無人機在水利防汛和河湖治理方面的應用

郭關山

（陜西江河水利工程維修養護有限公司,陜西 渭南 714100）

傳統模式下,在中小河流防汛和河湖治理中,往往依靠單一模式進行實地探測,受地形環境影響,部分地區階段性工作無法實現實時監看,開展實地探測消耗大量人力、財力物力。在防汛過程中,河湖流向掌握停留于局部,全面化、時效化、數字化信息同步不及時,對工作開展造成一定影響。近年來,隨著社會科技水平的不斷提升,無人機技術被廣泛應用到各行各業,從發展趨勢和實地效果來看,無人機操作性靈活、機動范圍廣、不受地形地勢影響、監看區域大等特點,對水利防汛和河湖治理起到助推作用。在近兩年陜西省開展河湖明察暗訪過程中,無人機應用對河湖問題查處、督查督辦、過程跟蹤、成效捕捉做出重要貢獻。雖然無人機技術應用便捷、成本低,但也要求操作使用者在工作過程中必須對關鍵技術進行了解掌握,利用好無人機特性達到理想效果。

1 無人機基本技術概念和特點

無人機在水利行業如何實現空中數字化？在使用中,無人機利用GPS定位系統、避障系統、紅外溫控模組、航攝飛行平臺、數據采集模塊、存儲及緩存終端進行運轉,通過無線電遙控裝置或者機載計算機程序進行遠程操作,利用云平臺實時回傳數據,打破地域限制,可指揮中心遠程指導,全盤布局。目前市面上民用無人機（固定翼、多旋翼）基本具備以上功能,部分品牌無人機可利用云平臺進行高效存儲、地形構建等操作,實現對數據的建設、管理和共享,為水利行業人員提供數據參考[1]。其主要特點體現在以下幾個方面：（1）具有較低的操作成本；（2）具備較高的拍攝及測量測繪精度；（3）具有較好的避障能力和安全靈活性；（4）具有較強的擴展和兼容能力。

2 無人機技術在當前水利行業應用的優勢

2.1 較高的時效性和性價比

相對于傳統巡河及河湖監測手段,無人機優勢在于可段時間高效完成作業任務,且執行成本低,重復使用率高,效率突出。一般民用無人機幾千元不等,即可實現高分辨率圖傳、越障礙飛行,搭載不同焦段鏡頭,可操作性更高。

2.2 安全性和靈活性更強

無人機同其他載人飛機、皮劃艇及復雜地形河勢資料收集相比,不需要指定降落地和起始點,能夠第一時間快速響應作業需要,觸達速度快,防水無人機在惡劣天氣也可執行任務。受地形影像較小,降低人員風險,提高業務應用的安全性。

2.3 信息支撐能力和云計算能力突出

無人機借助各類傳感設施,實時傳回現場畫面,更可對重點區域進行全景標注、二維、三維建模,比對河流前后發展情況,為水利防汛、河湖治理等指揮決策提供有效的數據支撐。工業級無人機利用AI測算,高效預估水情變化,為防汛人員提供數據參考[2]。

3 無人機在水利防汛和河湖治理的應用場景

3.1 巡河建圖,構筑水資源空中數字化

面對河道、壩體等面積廣闊、地形復雜的水利巡查對象,巡護人員可以借助無人機（如經緯M30系列）快速獲取態勢情況,記錄河道及灘區關鍵點位的全景信息,相比于傳統人巡作業方式,作業效率提升了三倍以上。同時,無人機在夜間利用紅外相機,可清晰獲取河道安全狀況,不僅效率成倍提升,人員安全也得到充分保障。無人機獲取的影像可借助云平臺進行快速同步防汛指揮中心隨時隨地開展汛情研判。基于二維正射模型可以制作電子指戰圖,助力指揮中心合理部署應急救援力量。基于三維實景模型,還可提前預判洪水沖擊方向、易受災區域、測算圩堤內外的水位差值、進行淹沒分析等,協助風險評估,撤離路線標注。更可利用大數據平臺、經緯定位、海拔地形信息構建數字化水域岸線平臺,為水利業務工作提供重要數據支撐。

3.2 水利防汛和應急搶險

在汛期,需要實時防范有無漫堤風險,可運用無人機在空中快速排查堤壩工程情況,檢查防汛物資是否完好,對比不同時期時段影像,高效處置險情,一線巡查人員可2小時完成十多公里的灘區工程巡護任務。在汛情突發區域,無人機可以高效機動,靈活協助水文部門測量水體流速、流量,幫助評估汛情狀況,輔助防汛指揮決策。部分區域防汛工作時間長、面積廣,傳統人工徒步巡檢效率低,且存在較大的安全風險,無人機利用其輕巧便攜的特點能夠輕松應對多區域轉場作業的場景,同時,高質量遠距離圖傳也為抵近偵察、大范圍巡檢提供了技術支撐,從而實現險情及時發現、及時處置。汛情期間,無人機還可快速建立重點區域二維正射影像,幫助防汛人員進行前、中、后期汛情摸清比對,配合衛星搖桿影像監測水利工程運行情況及河勢變化。汛期經常伴隨降雨,擁有IP55防水的無人機在雨天依然可以開展相關工作。在搜救過程中,作業人員可利用無人機精確研判、排查被困人員,利用牽引繩緊急跨河、跨江布放光纜,快速完成傳輸及基站任務,第一時間幫助解救被困人員。汛情期間,水位持續上升,流速加快,對湖堤構筑、土基等會產生較大沖擊,因此汛情期間對于堤壩的巡檢是十分重要的,相比傳統人工巡檢,無人機具備視角靈活、航速較快、全天候作業、航線復飛等優勢,能夠對重點區域進行多次、多角度巡檢。

3.3 工業級無人機的應急維修作業

伴隨著新媒體的推廣及5G、AI相關技術的不斷發展,無人機功能更加豐富、操作性能日益增強。伴隨著工業級無人機的出現,為水利防汛應急通訊保障帶來了新的策略思路。一方面,作業人員可利用無人機,從空中更大范圍的對受損水文設施進行巡檢和處理,這不僅能提升傳統維修效率和準確度,更能降低對人力的依賴成本。參與防汛搜救的無人機,具有長航時、遠距離、大載量、大范圍高空巡查能力,可隨時應對各類突發情況。部分工業級無人機具備對高海拔、高溫、嚴寒等惡劣天氣的應對能力,進一步擴大了無人機水利防汛的應用范圍。

3.4 協同搜救及隔空對話

無人機不受地面和水下障礙物的限制,降低了沖鋒舟搜索遇險的風險。在救援中,對于人力無法迅速到達救援的地方,利用無人機可攜帶救生設備或救災物資,進行可視投送,并可實時回傳圖像到指揮部,實現應急救災物資或救援裝具的精確投放, 為被困人員爭取等待救援時間。在2023年8月上旬河北暴雨造成的城市內澇、河流水位上漲、汛情危機時刻,無人機救援為人民群眾挽回生機。面臨內澇嚴重的涿州市,城市路面受阻嚴重,通訊中斷,緊急救援隊伍及時運用無人機在半空中搜索受困工作人員的詳細位置。在定位具體的受困工作人員的具體位置后,運用無人機的高音喇叭將緊急救援的方式通知受困工作人員,并與受困工作人員深入開展即時隔空對話,這對快捷穩定局勢,撫慰受困工作人員的心情有良好意義。在夜間利用無人機搜救被困群眾時,還可以搭載探照燈給救援人員進行指引和輔助照明,不受地形的限制,提供移動的光源；夜間發現管涌、潰堤等險情時,臨時搭建輸電線路效率低,特殊地區受地形限制,地面光源受限,可以利用無人機搭載照明設備為搶險救援人員提供高空應急光源。

3.5 河湖治理及動態巡檢

河湖治理方面,可利用無人機進行自動河道巡檢,從傳統高成本低效率發展成高效智能化。自2018年來,水利部對河湖四亂問題開展集中整治,一批長期侵占破壞河湖問題得到徹底解決,被非法侵占破壞的水域岸線、灘地植被、生態環境逐步得到修復,河湖行洪和蓄洪能力得到大幅提高,水環境、水資源、水生態狀況持續向好。2023年陜西評選出15條幸福河湖,生態文明建設成果突出,無人機的數據應用起到一定作用。小組人員利用無人機對亂建（庵棚、臨時場地、違建房屋）、亂占（圍圩養殖、圍網養殖、阻水林木）、亂堆（建筑垃圾、傾倒淤泥）、亂采（違法采砂）可進行自動化取證、自動化派發、自動化上傳,遠程控制拍照錄像,對取證記錄、飛行資料進行留檔,實現數據實時、精準決策。

3.6 山洪災害評估調查

山洪災害的調查研究對開展水域保護、生態治理具有重要的意義,以人工探測的方式,具有極大的局限性。以渭南市華州區為例,其南依秦嶺、北臨渭河,華州區南部地區受南山支流影響,山洪災害高發,每年汛期前后需開展多次的災害評估和調查研究[3]。在此情況下,可利用無人機航測系統,完成對象區域的地形、地貌等地理信息的收集,利用大數據對比,快速評估災害發生概率,對災害應對、受災救援等工作提供高效的技術指導。

4 結語

綜上,無人機已在河湖巡查、漁政執法、水利防汛、河道確權、山洪災害探測、值守巡檢等方面得到廣泛應用,且對比傳統技術具有較大優勢,在未來將和水利行業已有的業務信息系統深度結合,嘗試應用于極端天氣條件下的防災減災工作,守好綠水青山和生態文明,水資源空中數字化和無人機技術將得到廣泛應用。