2022年遼寧省繞陽河潰口無人機應(yīng)急監(jiān)測分析

張蕓碩 關(guān)青松 宋文龍 劉宏潔

（1.遼寧省防汛抗旱保障中心，沈陽 110003；2.遼寧省河庫管理服務(wù)中心（遼寧省水文局），沈陽 110003；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；4.水利部遙感技術(shù)應(yīng)用中心，北京 100038）

0 引 言

2022年汛期，遼寧省共出現(xiàn)19次暴雨過程，平均降雨量672.4 mm，比常年同期多48.4%。其中，繞陽河杜家水文站持續(xù)超警戒水位達57 d，韓家杖子水文站、東白城子水文站均出現(xiàn)1951年有實測資料以來的最大洪水。8月1日，繞陽河左岸曙四聯(lián)段發(fā)生潰口險情，潰口寬度從20 m發(fā)展到52 m，通過應(yīng)急搶險隊伍晝夜努力，最終于8 月6 日18 時20分潰口成功合龍。

1 潰口搶險無人機應(yīng)用

（1）機型。執(zhí)行潰口險情監(jiān)測任務(wù)的無人機包括多旋翼無人機和垂直起降固定翼無人機。

（2）載荷無人機掛載載荷類型包括可見光相機和熱成像相機。

（3）執(zhí)行任務(wù)情況。經(jīng)過6 天5 夜搶險，繞陽河左岸曙四聯(lián)段潰口順利封堵。無人機在前線指揮調(diào)度和封堵作業(yè)中發(fā)揮了重要作用，無人機執(zhí)行任務(wù)情況如表1所示。

表1 無人機執(zhí)行任務(wù)情況表

2 無人機應(yīng)用分析

2.1 潰口應(yīng)急測量

2.1.1 圖像中心點距離差方法應(yīng)急測量

（1）現(xiàn)場環(huán)境情況。8月1—2日屬于潰口高速發(fā)展期，在2日白天，封堵應(yīng)急方案尚未確定的情況下，亟須潰口現(xiàn)場資料。8月2日16時，由于受淹區(qū)的水面高程超過潰口北岸原有的堤防高度，且水位在不斷上漲，對現(xiàn)場人員安全構(gòu)成威脅。因此無人機團隊車輛停留在距離潰口1 400 m左右的位置，徒步進場至距離北岸潰口600 m處的位置開展無人機航飛。由于現(xiàn)場無通信信號，給無人機航飛帶來一定困難，同時也造成無人機軟件中的地圖無法緩存顯示。潰口情況如圖1所示。

圖1 潰口情況

（2）測量情況。根據(jù)圖像中心點距離差方法，對潰口執(zhí)行應(yīng)急測量任務(wù)。根據(jù)無人機應(yīng)用程序顯示的高度和水平距離數(shù)據(jù)，利用直角三角形邊長公式測算出潰口距離差，最終估算出潰口長度。方法步驟如下：

第1 步：利用無人機鏡頭向下90°并利用遙控器平臺上的中心點顯示確定潰口兩端位置，同時記錄兩端距離。第2步：調(diào)整無人機角度，以潰口兩端確定點位做延長線，利用遙控器中的地圖中的輔助線確定直角點，記錄無人機距離。第3步：無人機返回，利用直角三角形邊長公式計算出潰口數(shù)量差，得出潰口距離。

（3）校核與成果分析。8月2日上午在條件尚可的情況下，另一只無人機隊伍通過無人機免像控應(yīng)急航測，得出潰口距離為38 m。8月2日下午，此項飛行任務(wù)最終估算出潰口距離為38.8 m，并提供給前方指揮部。

雖然有其他測量方法可以替代，比如利用無人機打點確定航測范圍、單張影像分析法等，但是由于潰口現(xiàn)場通信信號不穩(wěn)定、不能長時間停留等因素影響，故選用圖像中心點距離差方法進行測量。在測量過程中，需要通過無人機飛手的飛行經(jīng)驗和視覺確定，存在小范圍誤差，但此方法適用于所有無人機。因此在應(yīng)急情況下需要確定距離時，圖像中心點距離差方法可作為一種簡便的應(yīng)急測量手段使用。

2.1.2 免像控無人機應(yīng)急測量

（1）執(zhí)行任務(wù)機型及數(shù)量情況。機型：2 架大疆精靈4 RTK四旋翼無人機；1架大疆御2行業(yè)版四旋翼無人機。配件：10 塊精靈4 無人機電池，6 塊遙控器電池；5 塊大疆御2 電池；1 臺測繪合成及圖像工作站；1 臺電小二移動充電站（由于車輛無法進入現(xiàn)場，需要乘坐運輸石料工程車輛進入現(xiàn)場，不攜帶較大的移動充電站）。

（2）現(xiàn)場具體環(huán)境情況。8 月3 日，前方指揮部確定封堵方案，工程機械和運輸石料車輛從潰口兩端同時進場，拓寬堤頂?shù)缆罚? 月4 日，潰口下游進場封堵，下午直升機拋投5個沉箱；8月5日夜間，潰口上下游同時封堵，同時加高北側(cè)堤防高度；8 月6 日，封堵完成。潰口現(xiàn)場部署有聯(lián)通應(yīng)急便攜式衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi設(shè)備，無人機設(shè)備可以進行聯(lián)網(wǎng)。由于非工程車輛不能進入潰口作業(yè)現(xiàn)場，進入現(xiàn)場時需要結(jié)合步行和搭乘工程車輛的方式到達潰口附近。

（3）測量情況。基于成熟的無人機免像控測繪技術(shù)，對潰口進行測量。測量步驟如下：

下面根據(jù)式(20)仿真分析n、min{intervali} 、S對asp的影響.因為在入侵者單條入侵路徑上利用的脆弱性數(shù)量一般不超過10[16]，所以下文的分析中取n∈[2,10].圖5(a)中min{intervali}= 500τ,700τ,1000τ，S=1000，n=[2,10]；圖5(b)中S=100,1000,10000，n=5，min{intervali}=[10τ,50000τ]；圖5(c)中min{intervali}=100τ,150τ,200τ，n=5，S=[50,10000].

第1步：考慮現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差、無充電環(huán)境等因素，在上堤防前將無人機地圖進行緩存和導(dǎo)入。第2 步：綜合考慮電池攜帶量、航測效果、航飛任務(wù)等因素進行航線規(guī)劃（圖2），確定飛行范圍、飛行高度以及航測重疊度等。第3 步：除8月4日外，其他時間無人機均順利完成航飛任務(wù)。8月4日下午潰口現(xiàn)場風力達到6級以上，御系列無人機無法起飛執(zhí)行飛行任務(wù)，精靈4 RTK 不能正常原地自主起飛，2 架次起飛時都發(fā)生側(cè)翻，后調(diào)整起飛方式，在工程車輛背風側(cè)以手持的方式起飛和降落無人機。第4步：完成任務(wù)后，在現(xiàn)場對成果數(shù)據(jù)進行處理，利用測繪處理軟件得出潰口寬度和堤防內(nèi)外水位差等數(shù)據(jù)。

圖2 無人機航線規(guī)劃及拍照點

8月4日，無人機進行了兩次航測，共計獲取航測影像913 幅，平均飛行高度66 m，重疊度均為80%，覆蓋面積1.51萬m2，利用制圖軟件處理圖像時間為38 min。8月5日，經(jīng)過對前1 d 的航飛范圍和高度進行調(diào)整優(yōu)化，共計獲取航測影像221幅，平均飛行高度85 m，重疊度均為80%，覆蓋面積1.42萬m2，利用制圖軟件處理圖像時間為14 min。

（4）成果應(yīng)用。8 月4 日，無人機航測后得到進場作業(yè)前潰口寬度為50.95 m，堤防內(nèi)外水位高差為0.32 m，與新華社公布數(shù)據(jù)有差異，原因為新華社引用中國安能建設(shè)集團有限公司（以下簡稱安能集團）無人船測量數(shù)據(jù)，無人船搭載多波束雷達設(shè)備對潰口進行測量得出52 m；同時，測量方位和測量點不同造成潰口測量長度不同（圖3）。8 月5 日，測量潰口寬度為40.79 m，堤防內(nèi)外水位高差為0.03 m。潰口距離縮小了10.16 m。

圖3 8月4日測量成果

通過兩次無人機航測成果數(shù)據(jù)，得出綜合單側(cè)封堵施工進度為1 m/h。8月6日，根據(jù)安能集團上午6時報告潰口寬度還剩27 m和中午12時報告潰口寬度還剩18 m的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合封堵難度減少、雙向施工進度不斷增快等因素，推算封堵合龍時間為19時左右，最終合龍時間為18時20分。

2.2 夜間巡堤查險

（1）執(zhí)行任務(wù)機型及裝備數(shù)量情況。機型：1 架大疆御2 行業(yè)版四旋翼無人機；掛載：熱成像儀、可見光相機；配件：5塊大疆御2電池。

圖4 堤防熱成像與可見光成果對比圖

2.3 前線無人機航拍直播

（1）執(zhí)行任務(wù)機型及裝備數(shù)量情況。機型：1 架大疆御1 Pro 四旋翼無人機、1 架垂直起降固定翼無人機。配件：1 輛央視衛(wèi)星通信視頻轉(zhuǎn)播車，多屏幕顯示器，消防衛(wèi)星視頻轉(zhuǎn)播車，無人機信號中繼站。

（2）執(zhí)行任務(wù)情況。央視實時直播：多旋翼無人機作為拍攝機位之一，對堵口情況進行拍攝，獲取的影像面向全國觀眾直播。8 月6 日，專門拍攝潰口合龍的影像，并在各平臺進行實時網(wǎng)絡(luò)直播，直播時長近4 h，直播觀眾超過400萬人?，F(xiàn)場畫面實時回傳：前方指揮部距潰口直線距離15 km，為不影響前方潰口封堵施工，利用垂直起降固定翼無人機在潰口區(qū)域盤旋拍攝的方式進行航拍，隨時掌握潰口前方動態(tài)信息，前方指揮部可及時調(diào)整決策命令。

3 防汛應(yīng)急監(jiān)測無人機應(yīng)用建議

3.1 提高無人機使用率，選擇合適的機型及掛載

通過本次潰口封堵情況可知，雖然市縣級水利、應(yīng)急等部門已經(jīng)配備多架無人機，但是掛載單一，全部為可見光相機，并且只會執(zhí)行航拍任務(wù)。受到基層防汛工作人員少等因素影響，水利部門在應(yīng)急情況下難以抽調(diào)專人去執(zhí)行無人機航飛任務(wù)。

8 月1 日夜間至2 日凌晨，由于堤防不穩(wěn)定，人員全部撤離至安全地帶。因為使用的無人機缺乏夜間觀測能力，夜間視覺受到影響，無法準確評估潰口寬度，造成現(xiàn)場有兩種寬度說法。如果使用無人機掛載熱成像儀的方式，通過圖像中心點距離測量方法測量出潰口的大致寬度并觀察堤防周邊情況，可為指揮決策起到重要作用。同時，建議有關(guān)部門部署無人機時，考慮搭載差異化傳感器，使無人機可全天時執(zhí)行任務(wù)。

3.2 飛行安全及信息共享問題亟待解決

8 月2 日，應(yīng)急管理部門的2 架米171 救援直升機、翼龍空中應(yīng)急通信平臺無人機、2 架垂直起降固定翼無人機進場后，同區(qū)域多數(shù)量的航空飛行器相互之間造成巨大的飛行隱患。8月2日直升機執(zhí)行沉箱任務(wù)時，潰口上空一切前方指揮部部署的無人機都已停飛，如果不明情況的無人機在此上空飛行，將會對直升機安全造成嚴重威脅。8 月6 日，潰口合龍時，空中執(zhí)行任務(wù)的無人機更是多達10 余架，多部門在同一地點使用無人機，各自為戰(zhàn)，數(shù)據(jù)不能共享，此情況造成一定的安全隱患。

建議建立無人機信息共享機制，不同部門間密切配合，避免無人機的過度使用。同時，現(xiàn)有無人機制造商可開發(fā)空域提醒及強制避讓功能，降低航空器飛行風險。

3.3 無人機與衛(wèi)星遙感綜合使用

無人機相比傳統(tǒng)的測量和監(jiān)控手段更為高效，具有圖像成果清晰度高、使用方便、技術(shù)要求不高等優(yōu)勢，但是在緊急情況時，受到遙控距離、飛行高度、飛行速度等因素影響，無法利用無人機進行大范圍觀測。衛(wèi)星遙感動態(tài)監(jiān)測具有數(shù)據(jù)獲取范圍廣、數(shù)據(jù)成果豐富等優(yōu)點，也存在易受天氣影響、空間分辨率比無人機低等缺點。

建議無人機和衛(wèi)星遙感綜合使用，可以得到微觀具體和宏觀變化情況，獲取更全面的監(jiān)測成果數(shù)據(jù)。指揮部門可依托更翔實的信息、更準確的數(shù)據(jù)制定更科學(xué)的決策。

3.4 加強小型化、多功能化無人機研發(fā)

此次潰口險情監(jiān)測中，單人攜帶的裝備有2 架精靈4 RTK 無人機（用于航拍航測）、1架御2行業(yè)版無人機（用于夜間觀測）、15 塊無人機電池、1 臺圖像工作站（處理圖像）、4個背包、飲用水、食品等。在保證完成任務(wù)的情況下，最大程度精簡設(shè)備，但是攜帶物品總重量依然超過25 kg。又因距離潰口20 km處所有非工程車輛不能進入，平均每天單程徒步距離在5～10 km，搭乘至少3 輛工程車，耗時3～5 h才能到達潰口，完成任務(wù)后也需要同樣方式和耗時回到后方，極大地消耗了體力和精力。

所以有必要加強適用于極端汛情條件的無人機研發(fā)，減小無人機體積和重量，提高抗風能力，加強防塵防水性，豐富無人機功能，增長續(xù)航時間和遙控距離，兼容不同轉(zhuǎn)播平臺及設(shè)備。

4 討論與展望

無人機應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，成為各類險情監(jiān)測的重要手段，更是搶險指揮機構(gòu)獲取前方數(shù)據(jù)信息的重要來源。本文通過大疆精靈4 RTK、御系列等多種型號四旋翼無人機在盤錦市繞陽河曙四聯(lián)段堤防潰口險情的實際應(yīng)用，對搶險3個應(yīng)用場景進行了詳細闡述，說明了圖像中心點距離差方法測量和免像控無人機應(yīng)急測量的簡便方法，為前方指揮部提供測量數(shù)據(jù)；簡要介紹了如何在夜間使用無人機，為河道發(fā)生險情時無人機選擇掛載提供參考；充分說明了航拍直播中無人機的使用，考慮多旋翼無人機與垂直起降固定翼的差異化使用，在應(yīng)急環(huán)境下發(fā)揮出最大作用。

在未來應(yīng)急搶險監(jiān)測中，需要進一步加強數(shù)字孿生流域與智慧化相結(jié)合，結(jié)合多種前端感知手段，利用統(tǒng)一的空管平臺和監(jiān)測平臺，讓無人機應(yīng)急監(jiān)測更加簡單、方便、快捷，獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)更加準確、及時。