黃河寧蒙河段凌情無人機監測應用研究

袁秀忠 王平娃 孫蓮蓮 李欣慶

（1.黃河水利委員會水文局，河南 鄭州 450004；2.黃河水利委員會寧蒙水文水資源局，內蒙古 包頭 014030；3.淄博市黃河工程局，山東 淄博 255000）

黃河寧蒙河段凌情無人機監測應用研究

袁秀忠1王平娃2孫蓮蓮3李欣慶1

（1.黃河水利委員會水文局，河南 鄭州 450004；2.黃河水利委員會寧蒙水文水資源局，內蒙古 包頭 014030；3.淄博市黃河工程局，山東 淄博 255000）

自2009年凌汛以來，結合凌情無人機應急監測系統各部分的實際需求，在寧蒙河段分別利用固定翼、單旋翼、多旋翼等無人機先后進行了多次凌情監測實踐，試驗研究了無人機在凌情監測中的適用性，分析了不同機型的優缺點。基于應用研究成果，提出黃河凌情無人機監測方案。

凌情監測；無人機；固定翼無人機；單旋翼無人機；多旋翼無人機

寧蒙河段屬于黃河上游，河段全長1 217km，凌汛期從11月流凌封凍，次年3月中下旬解凍開河，封凍天數多年均值為117d，最低氣溫達-34℃，風力多在4級以上，封河冰厚一般為0.7m，最厚在1m以上。石嘴山以下河段河道寬淺，淺灘彎道較多，主流擺動游蕩，是冰凌災害最嚴重的河段之一。從以往凌情分析，凌汛期寧蒙河段冰塞、冰壩等突發凌情易發生在多彎或急彎河道。這些彎曲河道的流凌觀測十分困難。由于遠離堤壩，人工巡查冰凌時借助望遠鏡也難以觀察河道內流凌情況，適合用無人機飛臨河道上空進行近距離觀測，可及時發現突發凌情跡象，提前采取措施，避免或減少災害發生。為研究不同無人機機型在黃河凌情中的應用，選擇在黃河寧蒙段進行了固定翼、單旋翼、多旋翼等無人機進行凌情監測，為今后在黃河整個河段應用無人機凌情監測積累經驗。

1 無人機凌情監測系統

當前，包括軍用、民用的各類無人機正處在高速發展時期，各種類型和型號的無人機不斷更新換代。同時，適于無人機的機載照相機、攝像機、雷達成像、激光成像、傾斜攝影測量設備等各種載荷的研發應用也得到了同步發展，為開展無人機凌情應急監測提供了越來越多的選擇。目前，適用于寧蒙凌情應急監測的無人機主要包括固定翼、單旋翼、多旋翼三類。

基于無人機技術的發展狀況和寧蒙河段凌情監測的實際需求，黃河凌情無人機應急監測系統由無人機平臺、監測載荷、地面控制站、凌情監測分析、防凌指揮會商等5部分構成。現在對這五部分進行詳細分析。

①無人機平臺包括飛行器平臺、飛控導航系統、對地通信鏈路。飛行器平臺決定了無人機載荷能力和監測性能，根據監測任務可選用固定翼、直升機、多旋翼無人機［1］；飛控導航系統實現了飛行器的遙控、自航飛行，決定了無人機系統的飛行性能；對地通信鏈路接收地面控制站的飛行指令，傳輸飛行狀態和監測視頻。

②監測載荷由陀螺云臺和監測傳感器組成。根據監測任務，可選的監測儀器主要包括：數字照相機、數字攝像機、雷達成像儀、紅外成像儀、激光成像儀。拍攝現場凌情影像的數字照相機和實時視頻監測的數字攝像機用途較廣。

③地面控制站包括對機通訊鏈路、飛行控制系統、信息傳輸系統。對機通訊鏈路，向無人機發送飛行指令和任務規劃，接收監測視頻數據；飛行控制系統，實現無人機的動態控制，編制自動飛行任務規劃；信息傳輸系統，通過3G/4G通信或計算機廣域網實現凌情視頻和影像數據的傳輸。

④凌情監測分析包括影像數據接收、影像數據處理、人機交互解譯。影像數據接收，接收來自地面控制站的凌情視頻和數字影像數據；影像數據處理，實現視頻動態拼接形成河道冰凌情勢圖以及影像校正拼接形成河道冰凌正射影像圖；人機交互解譯，根據河道冰凌情勢圖和冰凌正射影像圖，進行流凌密度、冰塞冰壩、凌洪范圍等凌情信息提取。

⑤防凌指揮會商包括視頻實時接收、圖像鑲嵌拼接、凌情現場展顯。視頻實時接收，實現無人機現場視頻的實時接收；圖像鑲嵌拼接，實現凌情視頻圖像動態拼接和來自人機交互解譯的凌情信息標注，形成供會商參考的河道冰凌情勢圖；凌情現場展顯，為防凌會商展顯監測現場的凌情視頻。

2 凌情監測應用研究

2.1 固定翼無人機監測

2009年3月，在內蒙古杭錦旗至達拉特旗河段的新華村、包西鐵路橋、獨貴鎮三處場地利用固定翼Sky-01C型無人機進行監測飛行20余架次。監測成果及分析如下。

監測成果：實現了凌情現場、監測分析、防總指揮部三地凌情視頻同步傳輸展顯；視頻實時拼接制作了3處監測河段的河道冰凌情勢圖；現場進行CCD監測數據拼接正射影像處理，制作了河道冰凌正射影像圖；提取了冰洪漫灘范圍、河道流凌密度信息，提取結果與同步地面人工觀測結果精度一致［2］。

優點是該機型以正射成像為主，數據處理量大，航時較長，作業飛行速度較快，適于較大范圍監測作業。缺點是云臺平衡能力弱，視頻抖動較大；滑行起降，需要整理專用跑道；操作難度大，技術要求高，需要專業操控團隊。

2.2 單旋翼無人機監測

2011年3月，在內蒙古三湖河口至包頭河段利用單旋翼Z-3型無人機監測飛行16架次。監測成果及分析如下。

監測成果：采集獨貴塔拉鎮奎素河段1G監測視頻數據，實時拼接制作了監測河段及河道的冰凌情勢圖；通過3G網絡將監測視頻影像實時傳輸到防總指揮部；提取了冰洪漫灘范圍、河道流凌密度信息。

優點是該機型可垂直起降，不需要整理起降跑道；能在凌情現場上空懸停，指揮部可獲得穩定清晰的視頻展顯；起重量較大，可懸掛高性能的陀螺攝像云臺，影像清晰，場景穩定，適于在指揮部展顯凌情現場的監測作業。缺點是作業風力小于三級，只能在微風天氣條件下作業；操作難度大，技術要求高，需要專業操控團隊。

2.3 多旋翼無人機監測

2016年3月，在內蒙古三湖河口至頭道拐河段水文測驗人員利用旋翼式大疆“悟”Inspire 1型無人機進行凌情巡測。監測成果及分析如下。

監測成果：水文巡測人員利用無人機實現了近距離巡測河道凌情，解決了由于河灘地形限制難以靠近河道的難題；成功發現了3次突發凌情：3月16日，在臨河河段發現1處長、寬為150m×50m的冰橋，3月17日，在五原河段發現1處長、寬為1 000m×200m的冰橋，3月19日，在包西鐵橋上游700m彎道處發現堆冰長5km的冰壩，上游三艮才險工丁壩工程淹沒；凌情監測視頻和圖像由無人機下傳地面控制站，進行離線處理后由4G網絡將監測視頻上傳至防總指揮部［3］。

優點是該機型操作簡便，垂直起降；能在凌情現場上空懸停，可空中變形，操作靈活；云臺任意方向360°旋轉，影像清晰，場景穩定；水文人員簡單培訓即可操作自如，適于基層水文巡測作業。缺點是續航時間太短，難以承擔復雜凌情的監測任務。

3 結語

基于在黃河寧蒙段無人機凌情監測的應用研究，黃河凌情監測宜采用固定翼無人機與多旋翼相結合的方式進行。如果大區域監測黃河凌情采用固定翼無人機進行巡航監測，但該機型飛控復雜，需要專業飛手，可以成立專門飛行隊伍，配備一至二套固定翼無人機統一監測整個黃河河段的凌情，根據黃河防汛總指揮部的需要隨時到現場監測。小區域常規性的黃河凌情監測可使用多旋翼無人機進行，該機型操作簡便，數據傳輸相對容易，可配備至各基層水文局進行多頻次監測。

［1］ 何厚軍，馬曉兵，劉學工，等.遙感技術在黃河凌情監測中的應用［J］.中國防汛抗旱，2015（6）：10-13.

［2］ 王春青，ArthurE.Mynett，張勇，等.黃河流域寒潮天氣與凌情關系分析［J］.水文，2012（5）：48-52.

［3］ 馬瑞升，孫涵，馬輪基，等.基于微型無人機影像的土地利用調查試驗［J］.遙感信息，2006（1）：43-46.

Application Research on Ice Flood Monitoring in Ningxia-Inner Mongolia Reach of the Yellow River by Using Unmanned Aerial Vehicle

Yuan Xiuzhong1Wang Pingwa2Sun Lianlian3Li Xinqing1
（1.Hydrological Bureau，YRCC，Zhengzhou Henan 450004；2.Ningmeng Hydrology&Water Resources Bureau，YRCC，Baotou Inner Mongolia 014030；3.The Yellow River Engineering Bureau of Zibo，Zibo Shandong 255000）

Melting ice flood since 2009,in combination with ice flood UAV actual demand of each part,emergency monitoring system in Ningmeng River respectively using fixed wing,single rotor and multi rotor UAV successively repeated ice flood monitoring practice,experimental research on the applicability of the UAV in ice flood monitoring,analyzes the advantages and disadvantages of different models.Based on appli?cation of research results,this paper put forward that the Yellow River ice flood UAV monitoring pro?gramme.

ice flood monitoring；UAV；fixed wing UAV；single rotor UAV；multi rotor UAV

TV875；P237

A

1003-5168（2017）11-0103-02

2017-10-09

袁秀忠（1967-），男，本科，高級工程師，研究方向：3S技術應用與信息工程建設。