無人機在水文測驗中的應用

魏海濤

近年無人機應用開始興起，隨著探索研究的深入，逐漸形成了無人機+行業應用的模式，無人機+水利應用開始出現并付諸實施。水文測驗無人機是專門為水文應急監測和水文調查量身打造的水文測驗利器，針對洪水時期常規應急監測方法難以執行的實際，利用無人機起飛便捷、不受地形影響的優勢，加上自主研發的高精度水文河道監測設備，可較好地解決洪水期間應急監測困難問題。

1.應用優勢

水文測驗無人機通過搭載不同設備，不僅可進行洪水應急監測，而且能夠用于無通訊時堰塞湖監測和3D模型建設。水文測驗無人機通過其高精度RTK，實現自動飛行、一鍵測流、自動返航功能，避免災害期間因飛行操作困難造成飛行事故，保障了應急監測中測站人員及財產安全。

2.技術原理

水文測驗無人機為多旋翼無人機測流系統，按照中國民航局《輕小型無人機運行(試行)規定》，屬于Ⅲ類無人機系統。

水文測驗無人機測流系統通過人工遙控或根據預置測驗方案采集河道水文要素及河勢視頻信息，包括水面寬、水位、水深、流速，所有信息通過無線方式實時回傳至岸邊計算機，由軟件繪制流量測驗現場分析圖，按流速面積法計算斷面流量，生成測速記載及流量計算表。

3.系統構成

水文測驗無人機測流系統由多旋翼飛行器、雙余度傳感器、手操遙控器、雷達波測流儀、雷達測高儀、無線視頻設備和無人機測流軟件等設備組成，水文測驗無人機測流系統需專業飛手（駕駛員）與測量員2人同時作業。

4.技術特點

一是雙冗余安全保障，2套飛控系統、2套GPS和磁羅盤，有效保障飛行作業安全；二是RTKGPS定位系統，滿足起點距和高程定位精度要求；三是八軸動力設計，飛行作業中出現單槳損壞、不相鄰雙槳損壞，可安全返航降落；四是無人機可在高海拔地區安全作業（海拔4500m環境安全平穩運行）；五是安全性高、緊急情況可一鍵返航、自動懸停；六是6級強風下無人機依然可正常安全起降；七是旋翼、機臂、起落架和測流設備采用快速拆解和折疊結構；八是所有部件可裝入運輸箱，運輸箱可放入SUV汽車內，方便運輸；九是整機模塊化設計，快拆結構，有效降低應急處理難度；十是易操作、維護簡單、經過培訓即可操作（免費技術培訓）；十一是友好的黑匣子功能，飛行數據自動記錄；十二是飛行器可按預設航線自主完成飛行任務；十三是可在地面站“數據”頁面觀測當前電流值和電池消耗量，電量報警提示。

5.應用范圍

5.1 無人機應用于山洪監測

山洪發生具有極大的不確定性，因此給水位的采集和災害發生狀況的測量造成極大影響。山洪災害發生時，防汛人員需要帶常規巡測設備進行水位測量和山體滑坡等地形測量，而山洪期間道路不通，常規測量難度大，水文測驗無人機測流系統可以克服交通不便等不利因素，快速趕往受災區域，利用無人機的RTK和搭載的雷達波設備，快速測出當前山洪水位。另外，水文測驗無人機測流系統可搭載5p相機進行受災區域的地形3D建模，快速獲取當前受災區域情況，包括山體滑坡情況、洪水區域等，為現場指揮人員提供及時有效的數據，為抗災提供支持。

5.2 無人機應用于水庫測量

水庫、湖泊的監測主要是水位采集、面積測量、庫容量。當前水庫、湖泊的面積測量主要是人工測量，通過全站儀、測船、測桿等設備測出水庫、湖泊面積，這種方式不僅耗費人力財力，且數據準確度不高。

水文測驗無人機測流系統搭載相機進行水庫、湖泊的3D實時重建，快速得到當前水庫的地形以及實時面積，并可疊加到谷歌地圖。此外，水文測驗無人機測流系統搭載測深儀進行水庫的固定斷面測量，利用RTK移動站得到水庫大斷面數據，并在軟件上實時顯示。同時，無人機也可通過RTK和攜帶的設備測出當前水位，最后得到水庫庫容量。相對于人工測量水庫的水位、面積，無人機更加快速便捷，極大地解放了人力、物力。

5.3 無人機應用于堰塞湖監測

堰塞湖的形成主要來自于地震或山體滑坡，堰塞湖的堵塞物不保持一成不變，會被沖刷、侵蝕、溶解等，一旦堵塞物被破壞，湖水便傾瀉而下形成洪災，極其危險，伴隨次生災害的不斷出現，堰塞湖的水位可能會迅速上升，有可能導致重大洪災，因此需要我們進行堰塞湖潰口的測量，而災害期間，要求測量快速、準確，對此人工測量明顯不符合要求。

水文測驗無人機測流系統遠距離進行堰塞湖潰口區域的拍攝，獲得大量現場照片，在1～2h內完成堰塞湖潰口區域的3D模型。無人機測流系統數據采集無需網絡，在失去地表通訊基站的情況下也可以完成作業。此外，通過潰口區域的3D模型，可快速測出潰口的寬度、潰口距大堤高度、潰口面積、堰塞湖面積等，重建出的高精度3D模型和數據有助于管理人員快速做出決策，非常高效便捷。

5.4 無人機應用于水污染監測

高效全面的獲取水質信息是水污染防治工作的先決條件，水質采樣工作則是獲取水質信息的關鍵環節，目前水質采樣通常采用人工采樣和自動采樣方式，均存在各自的局限性，人工采樣效率低下，并具有一定危險性，自動采樣只能在固定地點采樣，不具有隨機動態性。

無人機測流系統充分發揮自身作業覆蓋范圍廣、機動性強的優勢，能夠滿足大范圍巡察的需要，同時具備無人化操作的特點能夠深入危險區域代替人工工作。根據水體采樣需求開發出的全新飛控更加穩定，且不同于市面上其他無人機，可攜帶多樣品瓶水質采樣器，自動采集不同點、不同深度水樣。另外，漢龍無人機測流系統采用飛行方式進入作業區域，對水面環境影響非常小，適合進入船只難以到達的作業區域。

6.解決問題

目前，水文事業面臨新形勢、新任務，肩負重大的歷史責任。洪澇災害、干旱缺水、水污染、水土流失等問題，已經嚴重制約著國民經濟和社會發展。新時期水利已從傳統水利向現代水利、可持續發展水利轉變，在這一歷史轉變過程中，要把水利信息化放在優先的位置。水文基礎設施建設整體水平落后于經濟社會發展需求，是水文建設發展過程中的突出矛盾。信息是水文決策的基礎，是正確分析和判斷水文形勢、科學制定水文發展方案的依據。無人機低空遙感的高機動性、高分辨率等特點，使其在水文行業中的應用有著得天獨厚的優勢，在防汛指揮工作中，無人機測流系統可以在苛刻環境下進行測流，測量出未知斷面數據河段的洪水流量及相應的發生時間，對及時確定該地區的防洪預警級別、合理實施相應的防洪預案、落實抗洪搶險具體措施、組織調度人員及防洪物資具有重要意義。