官廳水庫的數(shù)字孿生探索：無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

官廳水庫充分利用衛(wèi)星遙感等現(xiàn)代化技術(shù)手段，加快監(jiān)測感知體系建設(shè)，強(qiáng)化數(shù)字孿生水利建設(shè)。

官廳水庫作為中華人民共和國成立后興建的第一座大型水庫，在防洪、供水、灌溉等方面發(fā)揮了巨大作用。近年來，官廳水庫按照《水利部關(guān)于推進(jìn)水庫、水閘、蓄滯洪區(qū)運(yùn)行管理數(shù)字孿生的指導(dǎo)意見》要求，充分利用衛(wèi)星遙感等現(xiàn)代化技術(shù)手段，加快監(jiān)測感知體系建設(shè)，強(qiáng)化數(shù)字孿生水利建設(shè)。

無人機(jī)在官廳水庫應(yīng)用的必要性

監(jiān)測感知數(shù)據(jù)是構(gòu)建數(shù)字孿生水利體系的前提和基礎(chǔ)，而無人駕駛航空器（以下簡稱無人機(jī)）作為重要的監(jiān)測感知技術(shù)工具，在官廳水庫數(shù)字孿生系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用。通過無人機(jī)高精度定位、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸、智能分析等功能，官廳水庫形成了集水質(zhì)監(jiān)測、水位監(jiān)測、地形測繪與庫容管理、生物保護(hù)和生物多樣性監(jiān)測、執(zhí)法取證、應(yīng)急救援于一體的應(yīng)用體系，推動(dòng)數(shù)字孿生水利監(jiān)測感知體系向智能化模式發(fā)展。

無人機(jī)憑借其靈活性強(qiáng)、覆蓋范圍廣、作業(yè)成本低等優(yōu)勢，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。通過搭載高清視頻采集、AI智能分析、智能測流等傳感器和設(shè)備，結(jié)合地面控制站可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)無人化飛行、無人化管理、無人化分析的智慧巡航，實(shí)現(xiàn)對水庫及其周邊區(qū)域高精度、全方位的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。這些數(shù)據(jù)包括但不限于地形地貌、水質(zhì)參數(shù)、氣象條件、植被覆蓋等，為數(shù)字孿生系統(tǒng)提供了豐富的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和分析后，可以生成高精度的三維模型和虛擬場景，為水庫管理和流域治理提供了直觀的視覺化支持。

無人機(jī)技術(shù)的核心優(yōu)勢在于其高效的信息采集和實(shí)時(shí)傳輸能力。傳統(tǒng)的水庫巡檢方式需要投入大量人力和物力，不僅巡檢周期長、準(zhǔn)確性有限，還存在著較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。無人機(jī)則能夠迅速、全面地覆蓋巡檢區(qū)域，實(shí)現(xiàn)高清圖像和視頻資料的實(shí)時(shí)收集，大幅提升巡檢效率。這種高效的數(shù)據(jù)采集方式，使得水庫管理部門能夠及時(shí)了解水庫的運(yùn)行狀態(tài)，對潛在的安全隱患進(jìn)行快速響應(yīng)和及時(shí)處理。

此外，無人機(jī)在洪水調(diào)度和防洪搶險(xiǎn)方面也展現(xiàn)出了巨大的潛力。如官廳水庫遭遇特大暴雨時(shí)，無人機(jī)可作為空中“哨兵”，及時(shí)快速有效到達(dá)險(xiǎn)情處置現(xiàn)場，從空中把現(xiàn)場場景視頻實(shí)時(shí)傳送至指揮平臺(tái)。指揮決策部門能夠第一時(shí)間了解掌握搶護(hù)現(xiàn)場情況，對險(xiǎn)情進(jìn)行準(zhǔn)確判斷與快速處置，有效提高了防洪搶險(xiǎn)的反應(yīng)能力和突發(fā)事件的應(yīng)對能力。

無人機(jī)的優(yōu)勢還體現(xiàn)在其高精度的數(shù)據(jù)收集方面。無人機(jī)巡檢系統(tǒng)搭載的傳感器和相機(jī)可以提供高質(zhì)量、高精度的巡檢數(shù)據(jù)。通過圖像分析技術(shù)，可以獲取水庫水位、水質(zhì)、水庫結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息，為水庫的維護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理潛在的安全隱患，還能為水庫的調(diào)度和運(yùn)行提供精準(zhǔn)的決策支持。

無人機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

自動(dòng)巡檢技術(shù)。無人機(jī)自動(dòng)巡檢技術(shù)采用自動(dòng)駕駛儀、路徑規(guī)劃算法、視覺輔助定位等系統(tǒng)工程，可通過地面控制站對無人機(jī)下發(fā)指令，無人機(jī)自動(dòng)按照預(yù)設(shè)的時(shí)間、航線執(zhí)行飛行任務(wù)，過程中無需人工干預(yù)即可完成巡檢，大幅提升了巡檢自動(dòng)化水平和作業(yè)效率。

激光雷達(dá)技術(shù)。無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)基于激光測距原理，通過向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，并監(jiān)測脈沖反射狀態(tài)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行信號(hào)放大、濾波、計(jì)算等處理，將探測目標(biāo)距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維空間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對探測目標(biāo)位置、高度等空間形態(tài)信息的采集。

傾斜攝影技術(shù)。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)通過合理規(guī)劃飛行路線，從垂直方向和傾斜方向?qū)δ繕?biāo)物體進(jìn)行全方位航拍攝影，獲取目標(biāo)物體的表面紋理，并利用共線方程確定物體三維空間位置，最終形成高精度的三維模型。

高光譜成像技術(shù)。無人機(jī)高光譜成像技術(shù)通過高光譜成像儀進(jìn)行色散分解和光電轉(zhuǎn)換，獲取不同光譜波段圖像信息，從而精細(xì)分辨出目標(biāo)物的光譜特征。

多源數(shù)據(jù)處理技術(shù)。無人機(jī)多源數(shù)據(jù)處理技術(shù)通過多源數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合算法等技術(shù)手段，將光學(xué)影像、激光雷達(dá)、熱成像、高光譜等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)各類模型的空間信息和模型的融合處理，增強(qiáng)對目標(biāo)物體或場景的理解分析能力。

無人機(jī)在官廳水庫數(shù)字孿生中的具體應(yīng)用

通過搭載高分辨率相機(jī)和傳感器，無人機(jī)能夠?qū)崟r(shí)獲取水庫的水位、水質(zhì)、地形地貌等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對于評估水庫的安全狀況、預(yù)測洪水風(fēng)險(xiǎn)以及制定應(yīng)急預(yù)案具有重要意義。相比傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式，無人機(jī)監(jiān)測不僅提高了數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，還大大降低了人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

在水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用中，利用無人機(jī)搭載高光譜成像儀和水質(zhì)傳感器，每周在水庫范圍內(nèi)進(jìn)行1次航線飛行，實(shí)現(xiàn)大范圍水質(zhì)數(shù)據(jù)采集，達(dá)到快速水質(zhì)監(jiān)測的目的。其中，高光譜成像儀通過對不同波長的光進(jìn)行分析，可獲取水體中各種物質(zhì)的光譜特征，從而準(zhǔn)確判斷水質(zhì)的參數(shù)。多參數(shù)水質(zhì)傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測出水溫、酸堿度、溶解氧等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在實(shí)際飛行時(shí)，通過預(yù)先為無人機(jī)設(shè)定的飛行航線和航點(diǎn)動(dòng)作，無人機(jī)上的高光譜成像儀和水質(zhì)傳感器會(huì)持續(xù)工作，收集大量原始數(shù)據(jù)，并通過無線通信實(shí)時(shí)回傳到地面控制站。在數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用環(huán)節(jié)，經(jīng)過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和清洗，去除異常值和干擾信息后，通過數(shù)據(jù)分析算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯和分析，進(jìn)而形成第一手水體數(shù)據(jù)空間分布信息，例如水體富營養(yǎng)化分布圖、黑臭水體分布圖等。

在水位監(jiān)測應(yīng)用中，無人機(jī)在監(jiān)測水位點(diǎn)之上懸停，通過搭載的激光雷達(dá)精確測量無人機(jī)與水面之間的距離，從而計(jì)算出水位的高度，測量精度在正負(fù)2毫米以內(nèi)。在雨季多發(fā)的汛期，水庫水位變化迅速，一般每天進(jìn)行1一3次無人機(jī)水位測量，非汛期水位相對穩(wěn)定，每周進(jìn)行2次測量。與傳統(tǒng)的水位監(jiān)測方法相比，無人機(jī)配合激光雷達(dá)的方式具有更高的精度和更廣的監(jiān)測范圍。

在地形測繪與庫容管理應(yīng)用中，利用無人機(jī)搭載高精度GPS系統(tǒng)和激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，快速獲取水庫及周邊區(qū)域的三維地形數(shù)據(jù)，進(jìn)而建模生成與實(shí)體水庫一一對應(yīng)的虛擬三維模型、數(shù)字高程模型等數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對水庫運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和模擬仿真。不僅能準(zhǔn)確反映水庫的地形地貌、水文水質(zhì)等關(guān)鍵信息，而且能為水庫的防洪調(diào)度、水資源管理、生態(tài)保護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)，有助于精確計(jì)算水庫庫容，監(jiān)測水位變化，為洪水預(yù)警、蓄洪調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，地形測繪數(shù)據(jù)還能用于分析水庫岸線變遷、泥沙淤積等情況，為水庫的維護(hù)和管理提供決策支持。

官廳水庫不僅是重要的水源地，也是生物多樣性的寶庫。無人機(jī)在官廳水庫生態(tài)保護(hù)方面的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在對水庫周邊生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測和保護(hù)上。通過無人機(jī)搭載的多光譜相機(jī)、高清攝像頭，以每月1次的頻率采集生態(tài)數(shù)據(jù)。通過多源數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對植被覆蓋、土壤濕度、珍稀鳥類活動(dòng)范圍和數(shù)量、水生植物種植和生長情況的統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測，為生物多樣性評估和生態(tài)保護(hù)措施的制訂提供依據(jù)。通過定期監(jiān)測水庫周邊的生態(tài)環(huán)境和生物多樣性，無人機(jī)可以為制訂科學(xué)合理的環(huán)保政策提供數(shù)據(jù)支持。

官廳水庫流域面積廣闊，地形復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工巡查方式耗時(shí)費(fèi)力且難以覆蓋所有區(qū)域。無人機(jī)具備高空視野廣、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，能夠克服地形和環(huán)境的限制，迅速發(fā)現(xiàn)并鎖定違法行為，為執(zhí)法人員提供準(zhǔn)確的定位信息。通過無人機(jī)搭載的多傳感器相機(jī)，可以對水庫周邊的非法排污口、“四亂”行為、非法捕撈和破壞水源等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和拍照取證。無人機(jī)每次全面巡檢可采集超過1000張高清照片數(shù)據(jù)，并可將畫面實(shí)時(shí)傳輸回監(jiān)控中心，監(jiān)控人員一旦發(fā)現(xiàn)可疑情況，可立即前往處理，提高了執(zhí)法取證的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

此外，官廳水庫作為重要的水利設(shè)施，在防洪、供水等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，一旦突發(fā)災(zāi)害或緊急情況，如洪水、火災(zāi)、人員溺水等，無人機(jī)憑借其靈活機(jī)動(dòng)、高效作業(yè)的優(yōu)勢，從接收指令到起飛出動(dòng)僅需90秒，并能夠在災(zāi)前、災(zāi)害發(fā)生時(shí)、災(zāi)后全過程為應(yīng)急救援工作提供有力支持。在災(zāi)前，無人機(jī)通過每周1次對隱患位置進(jìn)行常規(guī)巡檢，可提前發(fā)現(xiàn)可能存在的堤壩隱患、決口風(fēng)險(xiǎn)、人員逗留風(fēng)險(xiǎn)、煙霧火情等，有助于及時(shí)采取措施消除隱患。在災(zāi)害發(fā)生時(shí)，無人機(jī)可以迅速出動(dòng)展開偵察工作，例如獲取洪水發(fā)生時(shí)實(shí)時(shí)的洪水水位、水流速度、淹沒范圍等關(guān)鍵信息，獲取火災(zāi)區(qū)域現(xiàn)場情況及火點(diǎn)位置，在人員溺水的緊急情況出現(xiàn)時(shí)，無人機(jī)能夠迅速抵達(dá)事發(fā)地點(diǎn)，利用熱成像攝像頭在復(fù)雜的水面環(huán)境中快速定位溺水者的位置，并通過配備的喊話設(shè)備向溺水者發(fā)出安撫和指導(dǎo)的聲音。

在災(zāi)后，無人機(jī)還可以快速收集災(zāi)情數(shù)據(jù)，輔助受災(zāi)情況評估工作。

無人機(jī)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

無人機(jī)技術(shù)在官廳水庫管理中的應(yīng)用前景廣闊，其在水質(zhì)監(jiān)測、地形測繪、生態(tài)保護(hù)及應(yīng)急響應(yīng)等方面的應(yīng)用，為水庫的智能化管理提供了有力支持。但同時(shí)也面臨著一些挑戰(zhàn)，如續(xù)航時(shí)間短、數(shù)據(jù)處理等問題，限制了其在某些復(fù)雜場景下的應(yīng)用效果。此外，無人機(jī)飛行安全、隱私保護(hù)等問題也需要引起關(guān)注。

在技術(shù)研發(fā)方面，無人機(jī)的飛行控制、導(dǎo)航定位、傳感器技術(shù)及能源供應(yīng)等仍需要不斷創(chuàng)新與突破。當(dāng)前的傳感器技術(shù)在精度、范圍和可靠性方面仍存在著一定的局限性，如光學(xué)傳感器在惡劣天氣條件下性能下降、雷達(dá)傳感器可能受到電子干擾等。此外，能源供應(yīng)也是限制無人機(jī)作業(yè)能力的一個(gè)重要因素。

在數(shù)據(jù)融合方面，無人機(jī)采集的包括圖像、視頻、地形測量等數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行有效的整合和分析，以形成對水庫環(huán)境的全面認(rèn)知。然而，當(dāng)前的數(shù)據(jù)融合技術(shù)尚不完善，不同來源、不同格式的數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)無縫對接和高效處理。這導(dǎo)致無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中難以充分發(fā)揮其價(jià)值。

在政策法規(guī)方面，一方面，無人機(jī)在水庫上空飛行需要遵守相關(guān)的航空法規(guī)和安全規(guī)定，以確保飛行安全；另一方面，無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)涉及水庫的敏感信息，需要遵守相關(guān)的數(shù)據(jù)保護(hù)和隱私法規(guī)。然而，當(dāng)前的政策法規(guī)體系尚不完善，對于無人機(jī)在水庫監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用缺乏明確的規(guī)定和指導(dǎo)。

總體來說，無人機(jī)在官廳水庫數(shù)字孿生中的應(yīng)用探索具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。它不僅為水庫管理和流域治理提供了先進(jìn)的技術(shù)手段和解決方案，還為推動(dòng)官廳水庫水利高質(zhì)量發(fā)展、2035年恢復(fù)飲用水源、保障永定河流域水安全提供了有力支撐。通過在官廳水庫應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)，有助于推動(dòng)水利工程巡查監(jiān)測、防汛救災(zāi)和應(yīng)急響應(yīng)等方面的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，也為其他水庫管理單位提供了一定的參考和借鑒作用。

（作者單位：北京市官廳水庫管理處）