無人機監測系統在水文應急監測中的應用

梅同單 李丹

摘 要：深入分析無人機監測系統應用于長江水文應急監測的具體方案，通過優劣評價得出相應改進策略，為我國水文監測良好發展提供支持。

關鍵詞：無人機;水文應急監測;長江

中圖法分類號：P332? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0421

我國信息技術發展迅猛，各類先進技術應用于水文監測中。長江是我國第一大河，做好長江汛情應急監測對水旱災害防御至關重要。通過無人機進行監測，能夠構建一個相對完善的空中水文監測系統，進而快速采集并傳輸長江汛情監測信息。基于此，本文深入分析了無人機監測系統應用于長江水文應急監測的具體方案，通過優劣評價得出相應的改進策略。

1? 無人機應急監測方案

當前，常用的無人機監測系統主要是多旋翼無人機，通過遠程程序對具備旋翼軸的無人飛行器進行有效控制，結合非接觸式雷達波多普勒測速設備、通訊傳輸設備以及激光三維掃描設備在短時間內獲取準確的水文數據，并及時傳輸給地面總控制臺。

使用無人機監測系統方案主要有以下兩種。（1）機動主體。無人機監測系統一般不需要配備相應的輔助類水文固定設施，但需要通過越野巡測車作為地面設備支撐，其中存在著數量眾多的無人機，整個越野巡測車包含了計算機通訊設施、電源、地面控制站的導航以及視頻監控這類設備，一般可以在監測之前進行現場組裝。在系統運轉過程中，需要配備兩名工作人員，其中一名工作人員主要控制所有的地面設備，并操作無人機的實際飛行航向，完成對斷面的流速監測，另一名工作人員則主要負責無人機的野外放飛和回收。（2）懸停測速。同一斷面的流速測量必須重復多次，無人機根據既定的航跡穿越長江制定測量區域，每20m左右進行一次懸停測速，并將懸停高度保持在30m左右，如圖1所示。

在進行應急監測時，若出現道路阻塞等情況，工作人員不能及時進行測量，可以使用以下兩種無人機監測系統的工作模式。（1）遙控飛行模式。地面總控制臺能夠完成遠程的遙控飛行，有效控制無人機的航行線路，并通過內置程序來實現懸停測速，一名工作人員操作即可。（2）自動測速工作模式，主要應用于工作人員無法到場的情況，地面總控制臺能夠啟動相應的飛行控制軟件，無人機根據內置線路飛行，并自動采集與傳輸相應水文數據信息。

2? 無人機中自動控制的應用

2.1? 監測數據采集模式及監測載具的選取

（1）通過機載多普勒測流系統采集與吊載長江斷面流速。在對長江部分水流速度相對較高、高低落差較小的流域進行監測時，一般選擇K波段雷達多普勒流速儀，并以近地面或水面的形式來完成測流垂線以及測流斷面的設置。通過此方式得出的流速監測結果較為準確，并且可結合水位信息實現對斷面的流量測定。

（2）通過機載激光三維掃描系統采集空間坐標和區域顏色值。機載激光三維掃描儀能夠采集被測長江流域的三原色信息以及三維坐標信息的點云數據，且這一范圍相對較大，所生成的數字表面模型以及數字高程模型也有著極高的精準程度。相關技術人員利用這類模型能夠完成對長江水情區域三維場景圖的構建，從而模擬出一個被測長江流域實際景象。

（3）通過機載高分數碼照相設備采集分時影像數據，主要應用于以下兩個方面。正射影像采集，將高分數碼照相機吊載于無人機中，直觀了解長江水情圖像及地表現狀。三維影像采集，將五眼相機吊載于無人機中，通過實地傾斜攝影這一方式來采集堤、林、坡、物這類側立面的圖像信息。

（4）通過機載視頻攝像設備進行實時景象觀測。將數碼、光學視頻采集設備以及夜間使用的紅外設備吊載于無人機中，能夠將被監測長江流域的現場視頻實時地傳輸給總控制臺，進而對長江水情以及水毀情況進行查看，并且也能夠發現水面漂浮物以及對堤防的巡查。

2.2? 構建汛區應急中繼通訊

當前，常用的報汛方式主要通過無線、有線衛星通信及網絡完成信息傳遞，但這一方式可能在洪災、強降雨等自然災害中失效。通過自動控制技術構建一個汛區應急中繼通訊，可有效解決通訊癱瘓問題。在組建時主要通過無人機系留繩讓地面發電設備為無人機供電，實現長時間滯空，同時構建一個由無人機搭載基站設備，機地連接有線傳輸，地面操控與核心網連接系統所組成應急通訊中樞。當某地區出現自然災害后，可通過空中通道的構建和災區駐站人員直接聯系，并且能夠完成物品投送、事物補給等操作，將水文情報信息及時帶出。

2.3? 三維建模和分析決策

將無人機自動控制技術應用于長江水文應急監測時，可有效完成數字三維模型構建。根據報訊規范中的相關標準，能夠在無人機監測范圍之內采集相關空間數據信息，生成實時立體模型，反映監測區域地貌因素的空間分布形態。水位、降水量、淹沒情況、流量計算等數據信息分析會得到準確的數據支撐，洪水預報、量化分析以及決策水平都會有較大幅度的提升。

具體而言，主要包含靜態三維模型、動態三維模型以及數值分析計算。其中靜態三維模型主要是在長江流域發生汛情之前，根據駐站水文資料以及衛星遙感數據構，建流域自身、山丘山谷地帶的三維模型，為長江流域汛期監測提供可對比分析的基礎底圖模型。動態三維模型主要在汛情突發之后，通過無人機來對地表、地形信息，高程、水面變化數據進行勘測，并在此基礎上分航次與時段生成相應的三維模型，最終再將所有模型組合起來形成動態模型。數值分析計算主要通過相關軟件來對長江流域實際水情變化情況進行動態觀察，計算出不同時段的水量、降雨量、水情路徑、流量、水情范圍，最大化地降低突發汛情所帶來的不利影響。

3? 采用無人機進行長江水文應急監測的改進方向

3.1? 構建完善的測流模型

目前，應用較為廣泛的無人機監測系統主要根據我國大部分河流的共性設計，但長江在地理位置以及水質等方面有較明顯特性，沿用統一的數學模型會降低長江水文監測結果的精準性。因此，相關人員應全方位了解長江干支流的實際情況，參考當地水文站的水文監測資料，基于測流模型探索最佳測流位置，有效提升監測結果的精準性。

3.2? 增強飛行控制系統的穩定性

無人機監測系統主要借助于微波雷達輔助，飛行控制系統的穩定決定測速結果，一些監測指標受無人機飛行速度的影響，會出現誤差。因此，進行應急水文監測時，應當掌握好無人機不同階段的控制，增強飛行控制系統的穩定性。首先是加減速控制，應當保證無人機在飛行過程中能夠基于長江流域的環境因素獲得穩定的加減速，且加速度不宜太大，否則很容易偏離航線。其次是爬升以及下降控制，飛行控制系統應當考慮飛行過程中的通視條件，結合長江流域不同氣候、風速等因素得出合理的爬升或下降速度。最后是懸停控制，這一階段的穩定性有著至關重要的作用，需要系統能夠判定周圍風力條件以及氣壓條件，進而為無人機的回轉及盤旋模式選擇提供正確的指令。

3.3? 做好地面控制指揮工作

無人機監測系統雖然有著較強的自主性、智能性，但人工操作也有至關重要的作用。因此無人機監測系統應當加強與地面總控制臺的聯系，通過添加無人機任務荷載、無人機數據鏈相關功能模塊，來有效降低無人機監測系統在運轉過程中出現紕漏的可能性，為保證長江水文應急監測結果的精準性奠定堅實的基礎。

4? 結語

通過無人機監測系統等信息技術的應用，能夠有效保證長江水文應急監測的質量，提高精準監測的效率。目前，部分無人機監測系統有著較為廣闊的改良前景，相關技術人員應當充分考慮長江流域的獨特性，完善與優化無人機監測系統，從而更加有效促進長江水文應急監測工作的開展。

參考文獻

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