無人機遙感技術在水利工程中的應用

蔣 濤

(新疆頭屯河流域管理局水利管理中心，新疆 烏魯木齊 830022)

隨著信息化概念的不斷推廣與普及，人們逐漸認識到遠程傳輸和無線遙感技術在日常生活中所扮演的重要角色，遠程傳輸和無線遙感技術可以極大地提高工作效率，尤其在條件艱苦的工作崗位上。無人機是近些年來輔助遙感技術重要支撐平臺，是未來航空器的主流發展方向之一，已成為世界各國研究的熱點。目前，無人機技術經過幾十年的發展，具有機動性高、適用性強、分辨率高、成本低廉等優勢，在水利管理行業中正逐漸嶄露頭角。隨著“十四五”計劃中水利信息化建設的不斷推進，采用先進技術手段提高水利行業工作效率是現今水利工作者的研究重點[1]。為此，本文通過總結無人機遙感技術在水利行業中管理、應急救災、國土資源監察、水利行政執法、水工建筑物病害巡查等領域的應用與實踐，論述無人機技術在水利行業中的應用優勢和應用前景。

如我所料，學生頓時傻眼了，面面相覷，有些平時互動多的同學試探性地起哄——誰知道啊？是啊，誰知道老師走了多少步？誰知道老師會提這個莫名其妙的問題？但不管怎么說，老師就是這么真真切切地從大家的眼皮底下走過，只不過一開始大家并不知道老師要問這個問題，所以好像視若無睹了。

1 無人機系統簡介

無人機是利用無線電遙控設備操控，可以搭載相關傳感器的無人駕駛飛機，可以通過自動化、智能化、專用化等相關技術快速獲取國土、資源和環境等空間遙感信息，并實時上傳到數據處理系統，通過專業人士進行數據分析和整理，以供相關單位工作者進行實際應用。常見無人機控制系統主要由空中控制系統、地面控制系統和數據后處理系統3部分組成。空中控制系統主要包括通訊模塊和地表影像采集模塊。地面控制系統主要引導和制定無人機航行航攝路線。高級地面控制系統可以對預定航攝地區提前規劃好無人機的飛行路線等有關飛行，同時記錄并保存所有導航數據。數據處理系統主要根據各單位的實際需要通過軟件對圖像或視頻進行分析。國內外常見的主流軟件有PixelGrid、ERDAS、ENVI、ER mapper等。

常見無人機種類主要包括固定翼式、多旋翼式和無人直升機等。固定翼式起降方式多采用跑道滑行、彈射等；抗風能力較強，可長時間續航，但無法進行定點懸停拍攝工作，因此一般適用于監控輻射范圍廣或應急響應情況下的航測任務。多旋翼式和無人直升機無需跑道和彈射器，對于起降場地要求低，可在復雜地勢條件下快速起降，具有飛行靈活性強、可隨時懸停等優點[2]。其中，無人直升機具有結構復雜、載荷量大、續航時間長、操作復雜等特點；多旋翼式無人機具有結構簡單、操作簡單等優點，但載荷量較小，續航時間多數為30min左右。

2 無人機技術的特點

搭載各種傳感器和遙感相機的無人機可以對近地表實現多角度、高分辨率的連續圖像或視頻采集工作。所獲得實時信息內容豐富，尤其適用于對重點區域和監管難度大的區域的監測工作。目前無人機技術主要具備以下特點。

2.1 運行成本低，工作效率高

與其它方法相比，無人機的造價和后期維護成本低。各地區可以根據自己需要選擇相應類別的無人機，對本轄區重點區域、氣候條件較惡劣的地區、高危地區等進行監測，從而顯著減少外界條件干擾帶來的人員傷亡的可能，提高工作人員的工作效率和準確度。

2.2 監測精度高

無人機具有操作靈活、反應迅速等優點。在洪澇災害頻發的地區，無人機可以深入高危地區進行實時影像傳輸，為地面工作人員及時提供災區現狀，便于應急救援單位協調救援工作，降低搶險救災的難度，同時也保證了救援人員的安全。在河流汛期時，無人機可以迅速到達出現險情的上空，及時為有關單位實時監控汛情走向，為防汛指揮部作出決策提供較為客觀真實的信息，降低因對險情數據獲取較少而造成的損失。如，2018年8月，黑龍江省某河道突然遭遇上游強降雨，河床水位迅速上漲，部分地區堤防和河道均出現險情；為快速解決該險情，有關工作人員及時調用無人機在洪澇區進行高空作業，通過實時影像傳輸功能為地面指揮人員第一時間提供險情水情數據，便于確定來水方向和各堤防的泄洪強度，為防汛指揮決策提供準確依據，顯著提高了防汛指揮部門的運行效率[4]。

2.3 操作靈活，可以對建筑物進行多角度監測

采用物理方法（黃板誘殺等）和化學方法（藥土等）相結合無水防治，施用煙霧劑和粉塵劑，如果采用噴霧劑施藥，要在晴天上午施用適當減少防治次數和噴液量，防止棚內濕度過高。

2.4 飛行易受低溫、大風等天氣干擾

無人機具有視角廣闊、實時傳輸不受地形地貌影響等優勢。在水利行政執法巡查中可以代替巡查人員定期對垃圾傾倒、河道采砂、非法占河等違法行為進行巡查，輔助監察提取位置和范圍等信息，顯著提高了巡查人員的巡查效率和針對相關違法案件證據收集工作效率。如，2015年在廣佛肇高速公路修建期間，施工單位為減少成本，在很多隱蔽地方非法堆棄建筑材料，給生態環境造成嚴重的破壞。為此，廣東省水利廳在日常巡查中發現問題后，采用無人機直接對施工單位正在違法作業行為和違法棄渣場進行現場拍照和錄像取證，而后整理成材料提交到法院作為核心證據，顯著提高了水利行政執法的工作效率。

2.5 數據處理的特殊性

無人機作業效率高、作業成本低，可以搭載攝影及其它檢測設備對水工建筑物及其相關構筑物進行快速檢查，及時巡查獲取水工建筑物運行現狀、大壩變形、基層沉降、庫區水位變幅，核查岸坡是否存在地基變形、滑坡、垮塌等災害發生前的詳細跡象，便于水利工作者對水利工程現狀進行評價。如，湖南省應急管理廳為提高轄區內水庫病險診斷效率，利用無人機對江華瑤族自治縣病險水庫進行三維立體模型，為后期水庫除險加固工作和開展防汛提供必要的基礎數據資料和科學依據[5]。

3 無人機遙感技術在水利行業中應用

3.1 在應急救援工作中的應用

無人機可以根據任務需要隨時起降飛行，也可以預設航線進行定期巡航以獲取待測地區的相關圖像和視頻，交由專業人士進行數據分析。與其它方法相比，無人機測量精度為亞米級，獲得有關數據成本低、耗時短，可為有關單位科學決策和統計工作提供有力的數據支撐。

3.2 在水利行政執法巡查中的應用

目前無人機多由電池供電，易受到外界低溫的影響，導致續航時間急速下降。因此，在日常使用中，應注意外界天氣條件對無人機續航時間的影響。此外，因無人機體積小、重量輕，易受大風天氣干擾，導致無人機飛行不穩定，增加人為操控難度。嚴重時易造成無人機失控，出現墜毀現象[3]。

通過對3種吸附黃酮效果良好的樹脂進行靜態吸附及解吸試驗，確定了吸附分離紅薯葉黃酮的最優樹脂為AB-8大孔吸附樹脂，與任云霞等[10]、洪雪娥等[11]研究結果一致。通過正交試驗得到其最佳吸附條件為：上樣液濃度300 mg/L、流速2 mL/min、上樣液pH 5.0，其對紅薯葉總黃酮吸附率可達66.8%；最佳解吸條件為：洗脫液濃度90%、洗脫液流速4 mL/min、洗脫液用量5 BV，樹脂的解吸率可達70.3%。

無人機體積較小，重量較輕，飛行角度容易操控，可在險峻地勢和各種水工建筑物之間穿梭，易獲取不同點位的圖像和視頻記錄。此外，無人機可以通過掛載不同角度攝像頭對水工建筑物進行拍攝，為后期構建高精度等比例水工模型和水工建筑物的病險監測提供有力的參考數據。

3.3 提高水利基礎數據更新速度

在眾多水利基建地區和河道流經地區，常存在人力不能及時或難以達到的現場。目前多采用衛星遠程數據記錄功能進行數據存檔工作。這些存檔數據多數均存在明顯的滯后性，在實際應用中的時效性和可信度對水利管理部門決策容易造成影響。此外，水利部門屬于艱苦行業，各部門負責河流區域范圍廣、河段多，基層人員工作量負荷大，人才流失現象嚴重。為此，可以利用無人機在河道沿線進行低空定點巡航，以獲得大量高清晰、可解讀的復雜區域的遙感影像數據，及時了解各地水庫庫區水域面積變化、淹沒范圍、泄洪沖擊范圍、河道變化走向及轄區內水土流失情況，減少基層人員工作壓力。如，常德市紅旗水庫近些年來采用航測無人機對庫區流域面積、淹沒調查、防護區以及壩址等進行定期監測。所獲得資料在在效率、精度、質量等層面上均滿足要求，極大地減輕了紅旗水庫流域管理局日常工作壓力。

新疆烏魯木齊經濟技術開發區(頭屯河區)率先使用無人機對所在轄區進行網格監督檢查，協助執法部門進行拍攝取證，同時進行地理信息數據采集，建立實景三維模型等，極大地提升水利行政執法巡查工作效率。

3.4 在日常巡查水工建筑物及其相關構筑物病害中的應用

無人機執行數據采集任務主要分為外業飛行和內業數據處理工作。完整的數據采集工作是獲得高質量數據的基本保證，因此無人機在操控時必須經過培訓后方可上崗。此外，無人機執行任務后獲得數據量較大，對相關軟件和技術人員要求高，尤其是建筑物的病害分析，均需要大量的科研準備工作才可以正常進行。

對于灌區渠道巡查效率低等問題，使用無人機可以快速針對各干、支渠和水閘進行檢測，減輕渠系維護人員巡查壓力，及時發現渠系破損或淤積部分，提高渠系建筑物使用壽命和養護效率。

本文方法引入DPM/MIM矩陣聚類的內聚性準則來平衡正交度準則，通過調低TOPSIS的相對權重矢量中R值的權重值，設計人員很容易避開不合理的模塊劃分方案。

4 無人機遙感技術在水利行業應用展望

4.1 制定無人機行業有關規范

無人機遙感屬于新興智能化監測與巡查技術，但限于該技術的推廣和使用時間較短，相關法律體系和行業規范存在一定程度上的缺失，有關人員在日常使用時易出現安全與秩序問題，引發一些不必要的麻煩。因此，建議地方政府和有關單位盡快遵照國家現有法律法規，根據水利行業的特點制定和規范無人機應用和監管標準，建立無人機空中交通管理模式，確保相關人員在無人機的日常使用中有法可依。

4.2 加強水利行業無人機應用人才培養和管理

隨著無人機行業的迅速發展，一些普通高校和職業院校正在加緊設立與無人機相關專業。但現今社會處于多學科交叉融合階段，單純對無人機理論知識和實際操作的職業教育已經無法滿足社會需求。對于水利行業而言，相關法律法規和水利類基礎知識是相關從業人員必備條件。因此，建議無人機行業的人才培養應根據各行業需求，加大各學科專業知識的融會貫通，培育出適應各行業的綜合型人才。此外，在基層人員眼中無人機屬于高端儀器，相關配件和傳感器價格過高，即使經過系統的培訓，也易出現不會使用和不敢使用等問題。因此，在推廣無人機使用時，應注意定期對一線操作人員的專業培訓，提升基層人員綜合素質。同時，構建維修、保養、答疑等綜合服務體系，減輕一線人員對無人機使用的壓力。

4.3 強化無人機行業的技術攻堅

無人機遙感技術作為新興智能化監測與巡查技術，在水利行業中具備較強的應用優勢。但在日常使用時，仍存在一些問題，如大風或氣候條件惡劣等造成數據精確度下降、巡航時間大大縮減；無人機操作復雜，對專業人士技術要求較高等。因此，亟需對此進行技術攻堅，在提高無人機惡劣天氣適用性的同時簡化無人機操作強度。此外，無人機可以搭載多個探頭對基建設施和場地進行監測，如何通過傳感器采集的數據擴大無人機技術的應用領域也是現階段研究人員關注的重點。技術攻堅仍是無人機行業發展的重中之重。

1.2.6 RT-qPCR Trizol法提取細胞總RNA并測定RNA濃度和純度,調整樣品濃度后按照RT Mix試劑說明書反轉錄合成cDNA，PCR反應體系為5 μL SYBR、3.6 μL DEPC水、0.4 μL引物與1 μL cDNA。內參GAPDH引物序列為5′-AGAAGGCTGGGGC-TCATTTG-3′和5′-AGGGGCCATCCACAGTCTT-C-3′；Atg5引物序列為5′-GCTTCGAGATGTGTGG-TTTG-3′和5′-CAGTGGTGTGCCTTCATATT-3′，其相對表達量用2-ΔΔCt表示。

5 結論

隨著我國水利信息化水平的不斷提升，以無人機為代表的最新技術已經逐漸應用到水利行業的方方面面，尤其在應急救援、水利行政執法和水利工程建筑物日常維護等方面均起到了舉足輕重的作用。因此，無人機技術在水利工程中的應用對水利工程具有重要的意義與廣大的應用前景。未來無人機技術的發展潛力巨大，其與水利行業如何更好的結合值得進一步研究和探討。