淺述無人機在水文測驗和信息化管理中的應用

陳曉偉

黃委黃河口水文水資源勘測局 山東東營 257000

隨著現代科學技術的高速發展，無人機技術應用越來越廣泛，基于無人機技術的航空水面流速法施測河道流量變得有可能。據了解，全國水文行業已經開始逐步研究無人機技術如何應用于水文工作實踐中，其中廣東省水文局茂名水文分局已實現采用無人機進行水質采樣，湖南省長沙水文水資源勘測中心也采用無人機開展了應急水文測驗，無人機技術在水文行業應用取得了初步成果[1]。

1 無人機傾斜模型

無人機傾斜模型技術是基于無人機（飛行器）攝影設備（多鏡頭相機）、線路規劃、空三建模、影像貼圖和數據提取等一體化三維空間信息服務技術。通過高效的數據采集設備，以及專業的數據處理流程能生成直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性的三維信息，相比傳統采用人工測繪方法大大提升了對地理信息數據的獲取效率。本文采用具有RTK模塊的多旋翼高精度航測無人機，借助于其抗磁干擾能力與精準定位能力，實現cm級定位和圖像元數據的絕對精度控制。人工控制無人機搭載多鏡頭傳感器，從垂直、側視等不同角度對流域下墊面進行影像采集，并結合數據集群方式快速實現精細的三維模型建模和測量結果的輸出。無人機三維建模方法技術路線如圖1所示。

圖1 無人機三維建模方法技術路線圖

2 無人機測流優勢

2017年7月應急測驗人員在龍勝芙蓉河上使用ADCP測流，山區洪水流速度大，洪水直接把這臺貴重儀器沖散架，測驗人員手被牽引繩拉傷。這場大水將洛清江對亭站測流的另一臺ADCP測架沖斷。另一應急小組人員在洛清江上游，永福茅江橋上使用進行橋測，由于水流速度大、浪急，洪水直接將ADCP卷入河底，眼看儀器可能被沖毀，在這緊要關頭，一隊解放軍路過此地，及時出手幫忙，將儀器拉出水面，避免儀器損壞。一場大水，同時發生幾起直接測流的意外，說明直接測流存在風險。如果用無人機非接觸式測流，測流險情就大大減低。有些中小河流水文站設在偏遠山區，測驗河段沒有水文測驗設施和測驗條件，無纜道、無船、上下游河段無橋梁，測流非常困難。當發生特大洪水，測驗人員無法靠近，無法測流時，無人機測流就容易得多[2]。

3 落實“大水文觀”的需要對水文應急監測提出新要求

隨著《中華人民共和國水文條例》的深入貫徹落實，水文信息支撐水資源的可持續利用和經濟社會的可持續發展的作用更加顯著，水文面臨的任務也更加繁重。立足水利，面向全社會服務，實現“行業水文”向“社會水文”轉變的“大水文觀”發展思路，要求水文應承擔起更多社會責任，為推進水利和經濟社會又好又快發展，提供更加有力的支撐和保障。《國家防汛抗旱應急預案》要求各級氣象、水文、海洋部門應加強對當地災害性天氣的監測和預報。當發生突發公共水事件，要求水文部門2小時內啟動監測工作，及時上報測驗結果，做好會商和預報，盡可能延長預見期，對重大氣象、水文災害作出評估。水利部發布的《突發公共水事件水文應急測報預案》，也明確規定了各級水文部門職責、響應機制、技術保障等內容。

4 無人機在水文測驗和信息化管理中的應用

4.1 無人機基站巡檢

目前我局還有很多鐵塔基站在用，傳統的基站巡檢都是通過人工的方式，很多情況下都是專業的人員需要登塔，不但有一定的風險，而且工作效率比較低。無人機作為一個空中的平臺，可以對基站進行全方位立體的檢查[3]。首先是外觀，基站長期暴露在外，有時候可能會受到一些外力破壞和影響，會有一定的傾斜，或者塔臺有一些變形。另外，塔身設備，比如說一些缺失，一些銹蝕都會影響通信的信號。對于天線而言，天線的精確位置對信號的質量也是非常重要的因素，所以我們要做的就是幫助人工去檢查天線的方位角，包括俯仰角，缺陷識別。無人機拍攝的都是海量圖片，就像電力巡檢是通過人工的方式找到缺陷，但是效率比較低。如果有了5G以后，可以借助5G，首先把圖像回傳到后端，在后端通過服務器和軟件進行AI的缺陷識別。目前有測試是通過無人機搭載一些終端和掃頻儀對天線的質量進行實時的監測。有了5G以后，整套無人機基站巡檢的架構，首先通過后端，通過平臺發布無人機的巡檢任務，無人機收到這個任務按照既定的航線對基站進行巡檢，前端采集的照片可以實時的回傳到后端。如果無人機可以實現智能巡檢，就不僅是只能巡檢單一的塔，可以連續巡檢多塔。無人機傳的照片可以通過5G回傳到指揮中心進行建模，再根據測量，這個效率比人工至少能提升5倍。無人機目前有一個瓶頸就是續航能力不足，通過自動充電平臺的方式，可以彌補無人機的續航能力。整個無人機的巡檢過程當中是不需要人工干預的。

4.2 大斷面的面積計算

對于有實測大斷面的測流斷面來說，可以直接輸入大斷面數據，計算流量采用借用斷面，這在《河道流量測驗規范》是允許的。在突發性水事件如潰堤、潰壩發生后，利用無人機測驗河道或潰口水面流速的方法，十分可行有效。此種情況下，水文應急測驗需要解決一個問題，那就是無實測資料的斷面面積計算問題。該問題可通過研究不同河道的幾何尺寸經驗值來初算，例如斷面形狀（如V型斷面、U型斷面、梯形斷面）、河道寬深比經驗系數。在實際水文應急測驗中，河段寬度往往容易得到。

4.3 洪水計算模型

為使洪水計算適用于不同水庫、不同流域，本文采用基于降雨徑流經驗相關法（API模型）的水文模型對水庫上游洪水進行模擬計算。API模型作為一個多變量輸入、單數據輸出的系統數學模型，常被應用于流域或水庫洪水徑流計算。由于其每一個等值線都存在一個轉折點，轉折點以上的關系線呈45°直線，這對流域極端暴雨所形成的洪水的外延有很好的相關性，適合于極端洪水的模擬分析。流域匯流采用單位線進行計算，單位線的倍比性、疊加性條件填補了流域內無極端洪水資料驗證的缺點，對流域內極端洪水的匯流計算具有很好的適用性。同時，單位線推求簡單、計算快速、通用性強。

4.4 三維建模和分析決策

當無人駕駛航空器自動控制技術應用于黃河水文突發事件監測時，可以有效地進行三維數字模型的構建。根據報告標準的相關標準，可以收集有關空間數據的信息，作為無人駕駛航空器監測的一部分，并制作實時立體模型，以反映受監測區域地貌因素的空間分布情況。數據分析，如水位、降雨、洪水定量分析和決策水平將大大提高，具體而言，它主要包含靜態、動態和數字分析計算的三維模型。其中靜態三維模型主要是流域本身和山谷的三維模型，它基于臺站水文數據和黃河流域洪水發生前衛星遙感數據的結構，為洪水監測提供了可比的分析基礎模型動態三維模型主要使用無人駕駛飛機在洪水爆發后對水面進行地形測量、地形信息、高程和變化數據，并在此基礎上按行程和時段生成相應的三維模型，最后將所有模型組合成動態模型。數字分析的計算主要包括使用相關軟件動態觀察黃河流域的實際水狀況變化，以及計算水量、降水、水狀況路徑、流量和不同流域的水狀況范圍[4]。

4.5 防洪指揮控制

與水有關的重大公共事件，如極端干旱、洪水、水污染事件和計劃中的洪水，具有范圍和影響等特點，而無人機系統不受地區和空間的限制，并得到緊急和緊急通信的支持預防水災、旱災和緊急情況需要可靠的通信系統來提供技術支持，無人機系統在指揮和控制防洪方面具有無可比擬的優勢，其收集和監測設施易于安裝，非常適合指揮和控制諸如無人機系統還可以使用地面平臺、無線路由、有線路由等使決策者能夠觀看指定點的監測視頻，從而大大提高水利工程管理的信息化水平。

5 采用無人機進行水文應急監測的改進方向

5.1 構建汛區應急中繼通訊

當前，常用的報汛方式主要通過無線、有線衛星通信及網絡完成信息傳遞，但這一方式可能在洪災、強降雨等自然災害中失效。通過自動控制技術構建一個汛區應急中繼通訊，可有效解決通訊癱瘓問題。在組建時主要通過無人機系留繩讓地面發電設備為無人機供電，實現長時間滯空，同時構建一個由無人機搭載基站設備，機地連接有線傳輸，地面操控與核心網連接系統所組成應急通訊中樞。當某地區出現自然災害后，可通過空中通道的構建和災區駐站人員直接聯系，并且能夠完成物品投送、事物補給等操作，將水文情報信息及時帶出[5]。

5.2 測站監測條件優化

監測條件的優化是水文監測改革的重要措施，優良的測站控制條件將會得到良好的水位流量關系，所以，河道工程措施，標準斷面的建設是最佳選擇，實現水位流量的單值化，首先要對測站特征進行深入調研，全面分析影響水位流量關系的影響因素，通過建立水位流量單一曲線，再提升流量監測自動化水平，從而實現流量在線監測，為水文巡測奠定必要基礎。一些新技術、新設備也要大力推廣，如ADCP、雷達波水面測速系統、超聲波時差法等應大膽應用并進行率定，在使用過程中發現新技術、新設備不足之處和需要改進之處，可以與廠家合作，共同優化技術、設備，提高測驗精度。

5.3 優化監測流程

啟動前，水文情報自動機會自動檢查所有監測設備，以確保它們正常工作。空間站的常駐流體動力機器人在非洪災期間和其他非緊急情況下通過空間站現有監測設備進行水文監測。在洪水期間，例如在監測降雨或水位迅速上升造成洪水風險的情況下，對降雨量、水位和流量進行額外測量。一種方法可以提高測量頻率，獲得更詳細的實時數據，另一種方法可以將現有的機器人和監測設備的測量數據結合起來，實現數據的多維合并，提高測量數據的準確性。獲得數據后，自動機將根據附近站提供的信息進行實時比較校正，以確保測量數據的準確性。

5.4 提高飛行控制系統的穩定性

無人機監測系統主要利用微波雷達的幫助，飛行控制系統的穩定性決定了測速結果，一些監測指標受到無人機飛行速度的影響，可能會出現誤差。因此，在緊急水文監測期間，必須控制無人機的各個階段，提高飛行控制系統的穩定性。首先，減緩監測必須確保無人機能夠根據流域環境因素在飛行期間實現穩定的減緩。第二，飛行控制系統應考慮飛行過程中的視覺條件，以便在考慮到黃河流域不同氣候和風速等因素的情況下，獲得合理的升降速度。最后，飛行控制對該階段的穩定至關重要，這要求系統能夠確定風和環境壓力條件，從而為選擇無人駕駛飛行器的旋轉和飛行模式提供正確的指導。

6 結語

水庫極端洪水的精準預測與災害評估需要完整的洪水預報模型與高精度的地理信息數據，但極端洪水發生概率小、范圍廣、資料收集難，構建基于API、單位線的洪水預報模型以及結合無人機傾斜攝影三維實景模型，為解決極端洪水資料短缺、地理信息數據精度差提供了技術支撐，對洪水淹沒過程結合Cesium三維引擎生動展示，便于管理人員對災害結果進行整體把握，提升認知水平。