無人機(jī)在水利防汛和河湖治理方面的應(yīng)用

郭關(guān)山

（陜西江河水利工程維修養(yǎng)護(hù)有限公司,陜西 渭南 714100）

傳統(tǒng)模式下,在中小河流防汛和河湖治理中,往往依靠單一模式進(jìn)行實(shí)地探測(cè),受地形環(huán)境影響,部分地區(qū)階段性工作無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)看,開展實(shí)地探測(cè)消耗大量人力、財(cái)力物力。在防汛過程中,河湖流向掌握停留于局部,全面化、時(shí)效化、數(shù)字化信息同步不及時(shí),對(duì)工作開展造成一定影響。近年來,隨著社會(huì)科技水平的不斷提升,無人機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè),從發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)地效果來看,無人機(jī)操作性靈活、機(jī)動(dòng)范圍廣、不受地形地勢(shì)影響、監(jiān)看區(qū)域大等特點(diǎn),對(duì)水利防汛和河湖治理起到助推作用。在近兩年陜西省開展河湖明察暗訪過程中,無人機(jī)應(yīng)用對(duì)河湖問題查處、督查督辦、過程跟蹤、成效捕捉做出重要貢獻(xiàn)。雖然無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用便捷、成本低,但也要求操作使用者在工作過程中必須對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了解掌握,利用好無人機(jī)特性達(dá)到理想效果。

1 無人機(jī)基本技術(shù)概念和特點(diǎn)

無人機(jī)在水利行業(yè)如何實(shí)現(xiàn)空中數(shù)字化？在使用中,無人機(jī)利用GPS定位系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、紅外溫控模組、航攝飛行平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集模塊、存儲(chǔ)及緩存終端進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),通過無線電遙控裝置或者機(jī)載計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,利用云平臺(tái)實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù),打破地域限制,可指揮中心遠(yuǎn)程指導(dǎo),全盤布局。目前市面上民用無人機(jī)（固定翼、多旋翼）基本具備以上功能,部分品牌無人機(jī)可利用云平臺(tái)進(jìn)行高效存儲(chǔ)、地形構(gòu)建等操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的建設(shè)、管理和共享,為水利行業(yè)人員提供數(shù)據(jù)參考[1]。其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）具有較低的操作成本；（2）具備較高的拍攝及測(cè)量測(cè)繪精度；（3）具有較好的避障能力和安全靈活性；（4）具有較強(qiáng)的擴(kuò)展和兼容能力。

2 無人機(jī)技術(shù)在當(dāng)前水利行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

2.1 較高的時(shí)效性和性價(jià)比

相對(duì)于傳統(tǒng)巡河及河湖監(jiān)測(cè)手段,無人機(jī)優(yōu)勢(shì)在于可段時(shí)間高效完成作業(yè)任務(wù),且執(zhí)行成本低,重復(fù)使用率高,效率突出。一般民用無人機(jī)幾千元不等,即可實(shí)現(xiàn)高分辨率圖傳、越障礙飛行,搭載不同焦段鏡頭,可操作性更高。

2.2 安全性和靈活性更強(qiáng)

無人機(jī)同其他載人飛機(jī)、皮劃艇及復(fù)雜地形河勢(shì)資料收集相比,不需要指定降落地和起始點(diǎn),能夠第一時(shí)間快速響應(yīng)作業(yè)需要,觸達(dá)速度快,防水無人機(jī)在惡劣天氣也可執(zhí)行任務(wù)。受地形影像較小,降低人員風(fēng)險(xiǎn),提高業(yè)務(wù)應(yīng)用的安全性。

2.3 信息支撐能力和云計(jì)算能力突出

無人機(jī)借助各類傳感設(shè)施,實(shí)時(shí)傳回現(xiàn)場(chǎng)畫面,更可對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行全景標(biāo)注、二維、三維建模,比對(duì)河流前后發(fā)展情況,為水利防汛、河湖治理等指揮決策提供有效的數(shù)據(jù)支撐。工業(yè)級(jí)無人機(jī)利用AI測(cè)算,高效預(yù)估水情變化,為防汛人員提供數(shù)據(jù)參考[2]。

3 無人機(jī)在水利防汛和河湖治理的應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 巡河建圖,構(gòu)筑水資源空中數(shù)字化

面對(duì)河道、壩體等面積廣闊、地形復(fù)雜的水利巡查對(duì)象,巡護(hù)人員可以借助無人機(jī)（如經(jīng)緯M30系列）快速獲取態(tài)勢(shì)情況,記錄河道及灘區(qū)關(guān)鍵點(diǎn)位的全景信息,相比于傳統(tǒng)人巡作業(yè)方式,作業(yè)效率提升了三倍以上。同時(shí),無人機(jī)在夜間利用紅外相機(jī),可清晰獲取河道安全狀況,不僅效率成倍提升,人員安全也得到充分保障。無人機(jī)獲取的影像可借助云平臺(tái)進(jìn)行快速同步防汛指揮中心隨時(shí)隨地開展汛情研判?；诙S正射模型可以制作電子指戰(zhàn)圖,助力指揮中心合理部署應(yīng)急救援力量?；谌S實(shí)景模型,還可提前預(yù)判洪水沖擊方向、易受災(zāi)區(qū)域、測(cè)算圩堤內(nèi)外的水位差值、進(jìn)行淹沒分析等,協(xié)助風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,撤離路線標(biāo)注。更可利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)、經(jīng)緯定位、海拔地形信息構(gòu)建數(shù)字化水域岸線平臺(tái),為水利業(yè)務(wù)工作提供重要數(shù)據(jù)支撐。

3.2 水利防汛和應(yīng)急搶險(xiǎn)

在汛期,需要實(shí)時(shí)防范有無漫堤風(fēng)險(xiǎn),可運(yùn)用無人機(jī)在空中快速排查堤壩工程情況,檢查防汛物資是否完好,對(duì)比不同時(shí)期時(shí)段影像,高效處置險(xiǎn)情,一線巡查人員可2小時(shí)完成十多公里的灘區(qū)工程巡護(hù)任務(wù)。在汛情突發(fā)區(qū)域,無人機(jī)可以高效機(jī)動(dòng),靈活協(xié)助水文部門測(cè)量水體流速、流量,幫助評(píng)估汛情狀況,輔助防汛指揮決策。部分區(qū)域防汛工作時(shí)間長、面積廣,傳統(tǒng)人工徒步巡檢效率低,且存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn),無人機(jī)利用其輕巧便攜的特點(diǎn)能夠輕松應(yīng)對(duì)多區(qū)域轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)的場(chǎng)景,同時(shí),高質(zhì)量遠(yuǎn)距離圖傳也為抵近偵察、大范圍巡檢提供了技術(shù)支撐,從而實(shí)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處置。汛情期間,無人機(jī)還可快速建立重點(diǎn)區(qū)域二維正射影像,幫助防汛人員進(jìn)行前、中、后期汛情摸清比對(duì),配合衛(wèi)星搖桿影像監(jiān)測(cè)水利工程運(yùn)行情況及河勢(shì)變化。汛期經(jīng)常伴隨降雨,擁有IP55防水的無人機(jī)在雨天依然可以開展相關(guān)工作。在搜救過程中,作業(yè)人員可利用無人機(jī)精確研判、排查被困人員,利用牽引繩緊急跨河、跨江布放光纜,快速完成傳輸及基站任務(wù),第一時(shí)間幫助解救被困人員。汛情期間,水位持續(xù)上升,流速加快,對(duì)湖堤構(gòu)筑、土基等會(huì)產(chǎn)生較大沖擊,因此汛情期間對(duì)于堤壩的巡檢是十分重要的,相比傳統(tǒng)人工巡檢,無人機(jī)具備視角靈活、航速較快、全天候作業(yè)、航線復(fù)飛等優(yōu)勢(shì),能夠?qū)χ攸c(diǎn)區(qū)域進(jìn)行多次、多角度巡檢。

3.3 工業(yè)級(jí)無人機(jī)的應(yīng)急維修作業(yè)

伴隨著新媒體的推廣及5G、AI相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,無人機(jī)功能更加豐富、操作性能日益增強(qiáng)。伴隨著工業(yè)級(jí)無人機(jī)的出現(xiàn),為水利防汛應(yīng)急通訊保障帶來了新的策略思路。一方面,作業(yè)人員可利用無人機(jī),從空中更大范圍的對(duì)受損水文設(shè)施進(jìn)行巡檢和處理,這不僅能提升傳統(tǒng)維修效率和準(zhǔn)確度,更能降低對(duì)人力的依賴成本。參與防汛搜救的無人機(jī),具有長航時(shí)、遠(yuǎn)距離、大載量、大范圍高空巡查能力,可隨時(shí)應(yīng)對(duì)各類突發(fā)情況。部分工業(yè)級(jí)無人機(jī)具備對(duì)高海拔、高溫、嚴(yán)寒等惡劣天氣的應(yīng)對(duì)能力,進(jìn)一步擴(kuò)大了無人機(jī)水利防汛的應(yīng)用范圍。

3.4 協(xié)同搜救及隔空對(duì)話

無人機(jī)不受地面和水下障礙物的限制,降低了沖鋒舟搜索遇險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。在救援中,對(duì)于人力無法迅速到達(dá)救援的地方,利用無人機(jī)可攜帶救生設(shè)備或救災(zāi)物資,進(jìn)行可視投送,并可實(shí)時(shí)回傳圖像到指揮部,實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救災(zāi)物資或救援裝具的精確投放, 為被困人員爭取等待救援時(shí)間。在2023年8月上旬河北暴雨造成的城市內(nèi)澇、河流水位上漲、汛情危機(jī)時(shí)刻,無人機(jī)救援為人民群眾挽回生機(jī)。面臨內(nèi)澇嚴(yán)重的涿州市,城市路面受阻嚴(yán)重,通訊中斷,緊急救援隊(duì)伍及時(shí)運(yùn)用無人機(jī)在半空中搜索受困工作人員的詳細(xì)位置。在定位具體的受困工作人員的具體位置后,運(yùn)用無人機(jī)的高音喇叭將緊急救援的方式通知受困工作人員,并與受困工作人員深入開展即時(shí)隔空對(duì)話,這對(duì)快捷穩(wěn)定局勢(shì),撫慰受困工作人員的心情有良好意義。在夜間利用無人機(jī)搜救被困群眾時(shí),還可以搭載探照燈給救援人員進(jìn)行指引和輔助照明,不受地形的限制,提供移動(dòng)的光源；夜間發(fā)現(xiàn)管涌、潰堤等險(xiǎn)情時(shí),臨時(shí)搭建輸電線路效率低,特殊地區(qū)受地形限制,地面光源受限,可以利用無人機(jī)搭載照明設(shè)備為搶險(xiǎn)救援人員提供高空應(yīng)急光源。

3.5 河湖治理及動(dòng)態(tài)巡檢

河湖治理方面,可利用無人機(jī)進(jìn)行自動(dòng)河道巡檢,從傳統(tǒng)高成本低效率發(fā)展成高效智能化。自2018年來,水利部對(duì)河湖四亂問題開展集中整治,一批長期侵占破壞河湖問題得到徹底解決,被非法侵占破壞的水域岸線、灘地植被、生態(tài)環(huán)境逐步得到修復(fù),河湖行洪和蓄洪能力得到大幅提高,水環(huán)境、水資源、水生態(tài)狀況持續(xù)向好。2023年陜西評(píng)選出15條幸福河湖,生態(tài)文明建設(shè)成果突出,無人機(jī)的數(shù)據(jù)應(yīng)用起到一定作用。小組人員利用無人機(jī)對(duì)亂建（庵棚、臨時(shí)場(chǎng)地、違建房屋）、亂占（圍圩養(yǎng)殖、圍網(wǎng)養(yǎng)殖、阻水林木）、亂堆（建筑垃圾、傾倒淤泥）、亂采（違法采砂）可進(jìn)行自動(dòng)化取證、自動(dòng)化派發(fā)、自動(dòng)化上傳,遠(yuǎn)程控制拍照錄像,對(duì)取證記錄、飛行資料進(jìn)行留檔,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)決策。

3.6 山洪災(zāi)害評(píng)估調(diào)查

山洪災(zāi)害的調(diào)查研究對(duì)開展水域保護(hù)、生態(tài)治理具有重要的意義,以人工探測(cè)的方式,具有極大的局限性。以渭南市華州區(qū)為例,其南依秦嶺、北臨渭河,華州區(qū)南部地區(qū)受南山支流影響,山洪災(zāi)害高發(fā),每年汛期前后需開展多次的災(zāi)害評(píng)估和調(diào)查研究[3]。在此情況下,可利用無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng),完成對(duì)象區(qū)域的地形、地貌等地理信息的收集,利用大數(shù)據(jù)對(duì)比,快速評(píng)估災(zāi)害發(fā)生概率,對(duì)災(zāi)害應(yīng)對(duì)、受災(zāi)救援等工作提供高效的技術(shù)指導(dǎo)。

4 結(jié)語

綜上,無人機(jī)已在河湖巡查、漁政執(zhí)法、水利防汛、河道確權(quán)、山洪災(zāi)害探測(cè)、值守巡檢等方面得到廣泛應(yīng)用,且對(duì)比傳統(tǒng)技術(shù)具有較大優(yōu)勢(shì),在未來將和水利行業(yè)已有的業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)深度結(jié)合,嘗試應(yīng)用于極端天氣條件下的防災(zāi)減災(zāi)工作,守好綠水青山和生態(tài)文明,水資源空中數(shù)字化和無人機(jī)技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。