基于無人機技術的防汛抗旱減災應用探討

曾令煒 李 睿 劉 強

近年來，無人機因其機動性好、應用成本低、拍攝范圍廣以及數據實時性強等特點，已廣泛應用到許多研究領域。當自然災害發生時，如山洪、洪水和泥石流等，傳統通信網絡將會受到嚴重損壞，造成通信中斷，由于受災現場環境通常十分惡劣，勘測人員無法輕易到達重災區，現場災情的數據信息獲取困難，給應急救援帶來極大阻礙。為提高防汛抗旱減災工作效率、信息搜集質量和搶險救災成功率，更好地解決災害環境下通信系統快速恢復的問題，本文在梳理我國民用無人機技術和應用特點的基礎上，探究無人機技術在防汛抗旱減災工作中空中遙感圖像信息采集和應急通信保障兩個領域的優勢特點和應用前景，以期對水利信息化、智能化發展，以及防汛抗旱減災工作中的通信保障和科學決策提供借鑒。

一、無人機技術的應用特點

無人機是無人駕駛飛機的簡稱，英文縮寫為“UAV”，通過搭載不同種類的設備，以完成不同種類的飛行目標任務。根據不同的平臺結構，無人機一般分為三種類型：一種是固定翼無人機，一種是無人直升機，還有一種是多旋翼無人機。固定翼無人機起降時，必須在動力系統的作用下通過滑行跑道進行。固定翼無人機載荷大，飛行速度快，續航能力強，飛行效率高，但不能懸停。無人直升機和多旋翼無人機幾乎對起降場地沒有要求，可垂直起降和定點懸停，缺點是耗電量大、飛行效率稍低。多旋翼型無人機相比于無人直升機，其結構相對簡單，操作上容易上手，運行相對穩定，并且成本較低。本文主要以多旋翼無人機作為飛行平臺進行研究和分析。

多旋翼無人機本身具有低成本、攜帶方便、易于控制和機動靈活等特點，通過搭載不同種類的采集和傳輸設備，可以完成不同類型的任務。在防汛抗旱減災應用方面，多旋翼無人機低空攝影系統具有成本低、操作方便的特點，對操作者的訓練周期短，且系統易于保養和維護，可為防汛抗旱減災工作節省大量人力物力。

（1）機動靈活、安全性高。多旋翼無人機具有機動靈活的特點，不需要特殊的機場著陸，它可以在陰天、低霧等環境下獲得合格的圖像，從而可以將大量的野外作業轉移到室內，不僅能夠降低勞動強度，提高作業效率和精度，又能增加操作人員的安全性，即使出現了故障，也可最大限度地避免人員傷亡，具有較高的安全性。其機動靈活和安全的特點符合防汛抗旱減災對突發性事件的處置要求。

（2）航拍圖像分辨率高、實時性好。多旋翼無人機通過攜帶高精度數字成像設備獲取的地面圖像具有清晰度高的優點，并且可實時傳輸航測數據和現場情況，有利于防汛抗旱減災的及時決策。

（3）兼容性、擴展性好。航拍所獲取的素材資源經過其他軟件的處理之后，不僅可以進行多個圖像的合成和三維立體建模等多項操作，還能夠根據特定需求，進一步拓展功能。

二、無人機技術在防汛抗旱減災中的應用

圖1 無人機與應急衛星通信系統的協同配合組網圖

1.遙感圖像信息采集

水利管理部門的工作重點之一是防汛抗旱。實時、快速、高分辨率的圖像數據將直接關系到防汛抗旱的正確決策，也關系到人民生命財產的安全和損失程度。同時，水利相關的項目通常環境較復雜、交通不方便，傳統的工作方法效率偏低，具有一定的危險性。利用多旋翼無人機在指定區域進行遙感圖像信息采集，可以克服遠距離和人員不足等不利因素，快速到達指定區域，對蓄滯洪區地形、地貌，水庫、堤防危險斷面進行快速觀測，快速獲取大量清晰易讀的遙感圖像數據，提高現場勘查效率，為水利管理部門的防汛抗旱決策提供支持。無人機遙感圖像在防汛抗旱減災中的應用包括：

（1）檢查重點水利設施。在常規防汛工作中，多旋翼無人機可以通過高危險區，監測年久的堤壩、堤防、水庫和堤防險段，使維修人員能夠及時了解水利設施的狀態和情況，大大方便了施工，簡化了水利設施的維護和檢查。

（2）提高預警監測水平。在測量區域航空正射影像數據的基礎上，利用相關的圖像處理軟件，生成DOM和DEM數據，建立相關的減災救災預警數據庫，通過數據的對比分析，有利于提高災害預警的準確性。

（3）評估災害的損失。利用無人機遙感圖像獲取災害前后的影像數據，并進行對比分析，可以對災害情況進行準確的評估和判斷。

（4）提供實時災害信息。與現有通信網絡配合使用，能夠實時回傳航空遙感圖像，指揮中心可以直觀地了解洪、澇、旱災的情況、強度和分布，為減災和救災提供科學依據，避免災害救助的盲目性。無人機遙感圖像與應急衛星通信系統的協同配合應用組網方式見圖1。

圖2 無線傳播通視距離示意圖

表1 不同天線高度下通視距離

圖3 系留式多旋翼無人機應急通信保障組網圖

圖4 系留式多旋翼無人機應急通信保障（中繼方式）組網圖

無人機采集的圖像數據通過無線的方式實時傳輸至地面遙控站，地面遙控站通過線纜將數據接入現場指揮部，再經過原有的車載衛星通信系統傳回后方指揮中心。指揮人員可根據航拍圖像多角度、立體式實時觀測現場情況，提升了應急指揮的科技水平。

相比于傳統的技術人員攜帶單兵及攝像設備進行圖像的采集和傳輸，無人機的應用不僅有效解決了技術人員受到山丘、河流、亂石等環境條件限制活動范圍的問題，明顯拓展了險情現場圖像采集的范圍，而且還保障了救援人員的安全，通過航拍的形式，能夠極大限度地避免可能存在危險的地帶，這對于爭分奪秒的搶險救災工作來說，意義重大。

2.應急通信網絡保障

無線電波可以看作是線性傳播，受地球表面曲率的影響，無線電波的傳輸距離受視距影響。天線的高度是影響無線通信覆蓋范圍的一個重要因素，尤其是在地形復雜的環境中，如山地、城市和密集森林，天線的高度將直接影響通信質量。通過提高天線高度，可以提高和改善無線通信的覆蓋范圍和通信質量。天線高度的提升可以減少地形對無線電波傳輸的影響，甚至可以改善超視距通信，顯著提高通信鏈路的質量。利用空中平臺攜帶通信設備在任務區域空中建立范圍更大、更加可靠的通信覆蓋，這是一個理論上可行的解決方案。無線傳播通視距離示意圖見圖2。

如圖2所示，地球半徑為R0，兩個無線通信設備在A點、B點的高度分別為H1和H2，可以通過勾股定理的計算得出A、B兩點通視傳輸距離D 約為。因此，在不考慮其他因素影響的理想環境中，一側無線通信設備天線高度H2維持不變時，隨著另一側無線通信設備天線高度H1的升高，兩個無線通信設備之間的通信距離得到延伸。不同天線高度下的通視距離如表1所示。

系留式多旋翼無人機有著自動化程度高、可快速部署、操作使用方便、起降環境要求低等特點，通過系留式電纜從地面供電，其續航時間一般不低于8h（如氣象條件允許，可長期飛行），且有效載荷不小于10kg，有效飛行高度通常在100m左右。

因此，當通信基礎設施受到損壞，以系留式多旋翼無人機為升空平臺搭載無線基站設備及發射天線，能夠實現更大覆蓋范圍內快速、可靠的寬帶通信，在突發自然災害的環境中突顯其應急通信能力。系留式多旋翼無人機應急通信保障的組網方式如圖3所示。

通信指揮車作為地面基站通過有線光纜與系留式多旋翼無人機連接，再通過機載發射天線在空中接收單兵和無線智能終端等設備的數據，快速建立大區域覆蓋的無線應急通信網絡。如果需要傳輸覆蓋的區域更遠，可在空中架設無人機基站作為信號中繼，通過空中接力實現更遠距離、更大范圍的信號傳輸和應急通信網絡的覆蓋，見圖4。

在救援現場參與無線空中組網時，由于受覆蓋范圍、地理環境及天氣條件等自然因素影響較大，應根據現場情況，靈活選擇組網模式，力爭采用最快捷方便的方式組建通信網絡，做好通信保障。

三、結論與展望

無人機技術以其機動靈活、效率高、成本低、可多角度拍攝高分辨率圖像的獨特優勢，在防汛抗旱工作中，彌補了以往人員消耗大、運行周期長、時效性差、保證率低的缺點，有助于創新防汛抗旱減災的工作方式，提高工作效率。

隨著無人機、遙感、遙控、遙測、計算機和通信等技術的不斷發展和成熟，無人機在防汛抗旱減災、水文水資源監測、水土保持監測、河道監測與監管、水利工程監測等水利各個領域的應用會更加廣泛，在水利現代化、信息化、智能化工作中將會提供更加強大和完善的技術支撐■