無人機(jī)遙感技術(shù)在水利工程安全與災(zāi)害防治方面的應(yīng)用

王 帥

（長(zhǎng)春工程學(xué)院人事處，吉林 長(zhǎng)春 130103）

1 無人機(jī)遙感技術(shù)發(fā)展背景

無人機(jī)是利用無線電遙控設(shè)備或機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行操控的不載人飛行器，英文縮寫為“UAV”。我國(guó)無人機(jī)遙感技術(shù)從最初的軍用發(fā)展到民用經(jīng)歷了30多年的時(shí)間，可分為以下三個(gè)時(shí)期：1）20世紀(jì)80年代之前，無人機(jī)大多是軍用的，主要用于軍事目的的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和航拍測(cè)圖。此時(shí)的無人機(jī)控制系統(tǒng)及航拍數(shù)據(jù)快速處理技術(shù)還不夠成熟，使用成本較高，操作風(fēng)險(xiǎn)也較大。2）20世紀(jì)90年代至2005年，通過借鑒國(guó)外民用無人機(jī)遙感技術(shù)，我國(guó)對(duì)民用無人機(jī)技術(shù)積極展開應(yīng)用探索，低端小型的民用專業(yè)級(jí)無人機(jī)得到了發(fā)展。3）2007年至今，無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段。不僅軍用無人機(jī)取得突破性進(jìn)展，屢立戰(zhàn)功，民用無人機(jī)也在各行各業(yè)得到應(yīng)用。尤其是民用消費(fèi)級(jí)的無人機(jī)技術(shù)也趨向成熟，走進(jìn)千家萬(wàn)戶[1]。

2 水利工程安全與災(zāi)害防治發(fā)展現(xiàn)狀

水災(zāi)是世界普遍和經(jīng)常發(fā)生的一種自然災(zāi)害，據(jù)估算，世界上平均由于水災(zāi)造成的死亡人口和受災(zāi)人口約占各種自然災(zāi)害和受災(zāi)人口的3/4。

中國(guó)是世界上洪澇災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。據(jù)史料記載，自公元前206年至1840年的2046年中，我國(guó)共發(fā)生洪澇災(zāi)害2 397次，其中較大的災(zāi)害984次，平均每?jī)赡昃陀幸淮蝃2]?！吨袊?guó)災(zāi)情報(bào)告》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)由洪澇災(zāi)害造成的農(nóng)作物受災(zāi)面積占各種自然災(zāi)害造成的農(nóng)作物受災(zāi)面積的22%，成災(zāi)面積占28%，洪澇災(zāi)害是我國(guó)危害最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。以2019年為例，長(zhǎng)江、黃河、淮河、珠江、松遼、太湖6個(gè)流域發(fā)生14次編號(hào)洪水，發(fā)生編號(hào)洪水次數(shù)為2013年有攻擊以來最多，較2013—2018年平均多了一倍。全國(guó)有615條河流發(fā)生超警戒水位洪水，其中119條河流發(fā)生超保證水位洪水、35條河流發(fā)生超歷史實(shí)測(cè)記錄洪水。近年來，洪澇災(zāi)害問題不僅出現(xiàn)于流域附近，一些城市也發(fā)生較嚴(yán)重的暴雨內(nèi)澇問題。我國(guó)是一個(gè)城市化問題十分突出的國(guó)家，全國(guó)一半的人口主要集中在650多座大中型城市。這些城市擁有全國(guó)4/5的經(jīng)濟(jì)總量，在國(guó)家政治生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著舉足輕重的作用，一旦發(fā)生洪澇災(zāi)害，將嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

同時(shí)，隨著極端天氣突發(fā)、自然氣候形勢(shì)惡化，現(xiàn)有的水利防汛工程體系還需要進(jìn)一步完善。近年來，山洪災(zāi)害頻發(fā)、中小河流超標(biāo)準(zhǔn)洪水頻現(xiàn)，對(duì)我國(guó)的防汛工程體系建設(shè)帶來了不少新的壓力。水利工程作為民生工程，與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有直接聯(lián)系?？茖W(xué)安全的水利工程運(yùn)行管理方式，特別在山洪災(zāi)害防治系統(tǒng)、中小河流防洪工程、中小水庫(kù)安全管理、水毀工程修復(fù)等方面，需要結(jié)合無人機(jī)遠(yuǎn)程遙感與監(jiān)測(cè)技術(shù)，為水利工程建設(shè)與維護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，在防汛中開展水文信息實(shí)時(shí)分析研判，為水旱災(zāi)害防御、應(yīng)急搶險(xiǎn)及水毀工程修復(fù)工作提供更好的決策支撐。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)在水利工程安全與災(zāi)害防治方面的應(yīng)用

無人機(jī)技術(shù)通過在飛行器上安裝數(shù)字遙感設(shè)備，例如數(shù)碼相機(jī)或數(shù)碼攝錄機(jī)等進(jìn)行拍攝和記錄，再將影像資料通過處理技術(shù)進(jìn)行同步傳輸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地理信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。無人機(jī)能通過低空飛行方式，航拍高分辨率的遙感影像，具有高機(jī)動(dòng)性、高清晰度、低成本等特點(diǎn)。水利工程由于地形條件復(fù)雜、工程規(guī)模較大等特點(diǎn)，在很多方面可以利用無人機(jī)遙感技術(shù)提高工作效果[3]。

3.1 在水利工程安全方面的應(yīng)用

3.1.1 開展河道巡查

利用無人機(jī)航攝技術(shù)，能有效彌補(bǔ)人力無法到達(dá)預(yù)定位置、時(shí)間有限等缺點(diǎn)，可以從宏觀上、微觀上在河道動(dòng)態(tài)監(jiān)督、巡查方面發(fā)揮極大用途。真正做到以點(diǎn)帶線、巡線找點(diǎn)，細(xì)化督查，找問題、查責(zé)任、促履職，調(diào)動(dòng)加強(qiáng)河湖管理保護(hù)工作。以某市為例，2017年，某市對(duì)倒木溝河進(jìn)行管理保護(hù)，通過無人機(jī)遙感航拍技術(shù)、實(shí)地走訪、監(jiān)控拍攝等手段對(duì)河道現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過采用無人機(jī)巡河，低空安全范圍排查，測(cè)出涉水建筑、水面漂浮物、岸坡?lián)p壞、湖泊圍墾等情況。從高清圖片和視頻資料中可以清楚發(fā)現(xiàn)倒木溝現(xiàn)存跨河建筑物共6座，其中橋梁4座，涵洞2座。由于倒木溝沿河總?cè)丝? 778人，共有11家養(yǎng)殖戶，存在生活用水污染和畜禽養(yǎng)殖污染隱患，需重點(diǎn)排查。因此，采用無人機(jī)低空飛行航拍高分辨率遙感影像，在位于倒木溝東橋處發(fā)現(xiàn)一處100 m3生活垃圾傾倒于河中，影響水質(zhì)的畜禽糞便堆積點(diǎn)2處，需要修建垃圾收集點(diǎn)2處。通過無人機(jī)遙感技術(shù)，對(duì)當(dāng)?shù)刂贫ā耙缓右徊摺碧峁┝擞辛Φ囊罁?jù)，是河長(zhǎng)制運(yùn)行體系下的重要舉措。通過該方法，可以更加全面地了解流域基本情況，為后續(xù)治理方法的制定提供理論依據(jù)。通過多方位的考察，無人機(jī)航拍對(duì)于全面了解河流狀態(tài)，水域岸線現(xiàn)狀，水污染尤其是畜禽養(yǎng)殖污染偷排問題，小型企業(yè)偷排污水問題，在河道管理范圍內(nèi)非法采砂、非法建筑物、灘地種植高稈作物，地方破損長(zhǎng)度、位置能直接觀察到，第一時(shí)間進(jìn)行處理。

3.1.2 提供水利工程基礎(chǔ)信息

無人機(jī)可以通過配置多個(gè)角度的攝像頭對(duì)水工建筑物進(jìn)行拍攝，為后期構(gòu)建高精度等比例水工模型和水工建筑物的病險(xiǎn)監(jiān)測(cè)提供有力的參考數(shù)據(jù)。無人機(jī)對(duì)水庫(kù)、河流、湖泊的連續(xù)不斷監(jiān)測(cè)，可以獲得監(jiān)測(cè)水范圍的實(shí)時(shí)變化情況，通過獲得的一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、影像資料，如水工建筑物運(yùn)行現(xiàn)狀、大壩變形、基層沉降、庫(kù)區(qū)水位變幅，核查岸坡是否存在地基變形、滑坡、垮塌等災(zāi)害發(fā)生前的詳細(xì)跡象，便于水利工作者對(duì)水利工程現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。還可以通過專業(yè)的軟件分析研究逐步實(shí)現(xiàn)水域管理的信息化、智能化，從而滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

3.1.3 開展水質(zhì)監(jiān)測(cè)

關(guān)于水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)要求，無人機(jī)遙感系統(tǒng)可切換搭載多光譜成像儀、水質(zhì)采樣儀、夜視系統(tǒng)等模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)情況的全方位巡查監(jiān)測(cè)。目前的無人機(jī)多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀可短時(shí)間內(nèi)生成高清晰數(shù)據(jù)圖像和葉綠素、水體濁度、藍(lán)綠藻等多種檢測(cè)數(shù)據(jù)。另外，水污染事故發(fā)生后，無人機(jī)多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀可快速提供水體污染狀況變化情況，用于環(huán)保部門快速響應(yīng)和處置決策。

3.1.4 開展水利行政執(zhí)法

在水利行政執(zhí)法巡查中，無人機(jī)可以代替巡查人員定期對(duì)垃圾傾倒、河道采砂、非法占河等違法行為進(jìn)行巡查，輔助監(jiān)察提取位置和范圍等信息，顯著提高了巡查人員的巡查效率和針對(duì)相關(guān)違法案件證據(jù)收集工作效率。

3.1.5 拓寬監(jiān)測(cè)檢查范圍

部分水利工作內(nèi)容涉及的河流區(qū)域范圍廣、河段多，極端天氣巡視任務(wù)重，甚至部分險(xiǎn)情發(fā)生地區(qū)工作人員無法進(jìn)入。在各水文監(jiān)測(cè)、河道監(jiān)測(cè)點(diǎn)配備無人機(jī)航拍設(shè)備，可以利用無人機(jī)在河道沿線進(jìn)行低空定點(diǎn)巡航，以獲得大量高清晰、可解讀的復(fù)雜區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)，及時(shí)了解各地水庫(kù)庫(kù)區(qū)水域面積變化、淹沒范圍、泄洪沖擊范圍、河道變化走向及轄區(qū)內(nèi)水土流失情況。新冠肺炎疫情防控期間，車輛、人員均處于封閉隔離狀態(tài)，管理人員通過無人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行巡查管理，系統(tǒng)搭載的攝像設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸河道圖像，確保管理不缺位。

3.1.6 降低管理成本

傳統(tǒng)水利監(jiān)測(cè)管理主要依靠人工觀察、車船巡視、人力取證等方式，需安排專業(yè)人員，日常巡查所需車船、油料、設(shè)備、人力等投入較大。無人機(jī)遙感系統(tǒng)日常維護(hù)簡(jiǎn)單，人力投入較低，另外受特殊環(huán)境影響較小、適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)于灌區(qū)渠道巡查效率低等問題，使用無人機(jī)可以快速針對(duì)各干、支渠和水閘進(jìn)行檢測(cè)，減輕渠系維護(hù)人員巡查壓力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)渠系破損或淤積部分，提高渠系建筑物使用壽命和養(yǎng)護(hù)效率。

3.2 在災(zāi)害防治方面的應(yīng)用

無人機(jī)遙感技術(shù)在災(zāi)害防治領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，其特點(diǎn)是機(jī)動(dòng)性好、數(shù)據(jù)精度高、成本低、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)等，已廣泛應(yīng)用到許多領(lǐng)域，主要包括災(zāi)情監(jiān)測(cè)、高清數(shù)據(jù)采集、應(yīng)急指揮支持等。

3.2.1 災(zāi)情監(jiān)測(cè)和高清數(shù)據(jù)采集

無人機(jī)在防洪減災(zāi)領(lǐng)域可用于滑坡、山洪災(zāi)害、城市洪水、堤壩潰決、旱情監(jiān)測(cè)以及地震、滑坡等引發(fā)的堰塞湖等方面的監(jiān)測(cè)。早在2008—2009年黃河凌汛期間，利用無人機(jī)采集 CCD（Charge Coupled Device）高分辨率照片及視頻，進(jìn)行黃河寧蒙河段凌情監(jiān)測(cè)；在全國(guó)山洪災(zāi)害調(diào)查工作中，無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于獲取復(fù)雜山丘區(qū)小流域基礎(chǔ)信息資料；近年的無人機(jī)防汛應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)、無人機(jī)應(yīng)急指揮車、空中測(cè)驗(yàn)報(bào)汛平臺(tái)等，可在山洪或泥石流等災(zāi)害造成通信網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下，建立前線與后方移動(dòng)會(huì)商系統(tǒng)，為指揮決策提供支持[4]。在進(jìn)行防汛檢查時(shí)，無人機(jī)利用不受道路損壞、極端惡劣氣候的影響，可以第一時(shí)間到達(dá)需要檢測(cè)的區(qū)域進(jìn)行360°的巡察，利用相關(guān)技術(shù)將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞，最大程度地規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生。發(fā)生險(xiǎn)情后，無人機(jī)可以代替技術(shù)人員深入險(xiǎn)情地帶帶回最新信息，為應(yīng)急救援提供依據(jù)，還能更大程度地保障救援人員的安全。

3.2.2 應(yīng)急救援指揮

無人機(jī)可通過配備無線高音喇叭進(jìn)行高空巡航。在危險(xiǎn)區(qū)域循環(huán)播放預(yù)警音頻，疏散群眾，也可實(shí)時(shí)喊話，對(duì)被困人員進(jìn)行安撫。通過在無人機(jī)上掛載高空拋投器，根據(jù)實(shí)時(shí)傳輸回來的圖像確定投放位置后，通過手持遙控器對(duì)投物器進(jìn)行控制打開，將貨物（頭盔、急救包、救生衣、繩索等）準(zhǔn)確拋投到所需區(qū)域。

4 存在的不足

無人機(jī)遙感技術(shù)水利工程安全與災(zāi)害防治方面中主要存在以下幾個(gè)方面的問題：

1）缺少標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、規(guī)范，有一定技術(shù)門檻。在大力發(fā)展無人機(jī)應(yīng)用的同時(shí)，安全與秩序也擺在從業(yè)者的面前。目前，國(guó)家各部門沒出臺(tái)涉及無人機(jī)管理的具體法律和法規(guī)，各部門的規(guī)章制度也滯后于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但是，水利工程安全管理結(jié)合無人機(jī)遙感技術(shù)是趨勢(shì)所向，因此研究制定遵照國(guó)家現(xiàn)有法律法規(guī)、適合水利行業(yè)特點(diǎn)的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，是確保有序、安全、高效地發(fā)展水利無人機(jī)遙感技術(shù)的當(dāng)務(wù)之急。無人機(jī)技術(shù)發(fā)展快，在應(yīng)急監(jiān)測(cè)流程、硬件指標(biāo)等方面還未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，且利用無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集要求操作者具有一定的無人機(jī)操作技能，操作人員需要經(jīng)過培訓(xùn)，考試合格后方可上崗。

2）監(jiān)管方面需要完善。河湖資料為我國(guó)基本地質(zhì)資料，是國(guó)家信息資源安全的重要組成部分。無人機(jī)遙感系統(tǒng)的資料處理存儲(chǔ)為數(shù)字形式，在方便查詢管理的同時(shí)，也易造成當(dāng)?shù)睾雍Y料的外泄，存在一定公共安全風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)資料進(jìn)行妥善管理。

3）覆蓋面較小。在大風(fēng)或氣候條件惡劣等情況下，會(huì)造成數(shù)據(jù)精確度下降、巡航時(shí)間大大縮減。因此，亟需對(duì)此進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)，在提高無人機(jī)惡劣天氣適用性的同時(shí)簡(jiǎn)化無人機(jī)操作強(qiáng)度[5]。此外，無人機(jī)可以搭載多個(gè)攝像頭對(duì)基建設(shè)施和場(chǎng)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如何通過傳感器采集的數(shù)據(jù)擴(kuò)大無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也是現(xiàn)階段研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。

5 總結(jié)

隨著我國(guó)水利信息化水平的不斷提高，以無人機(jī)遙感技術(shù)為代表的新興技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到水利行業(yè)的方方面面，特別是在水利工程安全與災(zāi)害防治方面發(fā)揮了重大的作用，在應(yīng)急救援、水利行政執(zhí)法和水利工程建筑物日常維護(hù)等方面起到了舉足輕重的作用。因此，如何將無人機(jī)遙感技術(shù)與水利行業(yè)更好地結(jié)合，是科研人員值得進(jìn)一步研究和探討的內(nèi)容。