淺談無(wú)人機(jī)在陜西防汛抗旱工作中的應(yīng)用

梁 輝

(陜西省水利信息宣傳教育中心，陜西西安710004)

1 概述

無(wú)人機(jī)英文縮寫為“UAV”，它通過(guò)攜帶不同設(shè)備來(lái)完成不同類型的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的飛行目標(biāo)。無(wú)人機(jī)按其平臺(tái)結(jié)構(gòu)的不同，一般可分為三類：一類為固定翼無(wú)人機(jī)，一類為無(wú)人直升機(jī)，另一類為多旋翼無(wú)人機(jī)。固定翼無(wú)人機(jī)在起飛、降落過(guò)程中，必須在動(dòng)力系統(tǒng)的作用下滑行跑道。無(wú)人駕駛飛機(jī)具有載重量大、飛行速度快、續(xù)航能力強(qiáng)、飛行效率高等特點(diǎn)。無(wú)人直升機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)幾乎不需要起降場(chǎng)地，可以垂直起降和定點(diǎn)懸停，其缺點(diǎn)是耗電大，飛行效率稍低。與無(wú)人直升機(jī)相比，多旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，操作方便，運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，而且成本較低。本文以陜西省防汛抗旱總指揮部擁有的西安通飛航空科技有限責(zé)任公司自定制的六旋翼無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行分析研究。

1.1 技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

六旋翼無(wú)人機(jī)本身價(jià)格低廉，攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)靈活，可搭載多種采集傳輸設(shè)備，可完成多種任務(wù)。就應(yīng)用而言，多旋翼無(wú)人機(jī)低空攝影系統(tǒng)成本低，操作簡(jiǎn)便，操作人員培訓(xùn)周期短，系統(tǒng)易于維護(hù)和維護(hù)，可以為防汛抗旱減災(zāi)工作節(jié)省大量人力、物力。

1.2 功能

系統(tǒng)具備影像快速處理功能、高自動(dòng)化定向計(jì)算、超快速的影像匹配處理、高度自動(dòng)化生產(chǎn)3D產(chǎn)品的全部實(shí)用功能，可以生產(chǎn)高精度數(shù)字高程模型(DEM)，高質(zhì)量數(shù)字正射影像圖(DOM)和數(shù)字柵格地圖(DSM)，具體功能如下：

1)基本數(shù)據(jù)管理

基本數(shù)據(jù)、影像的輸入和輸出；各種參數(shù)設(shè)置；圖廓整飾與圖件輸出；災(zāi)區(qū)被測(cè)區(qū)域三維立體景觀顯示；各種過(guò)程的批處理；基本的影像處理功能；不同網(wǎng)絡(luò)密度的質(zhì)量控制與質(zhì)量報(bào)告。

2)定向計(jì)算與影像匹配

全自動(dòng)內(nèi)定向；全自動(dòng)相對(duì)定向；全自動(dòng)絕對(duì)定向；影像匹配預(yù)處理；影像匹配。

3)正射影像生成

自動(dòng)生成數(shù)字正射影像。

2 應(yīng)用方案

2.1 工情三維量測(cè)

對(duì)典型性地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行拍攝、建模、測(cè)量及分析。

1)數(shù)據(jù)采集

六旋翼無(wú)人機(jī)掛載傾斜攝像機(jī)，駕駛員通過(guò)地面站控制系統(tǒng)規(guī)劃被測(cè)工情區(qū)域的三維建模飛行航線。啟動(dòng)飛行后，飛機(jī)會(huì)按照航線自動(dòng)飛行采集數(shù)據(jù)，采集完成后自動(dòng)返航。

2)三維建模

將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入運(yùn)行在工作站上的“三維建模應(yīng)用軟件”進(jìn)行處理(1 km2的三維建模需耗時(shí)1.5 h左右)。

3)測(cè)量分析

獲得的三維建模圖包含各種數(shù)據(jù)信息，可進(jìn)行線面繪制、距離測(cè)量、高度測(cè)量、三角測(cè)量和面積測(cè)量等多種量測(cè)。測(cè)量所得數(shù)據(jù)可導(dǎo)入其他分析軟件，進(jìn)行一系列分析，如通視分析、可視域分析、雷達(dá)分析、填挖方分析、剖面分析和淹沒演示分析等，通過(guò)對(duì)陜西地區(qū)典型性地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、三維建模、測(cè)量分析形成的數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)，可為陜西重點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害處置防汛指揮決策提供基礎(chǔ)支撐。

2.2 災(zāi)情巡查攝影

1)災(zāi)情巡查

發(fā)生災(zāi)情時(shí)，六旋翼無(wú)人機(jī)搭載高清云臺(tái)攝像器，駕駛員通過(guò)地面站控制系統(tǒng)定義圍繞災(zāi)區(qū)的飛行航線使無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航拍攝，或使用手持式遙控器駕駛無(wú)人機(jī)對(duì)災(zāi)情進(jìn)行高空拍攝。并通過(guò)無(wú)線電技術(shù)將畫面?zhèn)鬏數(shù)降孛妫M(jìn)而通過(guò)衛(wèi)星通訊車傳回指揮中心，從而使現(xiàn)場(chǎng)人員及指揮中心獲得直觀的災(zāi)情概況，可為指揮救災(zāi)決策提供有力支撐。

2)災(zāi)情攝影

六旋翼無(wú)人機(jī)掛載傾斜攝像機(jī)，駕駛員通過(guò)地面站控制系統(tǒng)規(guī)劃災(zāi)區(qū)正攝飛行航線，使無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行采集數(shù)據(jù)，并自動(dòng)返航。三維建模應(yīng)用軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可獲得災(zāi)區(qū)數(shù)字正射影像圖(DOM)。

受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，如某村突發(fā)山洪泥石流，老百姓被困。村民住宅等被泥石流掩埋沖毀。通過(guò)對(duì)比當(dāng)?shù)貫?zāi)前災(zāi)后圖像就可以確定水毀建筑物的大致位置，從而很快地幫助找到被困人員。救護(hù)人員通過(guò)使用六旋翼無(wú)人機(jī)在暴雨中持續(xù)采集水毀現(xiàn)場(chǎng)情況，并將采集到的圖像信息傳送至指揮中心。指揮中心根據(jù)實(shí)時(shí)信息可以做到精準(zhǔn)指揮，可以將人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失降到最低，見圖1～圖2。

圖1 山體滑坡引發(fā)泥石流

圖2 現(xiàn)場(chǎng)采集照片實(shí)時(shí)建模

2.3 應(yīng)急救援指揮

1)高空喊話

六旋翼無(wú)人機(jī)掛載無(wú)線高音喇叭高空巡航，循環(huán)播放錄制音頻，可對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域緊急疏散進(jìn)行預(yù)警廣播；也可實(shí)時(shí)喊話，對(duì)被困人員進(jìn)行安撫等。

2020年陜西防汛應(yīng)急搶險(xiǎn)救援演練中，六旋翼無(wú)人機(jī)高空搜索發(fā)現(xiàn)數(shù)名被困群眾，高空喊話，安撫情緒，指揮部收到傳回影像后，派出水域救援專業(yè)隊(duì)員對(duì)被困群眾進(jìn)行施救，見圖3～圖4。

圖3 無(wú)人機(jī)無(wú)線高音喇叭高空巡航

圖4 救援被困群眾

2)定點(diǎn)拋投

六旋翼無(wú)人機(jī)掛載高空拋投器，根據(jù)實(shí)時(shí)傳輸回來(lái)的圖像確定投放位置后，通過(guò)手持遙控器對(duì)投物器進(jìn)行控制打開，將貨物(頭盔、急救包、救生衣、繩索等)準(zhǔn)確拋投到所需地點(diǎn)供被困人員使用。2020年陜西防汛應(yīng)急搶險(xiǎn)救援演練中，無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)落水群眾，將救生衣投落，進(jìn)行施救，見圖5～圖6。

圖5 無(wú)人機(jī)掛載高空拋投器

圖6 無(wú)人機(jī)空投救生設(shè)備

3 無(wú)人機(jī)在今后水利行業(yè)的應(yīng)用

(1)隨著產(chǎn)業(yè)鏈配套逐漸成熟，硬件生產(chǎn)成本將大幅下降和市場(chǎng)價(jià)格的降低，各種專業(yè)的應(yīng)用軟件也在趨于成熟和完善，市場(chǎng)關(guān)注度不斷攀升，專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)呈現(xiàn)巨大的潛力，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的客戶群體越來(lái)越越多，各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，客戶規(guī)模呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)，在搶險(xiǎn)救災(zāi)、國(guó)土資源、防汛抗旱、能源、水利工程、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?qū)?huì)得到更加深入、廣泛的應(yīng)用。

(2)無(wú)人機(jī)對(duì)水庫(kù)、河流、湖泊的連續(xù)不斷監(jiān)測(cè)，可以獲得監(jiān)測(cè)水范圍的實(shí)時(shí)變化情況，通過(guò)獲得的一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、影像資料等，通過(guò)專業(yè)的軟件分析研究可以逐步實(shí)現(xiàn)水域管理的信息化，智能化從而滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

(3)利用無(wú)人機(jī)技術(shù)可以進(jìn)行水土保持的研究，水利監(jiān)測(cè)與水利管理。水情監(jiān)測(cè)、河道走向、水庫(kù)監(jiān)測(cè)、洪災(zāi)區(qū)域檢查等，在發(fā)生災(zāi)情時(shí)還可查看水毀橋梁、淹沒區(qū)域等情況。

4 結(jié)語(yǔ)

陜西省水利行業(yè)無(wú)人機(jī)應(yīng)用才剛起步，隨著無(wú)人機(jī)的應(yīng)用在防汛抗旱、水資源、水土保持、水文監(jiān)測(cè)等方面的廣泛應(yīng)用，將大大提高雨情、水情、旱情和災(zāi)情信息采集的準(zhǔn)確性及傳輸?shù)臅r(shí)效性，為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)、制定防洪抗旱調(diào)度方案、水資源評(píng)價(jià)等決策提供科學(xué)依據(jù)。