無人機技術在水利領域應用的探討

牛君瑜，孫超江

（1．中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2．水利部海河水利委員會，天津 300170）

無人機是通過地面遠距離無線遙控和機載計算機程控系統進行操控的不載人飛行器，具有設計結構簡單、飛行靈活、運行成本低等特點。既可完成有人駕駛飛機的飛行任務，也能完成有人飛機不易執行的特殊環境下的飛行任務，如抗洪搶險、森林防火、地質災害等特定危險區域的救災、應急搶險、現場勘查以及空中救援指揮等。

1 無人機的發展

無人機最早出現在20世紀初，當時無人機的研制和應用主要用于軍事演習的空中目標靶機，應用范圍主要是在作戰演習和軍事偵察方面。后來隨著無線電通信、遙測、遙控技術以及計算機應用技術的不斷發展和應用，無人機技術得以快速發展和成熟，并逐漸開始用于民用項目中。從20世紀80年代以來，隨著通信和計算機應用技術迅速發展以及各種新型高精度探測傳感器的面世，無人機的飛行和機動性能以及應用水平得以大大提高，其應用的領域也越來越寬。到目前為止，全世界范圍內已有上百種類型和用途的無人機在軍事和民用領域投入運行使用。一般無人機的續航能力可由數小時到數十個小時，執行任務的載荷能力可多達幾百千克。這樣使得無人機具備了完成長時間、大范圍空中遙感和地面監測的飛行任務的能力。同時，也為其搭載多種用途的傳感器和執行多種飛行任務創造了有利條件，拓展了無人機的應用領域。

2 無人機基本組成

無人機主要由機體、飛控系統、數據鏈系統、發射回收系統、電源系統等部分組成，通過地面遙控完成空中飛行目標任務。

無人機機體一般分為固定翼型無人機、螺旋槳無人直升機兩大類。固定翼型無人機起飛和降落時，都必須在動力系統的作用下通過滑行跑道來完成。遙控和程控飛行均容易實現，機上可同時搭載多種遙感傳感器，同時完成多種飛行目標任務。但要求有合適的飛行跑道，起降需要比較空曠的場地。所以，無人機在水利管理領域的抗洪搶險、水資源調度、蓄滯洪區的管理和其他如林業、礦山資源、海洋環境、土地利用以及污染源監測方面都有著廣泛的應用。

無人機飛控系統又稱為飛行管理與控制系統，相當于無人機系統的“大腦”部分，對其飛行的穩定性、地空數據傳輸的可靠性、飛控精度、實時性等飛行性能起決定性的作用。

數據鏈系統完成地面遙控指令的準確下達及無人機對信息的實時接收和發送，以保證信息反饋的及時有效性。

發射回收系統保證無人機順利升空達到安全的高度和速度飛行，并在執行完任務后安全著陸返回地面。

無人駕駛直升機的技術優勢是能夠定點起飛、降落，對起降場地的條件要求不高，其飛行可通過無線遙控或機載計算機程控完成。但無人駕駛直升機的結構相對來說比較復雜，操控難度也較大，所以機型較少。主要應用于突發事件的調查，如山體滑坡勘查、火山環境監測等領域。

無人機作為空中信息采集傳輸的工作平臺，通過遙感傳感器獲取信息，由計算機對圖像等遙感信息進行處理，并按照一定精度要求制作成圖像文件。

3 無人機的應用特點

無人機遙感航空技術以低速無人駕駛飛機為空中遙感平臺，用彩色、黑白、紅外等攝像技術拍攝地面影像數據，通過計算機對圖像信息進行加工處理。全系統在設計和最優化組合方面具有突出的特點，它是集飛行、遙感、遙測、遙控技術與計算機應用技術的新型綜合應用技術。

目前的無人機遙感系統多使用光電或紅外傳感器，如光學照相機、熱成像儀等。光電設備如高精度小型數字相機等作為機載遙感設備。在執行飛行任務時，通過地面或機上的計算機控制和圖像處理系統對其遙感影像以及相機定標參數、拍攝或掃描時的姿態控制數據進行校正，由相應的軟件系統進行交互式的處理，或通過影像自動識別和快速拼接軟件實現遙感影像質量的檢查和數據信息的處理，從而滿足整個遙感信息數據實時和快速處理的技術要求。

無人機遙感航空技術主要有以下特點：

3.1 精度高

無人機在民用領域中通常為低空飛行，飛行高度在50～1 000 m左右，屬于近景航空攝影測量，這樣的測量精度達到了亞米級，其精度范圍在0.1～0.5 m。但是，這樣的飛行對地面遙控操作有相當高的要求。所以，建議進一步研究提高無人機的飛控系統的性能，使其能夠實時自動探測飛行高度以及周圍障礙物情況，在機載程序控制下能夠自主飛行。

3.2 實時性和低成本

無人機具有靈活機動的特點，受空中管制和氣候的影響較小。無人機一般在云層下面作業，受天氣影響小，且飛行設備和攝影設備比較便宜。

3.3 靈活和安全性

不要求專用起降場地，升空準備時間短、操作控制較容易；能夠在惡劣環境下直接進行獲取影像作業，即便是系統設備出現故障也可最大限度地避免人身傷害。

3.4 多角度拍攝和高分辨率

無人機通過攜帶的高精度數碼成像設備獲取地面影像。并且由于無人機的靈活性，又具備了垂直或傾斜攝影的技術能力。不但能進行豎直拍攝獲取平面影像，對于地上建筑物復雜的區域還能低空多角度攝影獲取建筑物多面高分辨率紋理影像，這有效地解決了在衛星遙感和普通航空攝影獲取城區地面影像時遇到的高層建筑遮擋的問題。

4 無人機在水利行業的應用

無人機在水利行業的防洪搶險、水文水資源監測、水土保持監測等方面有著更為廣泛的應用前景。在日常防汛檢查中，可以立體地查看水利工程、水庫庫區的地形地貌、河道及堤防險工險段、蓄滯洪區的地形環境等。尤其在遇到洪水險情的情況下，可克服交通不便等不利因素，及時趕到出險空域，監視險情發展，實時傳遞現場影像數據等信息，為搶險指揮決策提供準確可靠的實時信息。

通過無人機的航空遙感技術來獲取空間或地面的各類數據信息，具有機動靈活、續航時間長、影像數據實時性強以及對于高危險區域可進行實時現場探測等一系列優點，有效地彌補了衛星遙感或有人駕駛飛機航空遙感作業的局限和不足。在水利管理領域尤其是在防洪搶險以及抗旱減災中,這一獨特的優勢將得到普及應用和發展。同時，無人機運輸攜帶方便，其長時間的續航能力和遠距離的遙控技術，可最大限度地滿足防洪搶險、蓄滯洪區運用等水利管理的一些特殊環境下的需要。在需要實時了解運用的蓄滯洪區范圍或是干旱區域面積時，使用無人機可非常有效地完成監測任務。比如，2009年長江中下游地區湖北、湖南、江西、安徽、江蘇五省正面臨著嚴重的旱情，全國耕地受旱面積達7萬km2，而這五省就占了40%以上。洪湖濕地自然保護區管理局粗略統計，洪湖水面約為353 km2，由于持續干旱，當時有水面積已不足267 km2，1/4的湖區干裂。旱情嚴重地困擾著防汛抗旱各級領導部門，急需全面及時地了解情況。在這樣特殊而緊迫的情況下，除衛星遙測外，無人機系統無疑是最佳的選擇。

中國河流眾多，水資源豐富，對國民經濟發展與人民財產安全影響重大，利用無人機獨特的技術特點和優勢，不但能隨時掌握水利管理區域的情況和基礎數據，為水利管理和執法提供依據；而且在處理應急災害情況下，可以全面及時地了解和掌握實時水情信息及災害情況，為進行正確決策提供可靠的依據。

我國是世界上水土流失比較嚴重的國家之一，進行水土保持監測和普查是一項十分艱巨而重要的基礎性工作，無人機遙感系統可完成對水土流失的成因、強度、影響范圍及其防治成效等的實時動態監測。主要包括：區域地形地貌、自然植被、氣候條件等；工程項目挖填取棄土量，建設項目水土流失對周邊及下游環境造成的影響等。運用傳統的方法需要大量的人力、物力和時間，而利用無人機系統可迅速掌握情況，減少人員工作量，縮短巡檢周期，大大提高信息的實時性和準確性。

5 結語

隨著我國水利現代化建設的不斷發展和進步，怎樣加快水利信息化建設，有力支撐水利規劃、建設、監測和管理等各項工作，特別是應對頻繁發生的水澇干旱、森林火災、冬雨冬雪等災害影響，已成為擺在我們面前的重要問題。無人機系統的機動靈活、續航時間長、視頻影像的實時傳輸和不受地形地貌等區域環境影響的優勢和特點，使無人機系統在水利管理領域中有更加廣泛的應用前景。

[1]魏瑞軒，李學仁.無人機系統及作戰使用[M].北京：國防工業出版社，2009.

[2]沈懷榮.無人機氣象探測技術[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3]全國勘察設計注冊工程師水利水電工程專業管理委員會，中國水利水電勘測設計協會.水利水電工程專業基礎知識[M].鄭州：黃河水利出版社，2007.