無人機在水文測驗中的應(yīng)用

魏海濤

近年無人機應(yīng)用開始興起，隨著探索研究的深入，逐漸形成了無人機+行業(yè)應(yīng)用的模式，無人機+水利應(yīng)用開始出現(xiàn)并付諸實施。水文測驗無人機是專門為水文應(yīng)急監(jiān)測和水文調(diào)查量身打造的水文測驗利器，針對洪水時期常規(guī)應(yīng)急監(jiān)測方法難以執(zhí)行的實際，利用無人機起飛便捷、不受地形影響的優(yōu)勢，加上自主研發(fā)的高精度水文河道監(jiān)測設(shè)備，可較好地解決洪水期間應(yīng)急監(jiān)測困難問題。

1.應(yīng)用優(yōu)勢

水文測驗無人機通過搭載不同設(shè)備，不僅可進(jìn)行洪水應(yīng)急監(jiān)測，而且能夠用于無通訊時堰塞湖監(jiān)測和3D模型建設(shè)。水文測驗無人機通過其高精度RTK，實現(xiàn)自動飛行、一鍵測流、自動返航功能，避免災(zāi)害期間因飛行操作困難造成飛行事故，保障了應(yīng)急監(jiān)測中測站人員及財產(chǎn)安全。

2.技術(shù)原理

水文測驗無人機為多旋翼無人機測流系統(tǒng)，按照中國民航局《輕小型無人機運行(試行)規(guī)定》，屬于Ⅲ類無人機系統(tǒng)。

水文測驗無人機測流系統(tǒng)通過人工遙控或根據(jù)預(yù)置測驗方案采集河道水文要素及河勢視頻信息，包括水面寬、水位、水深、流速，所有信息通過無線方式實時回傳至岸邊計算機，由軟件繪制流量測驗現(xiàn)場分析圖，按流速面積法計算斷面流量，生成測速記載及流量計算表。

3.系統(tǒng)構(gòu)成

水文測驗無人機測流系統(tǒng)由多旋翼飛行器、雙余度傳感器、手操遙控器、雷達(dá)波測流儀、雷達(dá)測高儀、無線視頻設(shè)備和無人機測流軟件等設(shè)備組成，水文測驗無人機測流系統(tǒng)需專業(yè)飛手（駕駛員）與測量員2人同時作業(yè)。

4.技術(shù)特點

一是雙冗余安全保障，2套飛控系統(tǒng)、2套GPS和磁羅盤，有效保障飛行作業(yè)安全；二是RTKGPS定位系統(tǒng)，滿足起點距和高程定位精度要求；三是八軸動力設(shè)計，飛行作業(yè)中出現(xiàn)單槳損壞、不相鄰雙槳損壞，可安全返航降落；四是無人機可在高海拔地區(qū)安全作業(yè)（海拔4500m環(huán)境安全平穩(wěn)運行）；五是安全性高、緊急情況可一鍵返航、自動懸停；六是6級強風(fēng)下無人機依然可正常安全起降；七是旋翼、機臂、起落架和測流設(shè)備采用快速拆解和折疊結(jié)構(gòu)；八是所有部件可裝入運輸箱，運輸箱可放入SUV汽車內(nèi)，方便運輸；九是整機模塊化設(shè)計，快拆結(jié)構(gòu)，有效降低應(yīng)急處理難度；十是易操作、維護(hù)簡單、經(jīng)過培訓(xùn)即可操作（免費技術(shù)培訓(xùn)）；十一是友好的黑匣子功能，飛行數(shù)據(jù)自動記錄；十二是飛行器可按預(yù)設(shè)航線自主完成飛行任務(wù)；十三是可在地面站“數(shù)據(jù)”頁面觀測當(dāng)前電流值和電池消耗量，電量報警提示。

5.應(yīng)用范圍

5.1 無人機應(yīng)用于山洪監(jiān)測

山洪發(fā)生具有極大的不確定性，因此給水位的采集和災(zāi)害發(fā)生狀況的測量造成極大影響。山洪災(zāi)害發(fā)生時，防汛人員需要帶常規(guī)巡測設(shè)備進(jìn)行水位測量和山體滑坡等地形測量，而山洪期間道路不通，常規(guī)測量難度大，水文測驗無人機測流系統(tǒng)可以克服交通不便等不利因素，快速趕往受災(zāi)區(qū)域，利用無人機的RTK和搭載的雷達(dá)波設(shè)備，快速測出當(dāng)前山洪水位。另外，水文測驗無人機測流系統(tǒng)可搭載5p相機進(jìn)行受災(zāi)區(qū)域的地形3D建模，快速獲取當(dāng)前受災(zāi)區(qū)域情況，包括山體滑坡情況、洪水區(qū)域等，為現(xiàn)場指揮人員提供及時有效的數(shù)據(jù)，為抗災(zāi)提供支持。

5.2 無人機應(yīng)用于水庫測量

水庫、湖泊的監(jiān)測主要是水位采集、面積測量、庫容量。當(dāng)前水庫、湖泊的面積測量主要是人工測量，通過全站儀、測船、測桿等設(shè)備測出水庫、湖泊面積，這種方式不僅耗費人力財力，且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高。

水文測驗無人機測流系統(tǒng)搭載相機進(jìn)行水庫、湖泊的3D實時重建，快速得到當(dāng)前水庫的地形以及實時面積，并可疊加到谷歌地圖。此外，水文測驗無人機測流系統(tǒng)搭載測深儀進(jìn)行水庫的固定斷面測量，利用RTK移動站得到水庫大斷面數(shù)據(jù)，并在軟件上實時顯示。同時，無人機也可通過RTK和攜帶的設(shè)備測出當(dāng)前水位，最后得到水庫庫容量。相對于人工測量水庫的水位、面積，無人機更加快速便捷，極大地解放了人力、物力。

5.3 無人機應(yīng)用于堰塞湖監(jiān)測

堰塞湖的形成主要來自于地震或山體滑坡，堰塞湖的堵塞物不保持一成不變，會被沖刷、侵蝕、溶解等，一旦堵塞物被破壞，湖水便傾瀉而下形成洪災(zāi)，極其危險，伴隨次生災(zāi)害的不斷出現(xiàn)，堰塞湖的水位可能會迅速上升，有可能導(dǎo)致重大洪災(zāi)，因此需要我們進(jìn)行堰塞湖潰口的測量，而災(zāi)害期間，要求測量快速、準(zhǔn)確，對此人工測量明顯不符合要求。

水文測驗無人機測流系統(tǒng)遠(yuǎn)距離進(jìn)行堰塞湖潰口區(qū)域的拍攝，獲得大量現(xiàn)場照片，在1～2h內(nèi)完成堰塞湖潰口區(qū)域的3D模型。無人機測流系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集無需網(wǎng)絡(luò)，在失去地表通訊基站的情況下也可以完成作業(yè)。此外，通過潰口區(qū)域的3D模型，可快速測出潰口的寬度、潰口距大堤高度、潰口面積、堰塞湖面積等，重建出的高精度3D模型和數(shù)據(jù)有助于管理人員快速做出決策，非常高效便捷。

5.4 無人機應(yīng)用于水污染監(jiān)測

高效全面的獲取水質(zhì)信息是水污染防治工作的先決條件，水質(zhì)采樣工作則是獲取水質(zhì)信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前水質(zhì)采樣通常采用人工采樣和自動采樣方式，均存在各自的局限性，人工采樣效率低下，并具有一定危險性，自動采樣只能在固定地點采樣，不具有隨機動態(tài)性。

無人機測流系統(tǒng)充分發(fā)揮自身作業(yè)覆蓋范圍廣、機動性強的優(yōu)勢，能夠滿足大范圍巡察的需要，同時具備無人化操作的特點能夠深入危險區(qū)域代替人工工作。根據(jù)水體采樣需求開發(fā)出的全新飛控更加穩(wěn)定，且不同于市面上其他無人機，可攜帶多樣品瓶水質(zhì)采樣器，自動采集不同點、不同深度水樣。另外，漢龍無人機測流系統(tǒng)采用飛行方式進(jìn)入作業(yè)區(qū)域，對水面環(huán)境影響非常小，適合進(jìn)入船只難以到達(dá)的作業(yè)區(qū)域。

6.解決問題

目前，水文事業(yè)面臨新形勢、新任務(wù)，肩負(fù)重大的歷史責(zé)任。洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水污染、水土流失等問題，已經(jīng)嚴(yán)重制約著國民經(jīng)濟和社會發(fā)展。新時期水利已從傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利、可持續(xù)發(fā)展水利轉(zhuǎn)變，在這一歷史轉(zhuǎn)變過程中，要把水利信息化放在優(yōu)先的位置。水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)整體水平落后于經(jīng)濟社會發(fā)展需求，是水文建設(shè)發(fā)展過程中的突出矛盾。信息是水文決策的基礎(chǔ)，是正確分析和判斷水文形勢、科學(xué)制定水文發(fā)展方案的依據(jù)。無人機低空遙感的高機動性、高分辨率等特點，使其在水文行業(yè)中的應(yīng)用有著得天獨厚的優(yōu)勢，在防汛指揮工作中，無人機測流系統(tǒng)可以在苛刻環(huán)境下進(jìn)行測流，測量出未知斷面數(shù)據(jù)河段的洪水流量及相應(yīng)的發(fā)生時間，對及時確定該地區(qū)的防洪預(yù)警級別、合理實施相應(yīng)的防洪預(yù)案、落實抗洪搶險具體措施、組織調(diào)度人員及防洪物資具有重要意義。