無人機技術在渭河河道查勘中的應用

王 櫻，靳金平，張廣林

渭河下游屬于典型的北方多泥沙沖淤性河流，三門峽水庫建庫以來，渭河下游淤積嚴重，河道主流擺動頻繁，沖淤變化劇烈。特別是洪水過后，河道主槽寬窄、位置、形狀變化大，河道彎頂上提下挫頗為常見，河道自然裁灣時有發(fā)生。因此，渭河下游的大洪水過后和每年汛前、汛后的河道查勘工作顯得尤其重要。針對當前和到勘察方式的局限性，探討無人機技術在渭河查勘中的應用。

1 渭河下游河勢查勘工作的主要任務和內(nèi)容

2.1 主要任務

渭河下游河勢查勘的主要任務是：實地調(diào)查分析渭河下游河道在洪水期或汛期河勢變化情況以及防洪工程在洪水期間對河勢的控導作用和工程水毀情況，為下年度防汛準備工作提供資料依據(jù)和防洪工程修復作技術參考，確保來年汛期安全度汛。

2.2 主要工作內(nèi)容

當前渭河下游河道查勘工作主要依靠工作人員現(xiàn)場徒步踏勘、深入河道內(nèi)肉眼觀察，憑經(jīng)驗對河道灘面及主槽變化情況、工程對水流的控導作用等進行判斷，同時勾繪河勢變化圖，根據(jù)查勘情況分析汛期或洪水期河道變化情況以及洪水期防洪工程可能出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)的險情，預估后續(xù)河勢的發(fā)展演變趨勢。

2 現(xiàn)行河道查勘工作方式的局限性

2.1 傳統(tǒng)河道查勘效率低

在洪水結束后，河灘內(nèi)往往淤泥遍布，工作人員難以進入河道內(nèi)，部分河段高桿作物阻擋視線，也觀察不到水流和岸坎及工程水毀情況，這部分只能根據(jù)經(jīng)驗判斷，可能與實際情況有較大的差距。

2.2 河道查勘中對河流走向的總體把握不足

當前河道查勘基本上是采取選取關鍵查勘地點觀察的方式，相鄰查勘地點之間距離相對較遠，由于工作人員觀察河勢變化情況的位置所限，只能看到較近的區(qū)域，而對于遠處的河道水流變化情況及河流走向只能依據(jù)當前水流走向推理和經(jīng)驗判斷。這樣以來，對于河流的總體走向往往會出現(xiàn)偏差，不能反映真實的河勢情況。

2.3 河勢變化主要依靠經(jīng)驗判斷，勾繪河勢精度不高

渭河下游河道沖淤變化劇烈、河道形態(tài)演變頻繁，其河勢變化在時間上具有漸進性，在空間上具有漸變性，河道內(nèi)各種灘、槽、岸坎形態(tài)要素不斷相互轉(zhuǎn)化。勾繪河勢時，工作人員多依據(jù)經(jīng)驗推理、判斷較遠處河道水流變化，進而對河勢演變趨勢進行判斷。這種方式具有一定局限性：一是較遠處河勢的判斷可能與事實不符，而且其誤差可能較大；二是在勾繪河勢和河道走向時，對河道寬窄、走向變化起始位置及相對距離的把握較為困難，不能精確描繪河道演變情況。

2.4 洪水期突發(fā)險情危及工作人員安全，工作效率較低

在洪水期洪水查勘中，河道水流變化較快，對防洪工程的損毀往往很突兀，一旦出現(xiàn)險情，其發(fā)展非常迅速。目查看險情需要工作人員深入現(xiàn)場觀察、拍照、確定搶險方式和計算工程量等，時間較長，效率較低，受工作人員巡查位置所限，洪水期間出險現(xiàn)場坍塌、滑坡、潰決等無法準確預測，可能危及工作人員人身安全，不利于工作的開展。

3 無人機技術在查勘工作中應用的思考

3.1 無人機航拍總體把握河勢的走向

無人機攜帶視頻錄拍設備，在河道查勘中方便、高效、廉價的在高空攝取區(qū)段河流全貌，能清晰的反映河段水流走向和河勢總體變化情況。渭河溢渡灣道是一個多年形成的大曲率灣道，洪水期水流不暢，流速緩慢，工作人員站立在工程上很難發(fā)現(xiàn)灣道深處河勢變化情況。2017年汛后，工作人員發(fā)現(xiàn)原灣道主槽逐漸淤積萎縮斷流，但無法看清灣道深處水流走向，后用無人機高空拍攝，清晰的發(fā)現(xiàn)此處自然裁灣(如圖1)。

圖1 渭河溢渡彎道自然裁彎

3.2 無人機結合GPS定位儀等高精度測繪儀器能較為精確把握對河勢的細微變化

無人機作為一種會飛的傳感器載體，其本質(zhì)就是數(shù)據(jù)采集。當無人機攜帶GPS定位儀等高精度測繪儀器后，就可以成為一種精密的、不受地形、地貌限制的測量儀器。通過高精度定位系統(tǒng)等各類測量儀器，能完美的測量出河道查勘所需的各種數(shù)據(jù)，如河灣或工程出險位置、長度彎矩、河槽寬度等。在勾繪河勢時可以直接通過無人機傳感器與計算機聯(lián)結，將航拍圖形和數(shù)據(jù)直接應用于河勢圖的制作中，避免了人工繪圖的隨意性，使繪圖更加精確、方便。通過無人機在高空在同位置多年拍攝的全景照片對比分析，還可以清晰的發(fā)現(xiàn)區(qū)段河勢變化過程和趨勢，提前發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常河勢的可能。渭河槐元彎道時渭河多年來形成的大型河灣，根據(jù)2017年汛后無人機航拍的照片分析，該處河灣已經(jīng)出現(xiàn)自然裁彎的趨勢（見圖2）。

圖2 渭河槐元彎道出現(xiàn)自然裁彎的趨勢

3.3 無人機結合實時互聯(lián)網(wǎng)技術實時傳輸洪水險情，為防汛搶險指揮做參考

洪水期水情瞬息萬變，工程險情往往發(fā)展迅速，而洪水險情的描述和上報必須非常準確和及時，以便搶險指令的正確下達和搶險設備、物料的有效調(diào)撥。無人機航拍照片及相關數(shù)據(jù)資料通過互聯(lián)網(wǎng)技術直接與接收終端相連，能迅速將有關情況匯總上報上級防汛決策機構，為決策層發(fā)出正確的防汛指令作參考，利于防汛機構搶險救生決策和迅速有效的物料調(diào)撥。

4 結論

無人機等相關新技術不僅能在日常的汛前汛后河道查勘工作中提高工作效率和成果水平，還能在洪水期河道查勘中迅速發(fā)現(xiàn)和上報有關險情，預測洪水發(fā)展趨勢，為防汛決策提供及時有效的參考，更能保護工作人員人身安全。建議在河道查勘工作中充分利用無人機等新技術為工作服務，提高工作效率和成果水平，保護工作人員人身安全。