施，但需要通過(guò)越野巡測(cè)車作為地面設(shè)備支撐，其中存在著數(shù)量眾多的無(wú)人機(jī)，整個(gè)越野巡測(cè)車包含了計(jì)算機(jī)通訊設(shè)施、電源、地面控制站的導(dǎo)航以及視頻監(jiān)控這類設(shè)備，一般可以在監(jiān)測(cè)之前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝。在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，需要配備兩名工作人員，其中一名工作人員主要控制所有的地面設(shè)備，并操作無(wú)人機(jī)的實(shí)際飛行航向，完成對(duì)斷面的流速監(jiān)測(cè)，另一名工作人員則主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)的野外放飛和回收。（2）懸停測(cè)速。同一斷面的流速測(cè)量必須重復(fù)多次，無(wú)人機(jī)根據(jù)既定的航跡穿越長(zhǎng)江制定測(cè)量區(qū)域，每20m左右進(jìn)行一次懸停測(cè)速，并將懸停高度保持在30m左右，如圖1所示。

在進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)，若出現(xiàn)道路阻塞等情況，工作人員不能及時(shí)進(jìn)行測(cè)量，可以使用以下兩種無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作模式。（1）遙控飛行模式。地面總控制臺(tái)能夠完成遠(yuǎn)程的遙控飛行，有效控制無(wú)人機(jī)的航行線路，并通過(guò)內(nèi)置程序來(lái)實(shí)現(xiàn)懸停測(cè)速，一名工作人員操作即可。（2）自動(dòng)測(cè)速工作模式，主要應(yīng)用于工作人員無(wú)法到場(chǎng)的情況，地面總控制臺(tái)能夠啟動(dòng)相應(yīng)的飛行控制軟件，無(wú)人機(jī)根據(jù)內(nèi)置線路飛行，并自動(dòng)采集與傳輸相應(yīng)水文數(shù)據(jù)信息。

2? 無(wú)人機(jī)中自動(dòng)控制的應(yīng)用

2.1? 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集模式及監(jiān)測(cè)載具的選取

（1）通過(guò)機(jī)載多普勒測(cè)流系統(tǒng)采集與吊載長(zhǎng)江斷面流速。在對(duì)長(zhǎng)江部分水流速度相對(duì)較高、高低落差較小的流域進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，一般選擇K波段雷達(dá)多普勒流速儀，并以近地面或水面的形式來(lái)完成測(cè)流垂線以及測(cè)流斷面的設(shè)置。通過(guò)此方式得出的流速監(jiān)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，并且可結(jié)合水位信息實(shí)現(xiàn)對(duì)斷面的流量測(cè)定。

（2）通過(guò)機(jī)載激光三維掃描系統(tǒng)采集空間坐標(biāo)和區(qū)域顏色值。機(jī)載激光三維掃描儀能夠采集被測(cè)長(zhǎng)江流域的三原色信息以及三維坐標(biāo)信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且這一范圍相對(duì)較大，所生成的數(shù)字表面模型以及數(shù)字高程模型也有著極高的精準(zhǔn)程度。相關(guān)技術(shù)人員利用這類模型能夠完成對(duì)長(zhǎng)江水情區(qū)域三維場(chǎng)景圖的構(gòu)建，從而模擬出一個(gè)被測(cè)長(zhǎng)江流域?qū)嶋H景象。

（3）通過(guò)機(jī)載高分?jǐn)?shù)碼照相設(shè)備采集分時(shí)影像數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用于以下兩個(gè)方面。正射影像采集，將高分?jǐn)?shù)碼照相機(jī)吊載于無(wú)人機(jī)中，直觀了解長(zhǎng)江水情圖像及地表現(xiàn)狀。三維影像采集，將五眼相機(jī)吊載于無(wú)人機(jī)中，通過(guò)實(shí)地傾斜攝影這一方式來(lái)采集堤、林、坡、物這類側(cè)立面的圖像信息。

（4）通過(guò)機(jī)載視頻攝像設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)景象觀測(cè)。將數(shù)碼、光學(xué)視頻采集設(shè)備以及夜間使用的紅外設(shè)備吊載于無(wú)人機(jī)中，能夠?qū)⒈槐O(jiān)測(cè)長(zhǎng)江流域的現(xiàn)場(chǎng)視頻實(shí)時(shí)地傳輸給總控制臺(tái)，進(jìn)而對(duì)長(zhǎng)江水情以及水毀情況進(jìn)行查看，并且也能夠發(fā)現(xiàn)水面漂浮物以及對(duì)堤防的巡查。

2.2? 構(gòu)建汛區(qū)應(yīng)急中繼通訊

當(dāng)前，常用的報(bào)汛方式主要通過(guò)無(wú)線、有線衛(wèi)星通信及網(wǎng)絡(luò)完成信息傳遞，但這一方式可能在洪災(zāi)、強(qiáng)降雨等自然災(zāi)害中失效。通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)構(gòu)建一個(gè)汛區(qū)應(yīng)急中繼通訊，可有效解決通訊癱瘓問(wèn)題。在組建時(shí)主要通過(guò)無(wú)人機(jī)系留繩讓地面發(fā)電設(shè)備為無(wú)人機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間滯空，同時(shí)構(gòu)建一個(gè)由無(wú)人機(jī)搭載基站設(shè)備，機(jī)地連接有線傳輸，地面操控與核心網(wǎng)連接系統(tǒng)所組成應(yīng)急通訊中樞。當(dāng)某地區(qū)出現(xiàn)自然災(zāi)害后，可通過(guò)空中通道的構(gòu)建和災(zāi)區(qū)駐站人員直接聯(lián)系，并且能夠完成物品投送、事物補(bǔ)給等操作，將水文情報(bào)信息及時(shí)帶出。

2.3? 三維建模和分析決策

將無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)江水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)，可有效完成數(shù)字三維模型構(gòu)建。根據(jù)報(bào)訊規(guī)范中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠在無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)范圍之內(nèi)采集相關(guān)空間數(shù)據(jù)信息，生成實(shí)時(shí)立體模型，反映監(jiān)測(cè)區(qū)域地貌因素的空間分布形態(tài)。水位、降水量、淹沒情況、流量計(jì)算等數(shù)據(jù)信息分析會(huì)得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，洪水預(yù)報(bào)、量化分析以及決策水平都會(huì)有較大幅度的提升。

具體而言，主要包含靜態(tài)三維模型、動(dòng)態(tài)三維模型以及數(shù)值分析計(jì)算。其中靜態(tài)三維模型主要是在長(zhǎng)江流域發(fā)生汛情之前，根據(jù)駐站水文資料以及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)構(gòu)，建流域自身、山丘山谷地帶的三維模型，為長(zhǎng)江流域汛期監(jiān)測(cè)提供可對(duì)比分析的基礎(chǔ)底圖模型。動(dòng)態(tài)三維模型主要在汛情突發(fā)之后，通過(guò)無(wú)人機(jī)來(lái)對(duì)地表、地形信息，高程、水面變化數(shù)據(jù)進(jìn)行勘測(cè)，并在此基礎(chǔ)上分航次與時(shí)段生成相應(yīng)的三維模型，最終再將所有模型組合起來(lái)形成動(dòng)態(tài)模型。數(shù)值分析計(jì)算主要通過(guò)相關(guān)軟件來(lái)對(duì)長(zhǎng)江流域?qū)嶋H水情變化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，計(jì)算出不同時(shí)段的水量、降雨量、水情路徑、流量、水情范圍，最大化地降低突發(fā)汛情所帶來(lái)的不利影響。

3? 采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)江水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)的改進(jìn)方向

3.1? 構(gòu)建完善的測(cè)流模型

目前，應(yīng)用較為廣泛的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要根據(jù)我國(guó)大部分河流的共性設(shè)計(jì)，但長(zhǎng)江在地理位置以及水質(zhì)等方面有較明顯特性，沿用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型會(huì)降低長(zhǎng)江水文監(jiān)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性。因此，相關(guān)人員應(yīng)全方位了解長(zhǎng)江干支流的實(shí)際情況，參考當(dāng)?shù)厮恼镜乃谋O(jiān)測(cè)資料，基于測(cè)流模型探索最佳測(cè)流位置，有效提升監(jiān)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性。

3.2? 增強(qiáng)飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要借助于微波雷達(dá)輔助，飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定決定測(cè)速結(jié)果，一些監(jiān)測(cè)指標(biāo)受無(wú)人機(jī)飛行速度的影響，會(huì)出現(xiàn)誤差。因此，進(jìn)行應(yīng)急水文監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)掌握好無(wú)人機(jī)不同階段的控制，增強(qiáng)飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。首先是加減速控制，應(yīng)當(dāng)保證無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中能夠基于長(zhǎng)江流域的環(huán)境因素獲得穩(wěn)定的加減速，且加速度不宜太大，否則很容易偏離航線。其次是爬升以及下降控制，飛行控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)考慮飛行過(guò)程中的通視條件，結(jié)合長(zhǎng)江流域不同氣候、風(fēng)速等因素得出合理的爬升或下降速度。最后是懸?？刂?，這一階段的穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用，需要系統(tǒng)能夠判定周圍風(fēng)力條件以及氣壓條件，進(jìn)而為無(wú)人機(jī)的回轉(zhuǎn)及盤旋模式選擇提供正確的指令。

3.3? 做好地面控制指揮工作

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然有著較強(qiáng)的自主性、智能性，但人工操作也有至關(guān)重要的作用。因此無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)與地面總控制臺(tái)的聯(lián)系，通過(guò)添加無(wú)人機(jī)任務(wù)荷載、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈相關(guān)功能模塊，來(lái)有效降低無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)紕漏的可能性，為保證長(zhǎng)江水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等信息技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效保證長(zhǎng)江水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)的質(zhì)量，提高精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的效率。目前，部分無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著較為廣闊的改良前景，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)充分考慮長(zhǎng)江流域的獨(dú)特性，完善與優(yōu)化無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而更加有效促進(jìn)長(zhǎng)江水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作的開展。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭應(yīng)成.無(wú)人機(jī)在水文測(cè)驗(yàn)和信息化管理中的應(yīng)用[J].廣西水利水電，2020（01）：91-95.

[2]張彩云，房照娟，張藝銘.淺析無(wú)人機(jī)在開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].治淮，2019（11）：24-25.

[3]唐建明.無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用[J].綠色科技，2019（17）：209-210.