無人機遙感技術在水利工程安全與災害防治方面的應用

王 帥

（長春工程學院人事處，吉林 長春 130103）

1 無人機遙感技術發展背景

無人機是利用無線電遙控設備或機載計算機控制系統進行操控的不載人飛行器，英文縮寫為“UAV”。我國無人機遙感技術從最初的軍用發展到民用經歷了30多年的時間，可分為以下三個時期：1）20世紀80年代之前，無人機大多是軍用的，主要用于軍事目的的科學實驗和航拍測圖。此時的無人機控制系統及航拍數據快速處理技術還不夠成熟，使用成本較高，操作風險也較大。2）20世紀90年代至2005年，通過借鑒國外民用無人機遙感技術，我國對民用無人機技術積極展開應用探索，低端小型的民用專業級無人機得到了發展。3）2007年至今，無人機遙感技術進入快速發展階段。不僅軍用無人機取得突破性進展，屢立戰功，民用無人機也在各行各業得到應用。尤其是民用消費級的無人機技術也趨向成熟，走進千家萬戶[1]。

2 水利工程安全與災害防治發展現狀

水災是世界普遍和經常發生的一種自然災害，據估算，世界上平均由于水災造成的死亡人口和受災人口約占各種自然災害和受災人口的3/4。

中國是世界上洪澇災害最為嚴重的國家之一。據史料記載，自公元前206年至1840年的2046年中，我國共發生洪澇災害2 397次，其中較大的災害984次，平均每兩年就有一次[2]。《中國災情報告》的統計數據顯示，我國由洪澇災害造成的農作物受災面積占各種自然災害造成的農作物受災面積的22%，成災面積占28%，洪澇災害是我國危害最為嚴重的自然災害之一。以2019年為例，長江、黃河、淮河、珠江、松遼、太湖6個流域發生14次編號洪水，發生編號洪水次數為2013年有攻擊以來最多，較2013—2018年平均多了一倍。全國有615條河流發生超警戒水位洪水，其中119條河流發生超保證水位洪水、35條河流發生超歷史實測記錄洪水。近年來，洪澇災害問題不僅出現于流域附近，一些城市也發生較嚴重的暴雨內澇問題。我國是一個城市化問題十分突出的國家，全國一半的人口主要集中在650多座大中型城市。這些城市擁有全國4/5的經濟總量，在國家政治生活和經濟建設中起著舉足輕重的作用，一旦發生洪澇災害，將嚴重威脅人民的生命財產安全。

同時，隨著極端天氣突發、自然氣候形勢惡化，現有的水利防汛工程體系還需要進一步完善。近年來，山洪災害頻發、中小河流超標準洪水頻現，對我國的防汛工程體系建設帶來了不少新的壓力。水利工程作為民生工程，與地區經濟發展、生態環境、工農業生產有直接聯系。科學安全的水利工程運行管理方式，特別在山洪災害防治系統、中小河流防洪工程、中小水庫安全管理、水毀工程修復等方面，需要結合無人機遠程遙感與監測技術，為水利工程建設與維護提供基礎數據。同時，在防汛中開展水文信息實時分析研判，為水旱災害防御、應急搶險及水毀工程修復工作提供更好的決策支撐。

3 無人機遙感技術在水利工程安全與災害防治方面的應用

無人機技術通過在飛行器上安裝數字遙感設備，例如數碼相機或數碼攝錄機等進行拍攝和記錄，再將影像資料通過處理技術進行同步傳輸，以實現對地理信息的實時監控。無人機能通過低空飛行方式，航拍高分辨率的遙感影像，具有高機動性、高清晰度、低成本等特點。水利工程由于地形條件復雜、工程規模較大等特點，在很多方面可以利用無人機遙感技術提高工作效果[3]。

3.1 在水利工程安全方面的應用

3.1.1 開展河道巡查

利用無人機航攝技術，能有效彌補人力無法到達預定位置、時間有限等缺點，可以從宏觀上、微觀上在河道動態監督、巡查方面發揮極大用途。真正做到以點帶線、巡線找點，細化督查，找問題、查責任、促履職，調動加強河湖管理保護工作。以某市為例，2017年，某市對倒木溝河進行管理保護，通過無人機遙感航拍技術、實地走訪、監控拍攝等手段對河道現狀進行監測。通過采用無人機巡河，低空安全范圍排查，測出涉水建筑、水面漂浮物、岸坡損壞、湖泊圍墾等情況。從高清圖片和視頻資料中可以清楚發現倒木溝現存跨河建筑物共6座，其中橋梁4座，涵洞2座。由于倒木溝沿河總人口2 778人，共有11家養殖戶，存在生活用水污染和畜禽養殖污染隱患，需重點排查。因此，采用無人機低空飛行航拍高分辨率遙感影像，在位于倒木溝東橋處發現一處100 m3生活垃圾傾倒于河中，影響水質的畜禽糞便堆積點2處，需要修建垃圾收集點2處。通過無人機遙感技術，對當地制定“一河一策”提供了有力的依據，是河長制運行體系下的重要舉措。通過該方法，可以更加全面地了解流域基本情況，為后續治理方法的制定提供理論依據。通過多方位的考察，無人機航拍對于全面了解河流狀態，水域岸線現狀，水污染尤其是畜禽養殖污染偷排問題，小型企業偷排污水問題，在河道管理范圍內非法采砂、非法建筑物、灘地種植高稈作物，地方破損長度、位置能直接觀察到，第一時間進行處理。

3.1.2 提供水利工程基礎信息

無人機可以通過配置多個角度的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。無人機對水庫、河流、湖泊的連續不斷監測，可以獲得監測水范圍的實時變化情況，通過獲得的一系列基礎數據、影像資料，如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。還可以通過專業的軟件分析研究逐步實現水域管理的信息化、智能化，從而滿足社會經濟發展的需要。

3.1.3 開展水質監測

關于水質環境監測，根據監測任務要求，無人機遙感系統可切換搭載多光譜成像儀、水質采樣儀、夜視系統等模塊，實現對水質情況的全方位巡查監測。目前的無人機多參數水質檢測儀可短時間內生成高清晰數據圖像和葉綠素、水體濁度、藍綠藻等多種檢測數據。另外，水污染事故發生后，無人機多參數水質檢測儀可快速提供水體污染狀況變化情況，用于環保部門快速響應和處置決策。

3.1.4 開展水利行政執法

在水利行政執法巡查中，無人機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。

3.1.5 拓寬監測檢查范圍

部分水利工作內容涉及的河流區域范圍廣、河段多，極端天氣巡視任務重，甚至部分險情發生地區工作人員無法進入。在各水文監測、河道監測點配備無人機航拍設備，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。新冠肺炎疫情防控期間，車輛、人員均處于封閉隔離狀態，管理人員通過無人機遙感系統進行巡查管理，系統搭載的攝像設備實時傳輸河道圖像，確保管理不缺位。

3.1.6 降低管理成本

傳統水利監測管理主要依靠人工觀察、車船巡視、人力取證等方式，需安排專業人員，日常巡查所需車船、油料、設備、人力等投入較大。無人機遙感系統日常維護簡單，人力投入較低，另外受特殊環境影響較小、適應性強。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。

3.2 在災害防治方面的應用

無人機遙感技術在災害防治領域發揮了重要作用，其特點是機動性好、數據精度高、成本低、數據實時性強等，已廣泛應用到許多領域，主要包括災情監測、高清數據采集、應急指揮支持等。

3.2.1 災情監測和高清數據采集

無人機在防洪減災領域可用于滑坡、山洪災害、城市洪水、堤壩潰決、旱情監測以及地震、滑坡等引發的堰塞湖等方面的監測。早在2008—2009年黃河凌汛期間，利用無人機采集 CCD（Charge Coupled Device）高分辨率照片及視頻，進行黃河寧蒙河段凌情監測；在全國山洪災害調查工作中，無人機技術應用于獲取復雜山丘區小流域基礎信息資料；近年的無人機防汛應急指揮調度系統、無人機應急指揮車、空中測驗報汛平臺等，可在山洪或泥石流等災害造成通信網絡中斷的情況下，建立前線與后方移動會商系統，為指揮決策提供支持[4]。在進行防汛檢查時，無人機利用不受道路損壞、極端惡劣氣候的影響，可以第一時間到達需要檢測的區域進行360°的巡察，利用相關技術將檢測數據實時傳遞，最大程度地規避風險的產生。發生險情后，無人機可以代替技術人員深入險情地帶帶回最新信息，為應急救援提供依據，還能更大程度地保障救援人員的安全。

3.2.2 應急救援指揮

無人機可通過配備無線高音喇叭進行高空巡航。在危險區域循環播放預警音頻，疏散群眾，也可實時喊話，對被困人員進行安撫。通過在無人機上掛載高空拋投器，根據實時傳輸回來的圖像確定投放位置后，通過手持遙控器對投物器進行控制打開，將貨物（頭盔、急救包、救生衣、繩索等）準確拋投到所需區域。

4 存在的不足

無人機遙感技術水利工程安全與災害防治方面中主要存在以下幾個方面的問題：

1）缺少標準法規、規范，有一定技術門檻。在大力發展無人機應用的同時，安全與秩序也擺在從業者的面前。目前，國家各部門沒出臺涉及無人機管理的具體法律和法規，各部門的規章制度也滯后于產業的發展。但是，水利工程安全管理結合無人機遙感技術是趨勢所向，因此研究制定遵照國家現有法律法規、適合水利行業特點的監管標準規范，是確保有序、安全、高效地發展水利無人機遙感技術的當務之急。無人機技術發展快，在應急監測流程、硬件指標等方面還未形成統一標準規范，且利用無人機遙感技術進行數據采集要求操作者具有一定的無人機操作技能，操作人員需要經過培訓，考試合格后方可上崗。

2）監管方面需要完善。河湖資料為我國基本地質資料，是國家信息資源安全的重要組成部分。無人機遙感系統的資料處理存儲為數字形式，在方便查詢管理的同時，也易造成當地河湖資料的外泄，存在一定公共安全風險，需要對資料進行妥善管理。

3）覆蓋面較小。在大風或氣候條件惡劣等情況下，會造成數據精確度下降、巡航時間大大縮減。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[5]。此外，無人機可以搭載多個攝像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。

5 總結

隨著我國水利信息化水平的不斷提高，以無人機遙感技術為代表的新興技術已經應用到水利行業的方方面面，特別是在水利工程安全與災害防治方面發揮了重大的作用，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起到了舉足輕重的作用。因此，如何將無人機遙感技術與水利行業更好地結合，是科研人員值得進一步研究和探討的內容。