無人機技術在沂沭泗水利工作中的應用與前景

闞向楠 張大鵬 溫佳文

（沂沭泗水利管理局水文局（信息中心） 徐州 221000）

近年來，無人機技術發展迅速。由于其機動性和靈活性強，無人機技術已在各行各業取得了較為突出的應用，尤其在交通管理、農林植保、電力巡線、安防應急、航拍航測等領域。在水利領域采用無人機技術，可以及時獲取常規監視手段無法獲取的災情信息，從不同角度了解災害的發生發展情況并及時制定相對的對策，為水利現代化發展提供更加完善的技術支持。本文主要以多旋翼無人機作為飛行平臺進行應用分析。

1 多旋翼無人機技術特點

多旋翼無人機作為應用最為廣泛的無人機，相對于其他種類的無人機，應用于水利行業具有以下主要優勢：

（1）機動性強。目前先進的多旋翼無人機可以達到140km/h 的速度，百公里加速僅需2s，可以在7s 之內上升到100m 高空，進行空中作業不受地形限制，同時對起降條件的要求較低，只需要一個相對較小的平面例如石墩、車頂就可以作為起降平臺。根據操作員所處空間環境和磁場條件不同，可覆蓋半徑3~10km 高度達500m 的監測區域，并且在車船等移動平臺上，操作員作為中心還可以將此覆蓋面積無限延伸。

（2）安全性高。多旋翼無人機可以在陰天、低霧等環境下升空作業，采集大量監測數據，尤其在水旱災害現場，操作人員可以選擇較為安全的區域對無人機進行操控，最大限度保障了人身安全，即使無人機故障，也可最大限度地避免人員傷亡，降低損失，具有較高的安全性。

（3）采集數據多樣化。多旋翼無人機主要通過攜帶高清影像采集設備采集地面圖像，并且可以實時傳輸現場情況，有利于防汛抗旱減災的及時決策。通過搭載一體式多光譜成像系統、熱成像傳感器、環掃毫米波雷達、RTK（Real—time kinematic，實時動態）模塊、探照燈、喊話器等不同功能模塊及設備可以實現不同應用場景的多樣化數據采集傳輸，能夠應對各種復雜困難局面。

2 無人機技術在沂沭泗局的應用現狀

2.1 在水旱災害防御中的應用

近年來，沂沭泗流域暴雨洪水頻發，2018年防御臺風“溫比亞”，2019年防御臺風“利奇馬”，2020年防御“8·14”大洪水，在汛情嚴重時，可使用無人機攜帶可見光感相機對洪澇災區的環境進行勘探檢測，尤其在2020年防御“8·14”大洪水過程中，水位暴漲導致多條公路被淹，車輛難以通行，此時無人機充當了防汛指揮系統的“千里眼”，將前方洪災實時情況傳輸到沂沭泗局防汛指揮調度中心，為防汛決策指揮提供有力支撐。

2.2 在水利工程管理中的應用

保障防洪工程安全運行是防汛工作的重要工作內容之一。利用無人機掛載光感相機、熱成像相機等設備，可有效代替人工巡查防洪工程，既能從高空大范圍視野角度進行全面巡查，又能留下大量影像資料，同時利用歷史影像資料科學對比，能有效監測險情發生的動態過程，不僅可以減少人力成本、提高巡堤效率，又能降低巡查人員的危險性。

2.3 在水行政執法中的應用

無人機系統不僅可以收集信息和進行監管，還可以持續跟蹤事件的發展情況，輔助指揮決策部門進行不間斷的信息搜集。無人機部署迅速，無視地形影響，可以在第一時間到達事件發生地，迅速展開信息采集，便于追蹤突發事件和掌握事件的態勢。在夜間水行政執法過程中，無人機通過搭載熱成像傳感器，能夠在夜間沒有任何照明設施輔助的情況下，及時發現非法采砂犯罪活動并進行實時跟蹤，為水行政執法全過程記錄提供有力技術支撐。

2.4 在河（湖）長信息化管理中的應用

在常態化河（湖）巡查任務中，無人機具有高清圖像實時傳輸、深入危險區域實時監測、機動性強等優點。能夠將河湖高清影像適時導入管理信息平臺，對河湖岸線情況、亂占、亂采、亂堆、亂建、非法排污等實現精準監測和記錄，有效提升巡河湖效率，助力河道基礎數據、工程建設情況、岸線管護成效數字化管理，為智慧河湖筑牢基礎。

2.5 在水利安全生產中的應用

在常規檢查工作中，多旋翼無人機可以通過高危險區，監測年久的堤壩、堤防、水庫和堤防險段，無需專業攀登人員即可對防汛鐵塔掛載設備和銹蝕情況實時監控，使管理人員能夠及時了解水利設施的運行情況，極大方便了施工，簡化了水利設施的檢查維護工作。

3 無人機技術應用中存在的問題

3.1 續航時間不足

現有旋翼無人機在儲電技術沒有根本性變革的前提下，電池儲能密度提升空間不大，增加電池數量或單個重量的同時，也會增加機身重量，從而導致功耗的提升。目前各行各業所采用的無人機續航時間基本在20~30min，對于河湖岸線較長、監測區域較廣的工作需要反復起降更換電池，增加往返次數，浪費了有效飛行時間。

3.2 在惡劣環境條件下的操控距離有待加強

目前用于無人機遙控器主流的無線電頻率是2.4G，無線電波在傳輸過程中可能受到干擾或是數據丟失等問題，因此在高壓線附近、目視線遮蔽、強磁場環境等情況下，無人機的有效飛行距離會受到較大限制。

3.3 搭載重量不能滿足行業需求

現有高性能無人機搭載重量在40~60kg 之間，能夠搭載大量外部設備，在農藥噴灑、快遞配送等高負重情況下能夠較好完成分型任務。但水旱災害防御有其特殊性，例如在洪水行進過程中，現階段無人機的性能還不足以搭載走航式ADCP（聲學多普勒流速剖面儀）進行測流。

3.4 現有操作人員不足

目前沂沭泗局下屬基層局直屬局部分配備了無人機設備，但是缺乏專業的操作人員，現有大部分操作人員未取得相應資格證明。未經過專業培訓的操作人員在無人機設備操控的過程中容易造成碰撞、落水、墜機甚至人身傷害等事故的發生，存在安全隱患。

4 無人機在沂沭泗流域的應用展望

4.1 無人化空中自動巡檢系統

無人化空中自動巡檢系統是由無人機平臺、機庫平臺、外部智能氣象站、云端平臺構成的智能立體化巡檢平臺。具備自主起飛，智能巡檢，自動、手動飛行模式無縫切換，精準回巢，遠程控制，快速充電復飛，視頻實時回傳，系統智能分析等諸多功能，真正做到了無人值守、自主充電、遠程監控、無人數據處理、全自主飛行作業。將無人機機巢部署在移動平臺和重點監控地段即可實現定點定期巡航監視，操作人員也在指揮中心遠程操控復數無人機進行實時信息采集和編隊作業，進一步提高應急響應速度，助力沂沭泗智慧水利發展。

4.2 無人機智能集群控制技術

無人機智能集群指的是在大數據、人工智能、數據鏈整合以及云計算的基礎上，同時發射數十架乃至數百架無人機進行集群化指揮，并在智能分工的情況下，無人機自行進行精準編隊、精確分工，同時執行多種任務的集群化智能作業方式。通過集群化無人機編隊可以進一步克服無人機搭載重量、視角覆蓋范圍、通訊保障等問題，形成流域水系智能化監控。

5 結語

無人機技術以其機動性強、安全性高、數據采集多樣化、實時高清圖像傳輸等獨特優勢，在水利工作中，彌補了遙感系統與地面感知平臺之間的盲區，有助于創新防汛抗旱減災的工作方式，提高工作效率。隨著無人機技術、衛星遙感、5G 通信、人工智能、大數據等技術的不斷發展和成熟，無人機在水旱災害防御、水文水資源監測、水土保持、河湖監管、水利工程運行管理等水利行業的各個領域的應用會更加廣泛，在水利現代化、信息化、智能化工作中將會承擔越來越重要的角色