無人機在水文測驗中的應用

張飛 曾文

1. 江西省水文監測中心 江西 南昌 330002；2. 修河水文水資源監測中心 江西 南昌 330002

引言

隨著無人機應用空間的持續拓展，在不斷的應用實踐和深入研究中，我國的無人機技術也在不斷地創新升級和優化發展，而今我國水利領域也積極順應時代發展形勢，進行了先進科學技術的合理引進和應用，因此無人機+水利應用模式應運而生，經實踐發現，在發生水害期間，利用水文監測無人機開展水文應急監測和水文調查，會收到前所未有的理想效果，深入研究無人機在水文測驗中的具體應用，探索無人機水文測流系統優化措施，有利于促進無人機技術應用在我國水利領域的進一步發展[1]。

1 無人機技術概況

中國科技近年來取得了巨大飛躍，在無人機領域取得了突破性進展，尤其是民用無人機方面在世界范圍內處于領先地位。它的民用用途主要表現在政府層面的公共服務事務，占到總功能的八成。雖然中國的民用無人機研發應用已經大幅領先，在科技人員的不斷努力下，近幾年在民用和工業領域的發展更是速度驚人，在世界范圍內的權重無可替代，可以說處于領跑者地位，行業最杰出的代表就是大疆無人機，在激烈的國際市場競爭中占盡優勢[2]。

1.1 技術原理

民用無人機用于水文測驗的機型大多數屬于旋翼機，參照國家權威機構發布的相關標準可以界定為無人機系統的第三類型。民用無人機用于水文測驗的實施方式有兩種，一是測驗全程由人工遙控，二是提前對無人機進行測驗工作的技術設置。上述兩種方法都可實現對江河湖海等水體水文方面的數據采集，包括水系深度、水位數據、水面寬度以及水流速度等相關信息，也可以可視化直觀地呈現水系統的走勢，無人機測量完成后向處理系統無線傳輸，處理系統繪出測驗區域的形勢圖，實現對水系斷面流量的精準計算，完成流速測量記錄并生成流量計算圖表。

1.2 系統構成

用于水文測驗的民用旋翼無人機技術系統的構成部分包括多旋翼形式的飛行器、手動操作的遙控器、雙余度傳感器、雷達測高儀、測驗軟件、無線視頻以及雷達波測驗儀器等等，現場測驗作業須2人同步完成，一個是專業飛行員，一個是測量作業人員。

1.3 技術特點

用于水文測驗的無人機具有以下技術特點[3-4]：一是雙冗余安全保障，無人機系統內部分別有兩套全球定位系統和飛行控制系統以及磁羅盤，無論飛行還是測量都有安全保障；二是實時差分全球定位系統，對高程定位以及起點距的測量作業均可實現高精度完成；三是無人機構造設計中的八軸動力形式，可確保無人機損壞單槳以及未緊挨的雙槳情況下不影響返航和降落的安全穩定性；四是即使測驗作業區域海拔達到4500m，無人機的飛行安全仍然有充分保障；五是無人機的一鍵返航功能可確保出現危急時刻情況下飛行安全和自動懸停；六是無人機可確保風力6級惡劣天氣正常起降；七是無人機包括起落架，機翼、機臂以及測驗儀器在內的構件折疊或拆解方便快捷；八是無人機全部構件可實現運輸箱放置，普通SUV汽車就可實現快捷運輸；九是無人機的整機結構采用的設計方式為模塊化且可迅速拆裝，非常便于應急處理；十是操作維護簡便易行，簡單技術培訓后即可上手；十一是飛機黑匣子可實現飛行數據的全程自動記錄；十二是技術人員可提前對無人機進行飛行設置，飛機即可自主飛行；十三是無人機電量設有預警設置，地基站工作人員可對電流電量消耗在線監測。

2 無人機在水文測驗中的應用

2.1 山洪監測

山洪多發于山區溪溝，來勢快、漲勢猛、危害大，同時極具不確定性，采集水位數據以及監測實時災況難度極高，以往工作人員須深入災害一線測量水位數據，排查人員轉移情況和人員圍困情況，這種常規做法非常危險且不易完成，把無人機用于山洪測量就可規避危險因素，可以最快速度抵達災害現場，由雷達波和實時差分等儀器設備完成水位實時測量，系統配備的高清先進影像設備可迅速完成現場地形的模型構建，精準獲得當前災害程度，為現場搶險救災提供準確的參考數據。

2.2 水庫測量

湖泊或水庫的監測任務主要包括水面面積、水位以及地形的數據采集，常規測量方式是采用全站儀，測量作業船只和標桿等人工完成，需要投入大量人力物力和時間才能完成，并且所得結果還無法保證準確度[5]。而無人機用于水文測驗作業就可實時就湖泊或水庫由系統相機快速實現現場實況模型構建，面積數據和地形情況立刻一目了然，同時精準測量實時水位，由此得出水庫當前水量，這種測量方式快捷高效，還可大量節省各種資源。

2.3 堰塞湖監測

山體滑坡或地震等嚴重地質災害極易給山區造成堰塞湖，堰塞湖一旦形成非常危險，它結構穩定性極差，受到沖刷或溶蝕極易頃刻瓦解，泥石流順勢而下造成嚴重的次生災害，而且這種災害具有持續性，一旦上游災害天氣帶來的影響呈現連續性而抬升堰塞湖水位，嚴重洪澇災害的發生幾乎不可避免，這就是對堰塞湖進行實時監測的必要性和迫切性，而災害天氣和地質條件需要快速精準的測量數據，人工作業完全不具備可行性。

利用無人機水文測驗方式可圓滿解決這種困難，機體可實現遠程測流拍攝任務，堰塞湖現場實況以照片形式被大量獲取，災害區域的模型構建據此生成只需一兩個小時，這種作業不依賴網絡和地面基站，現場指揮和技術人員可利用模型對堰塞湖及其裂口進行全方位數據測算，決策部門據此完成救援方針部署，為抗洪救災贏得寶貴時間[6]。

2.4 水污染監測

要實現水污染情況的高效治理，須獲得污染現場水體的全面信息，需要通過關鍵的水質采樣才能達到目的，常規的水質采樣作業有人工和自動兩種，人工采樣危險且低效，自動采樣需固定位置，機動性差，兩種方式局限性都不小。

利用無人機配置的測流系統就可實現輕松采樣，它有廣闊的覆蓋面，強力的機動性，可實現大區域巡查且省略人工操作，即使有危險因素也能正常作業，目前已有針對水質采樣作業開發的性能優良的專用無人機，與普通無人機有很大區別，它搭載的水質采樣儀器可同時攜帶多個品質的采樣瓶，區域和深度各異的水質采樣均可自動完成，還有一種特制無人機，可借助飛行抵達作業水面，幾乎不影響周圍環境，可替代作業船只實施采樣。

3 無人機在水文測驗中應用的案例

3.1 無人機測驗系統在黑龍江干流中游段水文監測中的應用

前文所述，用于水文測驗的無人機多為旋翼式，它可搭載的測流設備是非接觸式雷達多普勒儀器以及激光掃描儀器，由它們完成水文數據的采集作業，提前對無人機進行測驗斷面航線的設置，無人機依據設置的距離以近30m高度懸停且實施測驗作業到設置航線完畢返航[7]。即使水系處于暢流期，無人機也可實施采樣和測沙，比傳統測量采樣作業在作業成本方面實現了大幅壓縮，工作質量和效率有了長足進步，這種方法也可以用于有較大洪水時的測量采樣作業。開江和封江的關鍵節點，無人機可用于監測流冰密度，對上游和下游冰汛也可做到快速機動監測，讓汛情預報更準確。

3.2 優化建議與效果

本文涉及的工業用無人機型能在8m/s的最大風速環境下正常作業，作業區域所在的河段水面較寬，在大風大浪天氣無法實現測驗斷面的懸停和飛行測驗，能否長時間續航存疑，研究結論認為，無人機測驗作業天氣風力不宜超過5級，且備用電池須準備充足，還需向當地部門咨詢飛行限制，如有必要須提前報備。

4 無人機在水文測驗中的應用問題及對策

4.1 無人機水文測流系統存在的問題

無人機用于水系的水文測流，需要嚴格驗證測量效果，以閩江江段的水文監測為例，設置了多個水文監測點位，經同步無人機水文測流后對所得數據進行比對，對江面的表面江水流速進行測量，測量儀器為聲學多普勒測速儀和手持雷達，比對結果顯示無人機測流的難題如下：①抗振防抖能力不夠：無人機用于水文測驗的測流系統是以飛行方式由機體搭載的專業儀器實施測流，無人機的飛行途中外部環境會給機身帶來較大影響，過大的風力以及氣動效力等會讓機體出現大幅振動而極不穩定，而雷達測速儀對水體流速的測算是通過水面反射過來的波頻移量來完成的，需要機身有較高的穩定性，過大的振幅會導致數據采集達不到精確度，這種對防抖抗振的功能需求二者都不能滿足；②定點懸停精度較低：作業人員提前為無人機設置沿測流流向的自動航線，聽從系統指令定時定點懸停作業，但是設置懸停的定位準度很差，偏移和拉鋸問題時有發生，作業數據采集無法保證準確度；③數據回傳抗干擾能力較差：無人機實施水文測流時需搭載外置電臺，它負責收集雷達測速儀傳來的測量數據提供給計算機，這種單調的數據傳遞形式很難抵抗數據傳輸過程受到的干擾導致失真，對可靠性是一個很大考驗；④測流操作不便：當前技術條件下無人機水文測流能采集到流速數據，卻做不到測流自動化，飛行控制和作業軟件是脫節的，給作業操作帶來很大麻煩；⑤成果精度不符合相關要求：無人機用于水文測驗的測流作業對采集江面的表面流速很拿手，數據傳輸和結果測算也能完成，但是飛行過程的振動，流量結果的誤差以及系統兼容性差帶來的誤差都會讓最終結果不準確，達不到技術標準要求的精準度。鑒于當前技術條件對上述問題尚不能有效解決，無人機的水流測速作業技術條件不成熟，限制了它的應用和推廣。

4.2 無人機水文測流系統未來研究方向

無人機要實現在水文測驗方面的大力推廣還有以下幾步要走：①對無人機實施包括作業設備，機身結構在內的升級改造，提升雷達測速儀的兼容性等性能，克服機身在水文測驗作業時防抖抗振性能較差的缺陷；②對數據傳輸的單調方式缺陷進行優化，加強抗干擾性能，配置備用傳輸設施，做到準確可靠傳輸數據；③加強無人機的飛行控制，確保精確穩定懸停；④就無人機水文測驗加快研制先進測控軟件，實現預設航線，測流的定時定點自動化完成，數據的錄入檢索和查詢，自動分析表面與斷面在就是之間的關聯性，能對斷面進行流速以及流量的自動測算，繪制圖表和傳輸等功能；⑤率定無人機水文測驗系統參數，實施整機性能測試，結合傳統方式進行大數據比對，完成系統參數率定，在實踐中找到此類作業的客觀規律。

5 結束語

總之無人機不受地形地勢影響、機動靈活性強等優勢，為無人機在各個領域的廣泛應用奠定了基礎，隨著無人機在水利領域的應用，為水文應急監測和水文調查提供了幾大便利，而且也大幅度降低了水文應急監測和水文調查的作業難度，為了進一步提高無人機在水文測驗方面的應用價值，相關人員應繼續進行無人機水文測流系統的深入研究。