無人機技術(shù)在防汛減災工作中的應用淺析

張學琴，徐海濤

（章丘黃河河務局，山東 濟南 250200）

近年來，無人機技術(shù)的發(fā)展與完善給黃河防汛減災工作提供了一種更為高效與精準的技術(shù)支撐。在實際應用中，無人機技術(shù)能夠克服天氣與交通等不利因素，高效完成數(shù)據(jù)的準確采集和實時傳輸。同時還能彌補傳統(tǒng)防汛察險工作成本高、效率低、消耗大、精度差等缺點，具有較高的應用前景與實用價值[1-3]。

1 無人機技術(shù)特點

1.1 無人機簡介

無人機又稱無人駕駛飛機，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱，或者由車載計算機完全地或間歇地自主操作的不載人飛機。其組成包括飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、機體、電源系統(tǒng)及發(fā)射/回收系統(tǒng)5 部分。飛行控制系統(tǒng)主要用來控制無人機的飛行姿態(tài)與航跡；數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)對遙控指令進行準確地傳輸，以保證控制人員與無人機系統(tǒng)之間進行及時有效的傳遞信息；發(fā)射/回收系統(tǒng)保證無人機順利達到指定的安全高度，并在航拍結(jié)束后安全地回落到預設地點[1-2]，從而實現(xiàn)無人機系統(tǒng)的連續(xù)重復使用；電源系統(tǒng)主要用來為無人機提供穩(wěn)定的電能。按照外形結(jié)構(gòu)的不同，無人機一般分為無人直升機、無人多旋翼飛行器及無人固定翼機3 種。無人多旋翼飛行器具有操作平穩(wěn)、對場地要求低等優(yōu)勢，在黃河防汛減災工作中得到了較為廣泛的應用。

1.2 無人機技術(shù)的主要特點

1）測量精度高。無人機作為低空飛行器，其飛行高度約為30～500 m。無人機飛行拍攝的測量精度為亞米級，精度范圍為0.1～0.5 m，符合防汛減災工作的技術(shù)要求。

2）應用成本低，操作靈活性強。無人機所攜帶的攝影設備價格較低，可以降低工作成本。無人機在飛行過程中受到空間限制與天氣狀況的影響一般較小，并且對于起飛場地沒有特殊的要求，在使用過程中具有較強的操作靈活性。

3）實時性和安全性。無人機飛行過程中可將獲取的數(shù)據(jù)信息實時地傳遞到防汛指揮中心，以便于防汛指揮部門及時作出決策。在天氣及地質(zhì)條件惡劣的環(huán)境下，人工測量往往存在一定的危險，而無人機能夠有效地進行規(guī)避，從而能夠直接獲取影像資料。

4）圖像分辨效率高，圖形可多角度合成。無人機遙感航拍使用的數(shù)碼成像設備是經(jīng)過改裝的CCD 數(shù)字相機，該成像設備可以獲取高分辨率的實時地面影像圖形。高分辨率的航拍影像可以解決遙感衛(wèi)星的拍攝盲區(qū)，以及由于云層厚度大所造成的無法獲取數(shù)據(jù)等諸多困難。對于較為廣闊的航拍區(qū)域，無人機可以進行多角度拍攝，并將相關(guān)的局部圖片采用720°合成技術(shù)進行全景的整體檢測。

5）覆蓋范圍廣。無人機在人為控制操作的基礎之上，可以利用人造衛(wèi)星對無人機進行輔助控制，從而極大地提高無人機飛行測量的整體覆蓋范圍。

2 在黃河防汛減災工作中的應用

無人機技術(shù)目前主要應用于航拍黃河地形、觀測黃河源區(qū)生態(tài)景觀、監(jiān)測黃河凌情以及查勘黃河河勢等方面。

2.1 航攝黃河地形

2015 年7 月2 日，利用德國天狼星無人機對黃河開封段的趙口水文站區(qū)域進行了15 余架次的低空航攝，拍攝區(qū)域面積約為1.81 km2，飛行總時間約為6 h。結(jié)果表明，利用天狼星無人機航攝技術(shù)所得到的黃河地形數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，其理論精度和實際精度基本一致。同時，在數(shù)據(jù)后處理過程中有控制點參與的控制網(wǎng)內(nèi)部精度值明顯高于控制網(wǎng)外部的精度值。

2.2 觀測黃河源區(qū)生態(tài)景觀

2010 年10 月，結(jié)合高空數(shù)字影像采集技術(shù)，應用國產(chǎn)神龍260 電動直升型無人機和數(shù)碼攝像機，對青海省貴南縣境內(nèi)的沙漠地貌、四川省唐克縣境內(nèi)的九曲黃河第一灣以及青海省澤庫縣境內(nèi)的草場等區(qū)域分別進行了20 余架次的超低空航空觀測，觀測到了黃河源區(qū)沙丘形態(tài)、黃河沙草生態(tài)交錯帶、草場鈣化殼及黃河沙洲的圖像[1、4]。無人機的應用為深入研究和解決黃河源區(qū)面臨的地貌學和生態(tài)學問題開辟了新的技術(shù)途徑，并且也為黃河上游地區(qū)的防災減災工作提供了評價依據(jù)。

2.3 監(jiān)測黃河凌情

2009 年3 月，利用固定翼Sky-01C 型無人機在內(nèi)蒙古杭錦旗至達拉特旗河段的包西鐵路橋、獨貴鎮(zhèn)和新華村等3 處場地進行了20 余架次的監(jiān)測飛行。2011 年3 月，利用單旋翼Z-3 型無人機在內(nèi)蒙古三湖河口至包頭河段區(qū)域進行了16 余架次的監(jiān)測飛行。2016 年3 月，利用旋翼式大疆Inspire 1 型無人機在內(nèi)蒙古三湖河口至頭道拐河段進行了25 余架次的凌情巡測飛行[1、3]。結(jié)果表明，利用無人機技術(shù)能夠較為準確、全面的獲得黃河凌情圖像數(shù)據(jù)，為黃河凌汛的精確預測預報，確保黃河防凌安全發(fā)揮積極的作用。

2.4 查勘黃河河勢

2017 年10 月，章丘黃河河務局利用無人機對重點河段河勢和工程現(xiàn)狀進行了5 個架次的低空和超低空觀測，并全航程攝錄，順利完成了2017 年汛末河勢查勘工作。此次利用無人機查勘重點河勢及工程情況，將視角由原來的地面轉(zhuǎn)向低空，工作人員在地面遙控指揮并實時查看拍攝影像，根據(jù)需要靈活調(diào)整場景、角度，獲取了河勢、工程等目標區(qū)域全方位的影像資料。無人機航拍實時圖像更清晰顯示出觀測河段灘岸平面沖刷和淤積狀況。通過截取圖像，還可對不同時期觀測圖像進行對比，分析河道平面沖淤變化，研究河道演變規(guī)律。

3 應用展望

3.1 實時數(shù)據(jù)采集

無人機的攜帶較為方便，工作人員可以在安全區(qū)域內(nèi)操控其飛行姿勢，并且對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行實時的采集和監(jiān)控。無人機的使用在一定程度上降低監(jiān)測人員的工作難度，提高防汛搶險中的人身安全保障。遇到洪水險情時，可克服不利的交通因素，快速到達出險地的上空區(qū)域，實時傳遞多角度的影像信息和險情發(fā)展情況，為黃河防汛減災決策提供及時準確的數(shù)據(jù)信息。

3.2 防汛指揮調(diào)度

災情評估是防洪決策的重要組成部分，需要采用多種渠道對洪水災害進行準確評估。無人機技術(shù)以應急搶險通信作為支撐，可以快速展開工作，并且不受地域和時空的各種限制。無人機的配套設施易于架設，而且適用于重點水庫、閘壩和行蓄洪區(qū)等防護工程的指揮調(diào)度，使決策者可以實時查看指定點的洪水變化與災區(qū)動態(tài)的監(jiān)控視頻，分析洪水的水位以及流動范圍等信息，便于及時作出正確決策。

3.3 巡堤查險

應用無人機的低空多角度拍攝技術(shù)可以有效減少人工巡堤查險工作強度。巡查中一旦發(fā)現(xiàn)險情，可進行重點觀測，實時反饋險情的動態(tài)情況，及時發(fā)現(xiàn)險情并采集數(shù)據(jù)，為控制險情確保工程安全爭取寶貴的時間。

3.4 黃河下游灘區(qū)和蓄滯洪區(qū)通信預警

黃河下游灘區(qū)和兩岸的蓄滯洪區(qū)內(nèi)因歷史原因居住著大量人口，灘區(qū)和蓄滯洪區(qū)的運用需要將其中的群眾遷移至安全地帶安置，運用前需要對區(qū)內(nèi)群眾發(fā)布預警。結(jié)合無線區(qū)域組網(wǎng)，無人機系統(tǒng)可以向灘區(qū)和蓄洪區(qū)發(fā)布防汛預警，使蓄洪區(qū)群眾及時地了解汛情發(fā)展，及時做好遷移準備。同時，蓄洪區(qū)的汛情和群眾撤離情況可以通過無人機系統(tǒng)及時地上傳到有關(guān)部門，以便對蓄洪區(qū)內(nèi)的防汛形勢做出正確地分析與判斷。

3.5 搶險救援

發(fā)生洪水災情時，可以采用無人機運輸急救援包、救生衣及藥品等救援物資，為災區(qū)救援提供保障。當在陡峭的峽谷、急流的河段等區(qū)域開展救援工作時，無人機可以搭載救援拋繩器直接營救洪水中的被困人員，大大縮短救援時間，提高救援效率。無人機還可以掛載熱成像相機，對失蹤人員或潛在的生命跡象進行熱源跟蹤，開展連續(xù)的人員搜救任務，為救援搜索工作提供極大的便利。

4 結(jié) 語

無人機技術(shù)的引入為黃河防汛減災工作提供了一種便捷高效的技術(shù)支撐，在一定程度上彌補了黃河防汛減災工作作業(yè)周期長、人力消耗大以及時效性差等缺陷，相比于傳統(tǒng)的觀測技術(shù)具有廣闊的應用前景和實用價值。無人機技術(shù)可以在實時數(shù)據(jù)采集、防汛指揮調(diào)度、巡堤察險、行蓄洪區(qū)通信預警及搶險救援等多項防汛工作中廣泛應用，將為創(chuàng)新防汛工作方式和提高防汛工作效率發(fā)揮更大的作用。