黃河寧蒙河段凌情無人機(jī)監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

袁秀忠 王平娃 孫蓮蓮 李欣慶

（1.黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州 450004；2.黃河水利委員會(huì)寧蒙水文水資源局，內(nèi)蒙古 包頭 014030；3.淄博市黃河工程局，山東 淄博 255000）

黃河寧蒙河段凌情無人機(jī)監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

袁秀忠1王平娃2孫蓮蓮3李欣慶1

（1.黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州 450004；2.黃河水利委員會(huì)寧蒙水文水資源局，內(nèi)蒙古 包頭 014030；3.淄博市黃河工程局，山東 淄博 255000）

自2009年凌汛以來，結(jié)合凌情無人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分的實(shí)際需求，在寧蒙河段分別利用固定翼、單旋翼、多旋翼等無人機(jī)先后進(jìn)行了多次凌情監(jiān)測(cè)實(shí)踐，試驗(yàn)研究了無人機(jī)在凌情監(jiān)測(cè)中的適用性，分析了不同機(jī)型的優(yōu)缺點(diǎn)。基于應(yīng)用研究成果，提出黃河凌情無人機(jī)監(jiān)測(cè)方案。

凌情監(jiān)測(cè)；無人機(jī)；固定翼無人機(jī)；單旋翼無人機(jī)；多旋翼無人機(jī)

寧蒙河段屬于黃河上游，河段全長(zhǎng)1 217km，凌汛期從11月流凌封凍，次年3月中下旬解凍開河，封凍天數(shù)多年均值為117d，最低氣溫達(dá)-34℃，風(fēng)力多在4級(jí)以上，封河冰厚一般為0.7m，最厚在1m以上。石嘴山以下河段河道寬淺，淺灘彎道較多，主流擺動(dòng)游蕩，是冰凌災(zāi)害最嚴(yán)重的河段之一。從以往凌情分析，凌汛期寧蒙河段冰塞、冰壩等突發(fā)凌情易發(fā)生在多彎或急彎河道。這些彎曲河道的流凌觀測(cè)十分困難。由于遠(yuǎn)離堤壩，人工巡查冰凌時(shí)借助望遠(yuǎn)鏡也難以觀察河道內(nèi)流凌情況，適合用無人機(jī)飛臨河道上空進(jìn)行近距離觀測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)凌情跡象，提前采取措施，避免或減少災(zāi)害發(fā)生。為研究不同無人機(jī)機(jī)型在黃河凌情中的應(yīng)用，選擇在黃河寧蒙段進(jìn)行了固定翼、單旋翼、多旋翼等無人機(jī)進(jìn)行凌情監(jiān)測(cè)，為今后在黃河整個(gè)河段應(yīng)用無人機(jī)凌情監(jiān)測(cè)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 無人機(jī)凌情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)前，包括軍用、民用的各類無人機(jī)正處在高速發(fā)展時(shí)期，各種類型和型號(hào)的無人機(jī)不斷更新?lián)Q代。同時(shí)，適于無人機(jī)的機(jī)載照相機(jī)、攝像機(jī)、雷達(dá)成像、激光成像、傾斜攝影測(cè)量設(shè)備等各種載荷的研發(fā)應(yīng)用也得到了同步發(fā)展，為開展無人機(jī)凌情應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供了越來越多的選擇。目前，適用于寧蒙凌情應(yīng)急監(jiān)測(cè)的無人機(jī)主要包括固定翼、單旋翼、多旋翼三類。

基于無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和寧蒙河段凌情監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，黃河凌情無人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由無人機(jī)平臺(tái)、監(jiān)測(cè)載荷、地面控制站、凌情監(jiān)測(cè)分析、防凌指揮會(huì)商等5部分構(gòu)成。現(xiàn)在對(duì)這五部分進(jìn)行詳細(xì)分析。

①無人機(jī)平臺(tái)包括飛行器平臺(tái)、飛控導(dǎo)航系統(tǒng)、對(duì)地通信鏈路。飛行器平臺(tái)決定了無人機(jī)載荷能力和監(jiān)測(cè)性能，根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)可選用固定翼、直升機(jī)、多旋翼無人機(jī)［1］；飛控導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了飛行器的遙控、自航飛行，決定了無人機(jī)系統(tǒng)的飛行性能；對(duì)地通信鏈路接收地面控制站的飛行指令，傳輸飛行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)視頻。

②監(jiān)測(cè)載荷由陀螺云臺(tái)和監(jiān)測(cè)傳感器組成。根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)，可選的監(jiān)測(cè)儀器主要包括：數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、雷達(dá)成像儀、紅外成像儀、激光成像儀。拍攝現(xiàn)場(chǎng)凌情影像的數(shù)字照相機(jī)和實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)用途較廣。

③地面控制站包括對(duì)機(jī)通訊鏈路、飛行控制系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)。對(duì)機(jī)通訊鏈路，向無人機(jī)發(fā)送飛行指令和任務(wù)規(guī)劃，接收監(jiān)測(cè)視頻數(shù)據(jù)；飛行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的動(dòng)態(tài)控制，編制自動(dòng)飛行任務(wù)規(guī)劃；信息傳輸系統(tǒng)，通過3G/4G通信或計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)凌情視頻和影像數(shù)據(jù)的傳輸。

④凌情監(jiān)測(cè)分析包括影像數(shù)據(jù)接收、影像數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互解譯。影像數(shù)據(jù)接收，接收來自地面控制站的凌情視頻和數(shù)字影像數(shù)據(jù)；影像數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)視頻動(dòng)態(tài)拼接形成河道冰凌情勢(shì)圖以及影像校正拼接形成河道冰凌正射影像圖；人機(jī)交互解譯，根據(jù)河道冰凌情勢(shì)圖和冰凌正射影像圖，進(jìn)行流凌密度、冰塞冰壩、凌洪范圍等凌情信息提取。

⑤防凌指揮會(huì)商包括視頻實(shí)時(shí)接收、圖像鑲嵌拼接、凌情現(xiàn)場(chǎng)展顯。視頻實(shí)時(shí)接收，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)視頻的實(shí)時(shí)接收；圖像鑲嵌拼接，實(shí)現(xiàn)凌情視頻圖像動(dòng)態(tài)拼接和來自人機(jī)交互解譯的凌情信息標(biāo)注，形成供會(huì)商參考的河道冰凌情勢(shì)圖；凌情現(xiàn)場(chǎng)展顯，為防凌會(huì)商展顯監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的凌情視頻。

2 凌情監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

2.1 固定翼無人機(jī)監(jiān)測(cè)

2009年3月，在內(nèi)蒙古杭錦旗至達(dá)拉特旗河段的新華村、包西鐵路橋、獨(dú)貴鎮(zhèn)三處場(chǎng)地利用固定翼Sky-01C型無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)飛行20余架次。監(jiān)測(cè)成果及分析如下。

監(jiān)測(cè)成果：實(shí)現(xiàn)了凌情現(xiàn)場(chǎng)、監(jiān)測(cè)分析、防總指揮部三地凌情視頻同步傳輸展顯；視頻實(shí)時(shí)拼接制作了3處監(jiān)測(cè)河段的河道冰凌情勢(shì)圖；現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行CCD監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)拼接正射影像處理，制作了河道冰凌正射影像圖；提取了冰洪漫灘范圍、河道流凌密度信息，提取結(jié)果與同步地面人工觀測(cè)結(jié)果精度一致［2］。

優(yōu)點(diǎn)是該機(jī)型以正射成像為主，數(shù)據(jù)處理量大，航時(shí)較長(zhǎng)，作業(yè)飛行速度較快，適于較大范圍監(jiān)測(cè)作業(yè)。缺點(diǎn)是云臺(tái)平衡能力弱，視頻抖動(dòng)較大；滑行起降，需要整理專用跑道；操作難度大，技術(shù)要求高，需要專業(yè)操控團(tuán)隊(duì)。

2.2 單旋翼無人機(jī)監(jiān)測(cè)

2011年3月，在內(nèi)蒙古三湖河口至包頭河段利用單旋翼Z-3型無人機(jī)監(jiān)測(cè)飛行16架次。監(jiān)測(cè)成果及分析如下。

監(jiān)測(cè)成果：采集獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)奎素河段1G監(jiān)測(cè)視頻數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)拼接制作了監(jiān)測(cè)河段及河道的冰凌情勢(shì)圖；通過3G網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)視頻影像實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒揽傊笓]部；提取了冰洪漫灘范圍、河道流凌密度信息。

優(yōu)點(diǎn)是該機(jī)型可垂直起降，不需要整理起降跑道；能在凌情現(xiàn)場(chǎng)上空懸停，指揮部可獲得穩(wěn)定清晰的視頻展顯；起重量較大，可懸掛高性能的陀螺攝像云臺(tái)，影像清晰，場(chǎng)景穩(wěn)定，適于在指揮部展顯凌情現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)作業(yè)。缺點(diǎn)是作業(yè)風(fēng)力小于三級(jí)，只能在微風(fēng)天氣條件下作業(yè)；操作難度大，技術(shù)要求高，需要專業(yè)操控團(tuán)隊(duì)。

2.3 多旋翼無人機(jī)監(jiān)測(cè)

2016年3月，在內(nèi)蒙古三湖河口至頭道拐河段水文測(cè)驗(yàn)人員利用旋翼式大疆“悟”Inspire 1型無人機(jī)進(jìn)行凌情巡測(cè)。監(jiān)測(cè)成果及分析如下。

監(jiān)測(cè)成果：水文巡測(cè)人員利用無人機(jī)實(shí)現(xiàn)了近距離巡測(cè)河道凌情，解決了由于河灘地形限制難以靠近河道的難題；成功發(fā)現(xiàn)了3次突發(fā)凌情：3月16日，在臨河河段發(fā)現(xiàn)1處長(zhǎng)、寬為150m×50m的冰橋，3月17日，在五原河段發(fā)現(xiàn)1處長(zhǎng)、寬為1 000m×200m的冰橋，3月19日，在包西鐵橋上游700m彎道處發(fā)現(xiàn)堆冰長(zhǎng)5km的冰壩，上游三艮才險(xiǎn)工丁壩工程淹沒；凌情監(jiān)測(cè)視頻和圖像由無人機(jī)下傳地面控制站，進(jìn)行離線處理后由4G網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)視頻上傳至防總指揮部［3］。

優(yōu)點(diǎn)是該機(jī)型操作簡(jiǎn)便，垂直起降；能在凌情現(xiàn)場(chǎng)上空懸停，可空中變形，操作靈活；云臺(tái)任意方向360°旋轉(zhuǎn)，影像清晰，場(chǎng)景穩(wěn)定；水文人員簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可操作自如，適于基層水文巡測(cè)作業(yè)。缺點(diǎn)是續(xù)航時(shí)間太短，難以承擔(dān)復(fù)雜凌情的監(jiān)測(cè)任務(wù)。

3 結(jié)語

基于在黃河寧蒙段無人機(jī)凌情監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究，黃河凌情監(jiān)測(cè)宜采用固定翼無人機(jī)與多旋翼相結(jié)合的方式進(jìn)行。如果大區(qū)域監(jiān)測(cè)黃河凌情采用固定翼無人機(jī)進(jìn)行巡航監(jiān)測(cè)，但該機(jī)型飛控復(fù)雜，需要專業(yè)飛手，可以成立專門飛行隊(duì)伍，配備一至二套固定翼無人機(jī)統(tǒng)一監(jiān)測(cè)整個(gè)黃河河段的凌情，根據(jù)黃河防汛總指揮部的需要隨時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。小區(qū)域常規(guī)性的黃河凌情監(jiān)測(cè)可使用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行，該機(jī)型操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)傳輸相對(duì)容易，可配備至各基層水文局進(jìn)行多頻次監(jiān)測(cè)。

［1］ 何厚軍，馬曉兵，劉學(xué)工，等.遙感技術(shù)在黃河凌情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)防汛抗旱，2015（6）：10-13.

［2］ 王春青，ArthurE.Mynett，張勇，等.黃河流域寒潮天氣與凌情關(guān)系分析［J］.水文，2012（5）：48-52.

［3］ 馬瑞升，孫涵，馬輪基，等.基于微型無人機(jī)影像的土地利用調(diào)查試驗(yàn)［J］.遙感信息，2006（1）：43-46.

Application Research on Ice Flood Monitoring in Ningxia-Inner Mongolia Reach of the Yellow River by Using Unmanned Aerial Vehicle

Yuan Xiuzhong1Wang Pingwa2Sun Lianlian3Li Xinqing1
（1.Hydrological Bureau，YRCC，Zhengzhou Henan 450004；2.Ningmeng Hydrology&Water Resources Bureau，YRCC，Baotou Inner Mongolia 014030；3.The Yellow River Engineering Bureau of Zibo，Zibo Shandong 255000）

Melting ice flood since 2009,in combination with ice flood UAV actual demand of each part,emergency monitoring system in Ningmeng River respectively using fixed wing,single rotor and multi rotor UAV successively repeated ice flood monitoring practice,experimental research on the applicability of the UAV in ice flood monitoring,analyzes the advantages and disadvantages of different models.Based on appli?cation of research results,this paper put forward that the Yellow River ice flood UAV monitoring pro?gramme.

ice flood monitoring；UAV；fixed wing UAV；single rotor UAV；multi rotor UAV

TV875；P237

A

1003-5168（2017）11-0103-02

2017-10-09

袁秀忠（1967-），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：3S技術(shù)應(yīng)用與信息工程建設(shè)。