無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在河流水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

莊 杰，經(jīng)正彤

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局揚(yáng)州分局，江蘇 揚(yáng)州 225001)

1 無(wú)人機(jī)應(yīng)用于河流水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)的必要性分析

自從2011年起我國(guó)逐步加大了水文管理的投入力度，據(jù)水利部所提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止到2018年年底我國(guó)新增的水文站、雨量站已經(jīng)突破1.8萬(wàn)個(gè)，同比增長(zhǎng)8.6%，但總體監(jiān)測(cè)人員編制卻并未同步增加，這就要求水文監(jiān)測(cè)必須要加大新技術(shù)的應(yīng)用，按時(shí)按量地完成河流水文監(jiān)測(cè)的所有任務(wù)。其次，隨著我國(guó)生態(tài)環(huán)境的逐步惡化，在夏季容易出現(xiàn)爆發(fā)性的洪澇災(zāi)害，尤其是在南方地區(qū)河流水文情況往往會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生顯著變化，同時(shí)也會(huì)伴隨泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，河流水流傳播機(jī)制以及周邊環(huán)境將會(huì)出現(xiàn)顯著變化，若采用傳統(tǒng)常規(guī)手段開(kāi)展水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)不僅在時(shí)效性方面存在問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)對(duì)工作人員的人身安全造成嚴(yán)重的威脅[1]。

針對(duì)已經(jīng)發(fā)生了險(xiǎn)情征兆的河流，可以利用無(wú)人機(jī)快速搜集河流水文情況，在ADCP、流速儀等應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法失效或者因自然地質(zhì)災(zāi)害所導(dǎo)致的斷面測(cè)流去作業(yè)條件之下，可以采用無(wú)人機(jī)以非接觸式方法測(cè)算出河流的水面流速情況，并將其換算成全斷面流量。而無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則在簡(jiǎn)單無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)之上增設(shè)了非常規(guī)應(yīng)急測(cè)流技術(shù)方法，對(duì)于無(wú)攬道以及無(wú)測(cè)速船的河流斷面測(cè)速，可以直接利用裝備了雷達(dá)微波測(cè)速的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。

2 無(wú)人機(jī)應(yīng)急測(cè)流方案設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種以無(wú)人機(jī)為測(cè)速系統(tǒng)，用于野外河道斷面測(cè)流的應(yīng)急測(cè)速解決方法，此種方法在測(cè)速現(xiàn)場(chǎng)并不需要固定的輔助類(lèi)水文固定設(shè)施。該系統(tǒng)的測(cè)流方案主要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

(1)機(jī)動(dòng)主體。該系統(tǒng)雖然并不需要固定地面設(shè)施，但也需要地面設(shè)備支撐，一般情況下可以選擇越野巡測(cè)車(chē)為機(jī)動(dòng)主體，車(chē)載若干架無(wú)人機(jī)，巡測(cè)車(chē)配置一體化的地面控制站、計(jì)算機(jī)通訊設(shè)施、視頻監(jiān)控、導(dǎo)航以及電源等設(shè)備，無(wú)人機(jī)可以采用現(xiàn)場(chǎng)組裝[3]。整體系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行測(cè)流共計(jì)需要兩名工作人員，一名工作人員負(fù)責(zé)地面設(shè)備的控制，對(duì)無(wú)人機(jī)的航向以及水文測(cè)流進(jìn)行操作，另一人則主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)的野外放飛以及回收。

(2)懸停測(cè)速。應(yīng)在所需測(cè)速的河道附近停車(chē)組裝無(wú)人機(jī)，但同一斷面的流速測(cè)量需要重復(fù)多次，一般情況下無(wú)人機(jī)應(yīng)按照預(yù)先設(shè)定的航跡穿越河道，按照每20 m左右的距離懸停測(cè)速一次，懸停的高度一般控制在30 m左右，通過(guò)測(cè)速雷達(dá)對(duì)河道流速進(jìn)行測(cè)量，懸停測(cè)速如圖1所示[4]。

(3)在緊急監(jiān)測(cè)情況下，若因道路阻塞、時(shí)間緊急，工作人員無(wú)法及時(shí)到達(dá)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，此外，還存在現(xiàn)場(chǎng)通視條件差等情況。針對(duì)此種情況，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也推出了兩種不同的工作模式：①遙控飛行測(cè)速模式，該模式能夠直接通過(guò)地面計(jì)算機(jī)控制設(shè)備經(jīng)無(wú)人機(jī)所配置的攝像頭控制航線、完成懸停測(cè)速等一系列操作，從而滿足一人操作需求；②自動(dòng)測(cè)速工作模式，在通視條件相對(duì)較好的環(huán)境中，可以激活地面計(jì)算機(jī)控制設(shè)備中內(nèi)置的飛行控制軟件，無(wú)人機(jī)將按照既定航線飛行并完成相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與傳輸。

3 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在河流水文監(jiān)測(cè)中的作業(yè)流程

以大疆AR200型無(wú)人直升機(jī)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例對(duì)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在河流水文監(jiān)測(cè)中的作業(yè)流程進(jìn)行分析，具體作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)河流水文監(jiān)測(cè)流程

針對(duì)不同情況下河流水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)的任務(wù)要求，在數(shù)字地圖的指引之下，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能根據(jù)航線實(shí)時(shí)完成監(jiān)測(cè)規(guī)劃，具體來(lái)說(shuō)其所遵循的作業(yè)流程主要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

(1)分析作業(yè)地點(diǎn)地形條件，對(duì)地形作業(yè)航跡進(jìn)行全面規(guī)劃。在河流水文監(jiān)測(cè)中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性至關(guān)重要。為此，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行緊急監(jiān)測(cè)探查之前必須要結(jié)合數(shù)字地圖對(duì)所需監(jiān)測(cè)地區(qū)的地形條件進(jìn)行全面的系統(tǒng)調(diào)查分析，合理制定無(wú)人機(jī)飛行航線，從而獲得更加精準(zhǔn)的資料[5]。

(2)選擇合適的飛行模式，指引無(wú)人機(jī)按照既定航線進(jìn)行飛行并完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。由于河流水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)在不同地形條件、氣候條件下所采用的監(jiān)測(cè)模式存在顯著差異，在進(jìn)行飛行監(jiān)測(cè)之前應(yīng)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制軟件選擇合適的飛行模式，從而有效簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)流程，完成監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

(3)自動(dòng)控制作業(yè)監(jiān)測(cè)。盡管選擇了不同的飛行模式，但都必須要完成定點(diǎn)懸停、水流速度監(jiān)測(cè)以及水流量分析等多種不同類(lèi)型的任務(wù)工作模式。這些任務(wù)均有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)控制自動(dòng)完成。

(4)設(shè)備控制與故障處理。由于河流水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)的不確定性，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作環(huán)境相對(duì)較為惡劣，這就必須要做好設(shè)備的控制工作，同時(shí)關(guān)注系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)，必要時(shí)要及時(shí)對(duì)相關(guān)故障進(jìn)行處理，并指引無(wú)人機(jī)返航。

(5)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出與分析。無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，但相關(guān)數(shù)據(jù)必須要經(jīng)過(guò)軟件系統(tǒng)的分析才能得出可以直接應(yīng)用的數(shù)據(jù)。因此，還需要通過(guò)地面控制設(shè)備將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿恼局鳈C(jī)之中，以便相關(guān)人員及時(shí)對(duì)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

4 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于河流水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)的注意事項(xiàng)分析

4.1 建立合適的測(cè)流模型

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于特定數(shù)學(xué)模型來(lái)獲得河流水文信息的，因此選擇合適的測(cè)流模型對(duì)水文監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性有直接的影響。實(shí)際上由于河流地理位置、水質(zhì)等因素都存在顯著差異，所采用的模型往往也存在一定差異。基于此種情況，在利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)之前需要先參考當(dāng)?shù)厮恼舅@得的相關(guān)水文監(jiān)測(cè)資料，尋求合適的相同水面條件下的流速分布函數(shù)，如拋物線形、橢圓形以及對(duì)數(shù)型等[6]。此外，還應(yīng)根據(jù)所選擇的測(cè)流模型選擇合適的測(cè)流位置，從而獲得更精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果。

4.2 穩(wěn)定飛行控制系統(tǒng)

由于無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于微波雷達(dá)來(lái)進(jìn)行河流水文監(jiān)測(cè)的，這就使得無(wú)人機(jī)飛行要具有較高的穩(wěn)定性，否則必然會(huì)導(dǎo)致河流速度等指標(biāo)會(huì)受到無(wú)人機(jī)自身飛行速度的影響，從而產(chǎn)生較大的誤差。一般來(lái)說(shuō)在河流水文監(jiān)測(cè)當(dāng)中無(wú)人機(jī)飛行控制應(yīng)注意以下幾個(gè)階段的控制：(1)加速/減速控制。加速與減速應(yīng)盡量平穩(wěn)，盡量將加速度控制在較小的范圍之內(nèi)；(2)爬升/下降控制。爬升與下降也應(yīng)盡量平穩(wěn)，既要注意通視條件，也要注意速度控制；(3)懸停控制。懸停階段是無(wú)人機(jī)測(cè)速的重要階段，這一階段的穩(wěn)定性控制至關(guān)重要，一般情況下應(yīng)注意觀察風(fēng)向條件，必要時(shí)采用回轉(zhuǎn)或盤(pán)旋方式來(lái)改變航向。

4.3 加強(qiáng)地面控制與指揮

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在河流水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用有效提升了監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化與智能化程度，但依然需要依賴于人的全面控制。因此，在具體監(jiān)測(cè)過(guò)程中還必須要加強(qiáng)地面控制與指揮，進(jìn)一步提升監(jiān)測(cè)效率與精準(zhǔn)性。具體而言地面工作人員必須要對(duì)監(jiān)測(cè)的全過(guò)程進(jìn)行有效動(dòng)態(tài)控制，完成對(duì)無(wú)人機(jī)、任務(wù)載荷以及數(shù)據(jù)鏈的監(jiān)視，此外還應(yīng)同步完成相關(guān)操作控制[7]。

5 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在河流水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用是一種新型河流水文監(jiān)測(cè)方法，解決了傳統(tǒng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)受地形條件、水文地質(zhì)條件限制大的問(wèn)題，加強(qiáng)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在河流水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用也是大勢(shì)所趨。本文的研究對(duì)無(wú)人機(jī)水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)、流程以及注意事項(xiàng)等問(wèn)題都進(jìn)行了詳細(xì)的研究與分析，旨在促進(jìn)現(xiàn)階段我國(guó)河流水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作的進(jìn)一步發(fā)展。