淺述無人機(jī)在水文測驗(yàn)和信息化管理中的應(yīng)用

唐敏俐

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的無人機(jī)技術(shù)有了很大進(jìn)展，并在水文測驗(yàn)和信息化管理中得到了廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)一步提升河流水文應(yīng)急監(jiān)測的效率與方法，對無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。介紹了無人機(jī)在水質(zhì)監(jiān)測、地形測量、災(zāi)情查勘和信息化管理中的應(yīng)用實(shí)例，論述了無人機(jī)在水文測驗(yàn)上的快速與高效優(yōu)勢，提出了將無人機(jī)應(yīng)用和推廣納入水文現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)裝備中，將提高水文測驗(yàn)、災(zāi)情信息采集的準(zhǔn)確性及時(shí)效性。

關(guān)鍵詞 無人機(jī);水文;測流地形測量;災(zāi)情查勘;信息化管理

引言

目前，水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的監(jiān)測體系主要以定時(shí)定點(diǎn)的地面監(jiān)測系統(tǒng)為主，衛(wèi)星遙感技術(shù)為輔。衛(wèi)星遙感技術(shù)以其宏觀、動(dòng)態(tài)和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢彌補(bǔ)傳統(tǒng)地面監(jiān)測采樣方法數(shù)據(jù)離散化、耗時(shí)長和費(fèi)用高的缺陷，被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、水文地形測量中，且取得較好的效果。然而，衛(wèi)星遙感的傳感器一般為多光譜成像光譜儀，光譜通道數(shù)少，影像周期長，易受大氣云層影響，導(dǎo)致其不能及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)濃度，了解水體污染情況;也無法監(jiān)測到山區(qū)危險(xiǎn)河段水文地形的變化。因此，無人機(jī)技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用于水文測驗(yàn)中。

1無人機(jī)遙感水質(zhì)監(jiān)測對象

水質(zhì)監(jiān)測的范圍可謂十分廣泛，如常見反映水質(zhì)狀況的綜合指標(biāo)：Chl-a濃度、CDOM、TSS濃度、TN、TP以及DO等。這些水質(zhì)指標(biāo)含量的高低會(huì)導(dǎo)致水體反射的光譜特征發(fā)生明顯的變化;而反應(yīng)快速、作業(yè)高效的無人機(jī)遙感平臺(tái)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測可以反映出水質(zhì)在空間和時(shí)間上更全面的分布情況和變化情況，這是無人機(jī)遙感用來定量監(jiān)測水質(zhì)的基礎(chǔ)。利用無人機(jī)空中懸停的特點(diǎn)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控和掌握水體水質(zhì)的動(dòng)態(tài)信息，能夠快速地為水利設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決調(diào)查緩慢和人工作業(yè)不便的缺陷[1]。

2無人機(jī)在水文地形測量中的應(yīng)用

2.1 獲取地形圖方法

獲取地形圖方法有傳統(tǒng)人工測量手繪成圖、飛機(jī)航拍、衛(wèi)星遙感、無人機(jī)航拍。這幾種獲取地圖方法，各有特點(diǎn)。①人工測圖。適合局部測量成圖和控制點(diǎn)測量，由于外業(yè)工作強(qiáng)度大，測量速度慢。②飛機(jī)航片。適合大面積成圖，成圖速度快。但申請手續(xù)復(fù)雜，受限制的條件太多，成本高。③衛(wèi)星影片。谷歌地圖就是衛(wèi)星影像圖，也稱衛(wèi)片、遙感照片、衛(wèi)星影片，是小比例遙感照片，常見1∶2000到1∶100萬，小比例圖用于資源調(diào)查、普查等。但局部細(xì)節(jié)不清楚，時(shí)效性差，價(jià)錢貴。④無人機(jī)航拍。無人機(jī)航拍應(yīng)用非常廣泛，無人機(jī)拍攝照片分辨率可達(dá)到0.1m以下，用于1∶1000成圖或更大，這種高分辨率照片是目前衛(wèi)星照片無法做到。無人機(jī)適合小范圍局部航拍，是衛(wèi)片的補(bǔ)充，對時(shí)效性、清晰度、價(jià)錢等要求高的用戶，無人機(jī)是最明智的選擇。

2.2 航拍測地形圖

由于無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)是基于微波雷達(dá)來進(jìn)行河流水文監(jiān)測的，這就使得無人機(jī)飛行要具有較高的穩(wěn)定性，否則必然會(huì)導(dǎo)致河流速度等指標(biāo)會(huì)受到無人機(jī)自身飛行速度的影響，從而產(chǎn)生較大的誤差。一般來說在河流水文監(jiān)測當(dāng)中無人機(jī)飛行控制應(yīng)注意以下幾個(gè)階段的控制：①加速＼減速控制。加速與減速應(yīng)盡量平穩(wěn)，盡量將加速度控制在較小的范圍之內(nèi);②爬升＼下降控制。爬升與下降也應(yīng)盡量平穩(wěn)，既要注意通視條件，也要注意速度控制;③懸停控制。懸停階段是無人機(jī)測速的重要階段，這一階段的穩(wěn)定性控制至關(guān)重要，一般情況下應(yīng)注意觀察風(fēng)向條件，必要時(shí)采用回轉(zhuǎn)或盤旋方式來改變航向。

無人機(jī)航拍在成果片上疊加網(wǎng)格數(shù)據(jù)等形成地形圖。整個(gè)拍攝過程耗時(shí)僅半天，航片合成耗時(shí)半天，數(shù)據(jù)處理成圖數(shù)天內(nèi)完成。無人機(jī)航片清晰、快捷、靈活、價(jià)錢低、是衛(wèi)星影片無法比擬。無人機(jī)拍攝的航片，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理成圖后，精度可滿足1∶1000測圖要求，符合測圖有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對山區(qū)高差大河段地形測量有重大意義。

2.3 加強(qiáng)地面控制與指揮

無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用有效提升了監(jiān)測的自動(dòng)化與智能化程度，但依然需要依賴于人的全面控制。因此，在具體監(jiān)測過程中還必須要加強(qiáng)地面控制與指揮，進(jìn)一步提升監(jiān)測效率與精準(zhǔn)性。具體而言地面工作人員必須要對監(jiān)測的全過程進(jìn)行有效動(dòng)態(tài)控制，完成對無人機(jī)、任務(wù)載荷以及數(shù)據(jù)鏈的監(jiān)視，此外還應(yīng)同步完成相關(guān)操作控制[2]。

3無人機(jī)在水文測流上的發(fā)展及展望

無人機(jī)測流包括無人機(jī)載體和測流系統(tǒng)，無人機(jī)載體包括無人機(jī)飛行平臺(tái)、無人機(jī)飛控系統(tǒng)、無人機(jī)無線通信系統(tǒng)、無人機(jī)增穩(wěn)攝像系統(tǒng)和無人機(jī)地面控制臺(tái)，測流系統(tǒng)包括多普勒測流雷達(dá)、水位計(jì)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)電臺(tái)和地面電臺(tái)，無人機(jī)飛控系統(tǒng)有線連接于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)電臺(tái)，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)電臺(tái)無線連接于地面電臺(tái)。無人機(jī)測流目前主要是為滿足非常規(guī)洪水情況下，能夠快速有效地對河面水流流速，河面水流流量，河面水位漲幅高度，進(jìn)行精準(zhǔn)探測，達(dá)到快速響應(yīng)，靈活便攜，高效產(chǎn)出測流數(shù)據(jù)的效果，做到提前預(yù)警排查水災(zāi)害險(xiǎn)情，降低人工測量風(fēng)險(xiǎn)，提高測量效率。

目前，通過無人機(jī)測河道整個(gè)斷面流量還未實(shí)現(xiàn)，一方面由于多普勒測流雷達(dá)本身所測得的流速為表面流速，在測流方面精度不高，無法代替河道斷面流量，還需通過不斷率定發(fā)展。其次，無人機(jī)通過加載測流系統(tǒng)需考慮無人機(jī)自身飛行不確定風(fēng)速、移動(dòng)抖動(dòng)、傳播介質(zhì)等影響，對實(shí)際工作中所需流量數(shù)據(jù)精度有很大影響。

未來可通過對測流系統(tǒng)的不斷完善，對在線測流設(shè)備測流精度的不斷提升，對無人機(jī)飛行組件穩(wěn)定性的不斷優(yōu)化，無人機(jī)測流將成為現(xiàn)實(shí)水文測驗(yàn)中應(yīng)急測量的重要手段[3]。

4結(jié)束語

綜上所述，無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用是一種新型河流水文監(jiān)測方法，解決了傳統(tǒng)應(yīng)急監(jiān)測受地形條件、水文地質(zhì)條件限制大的問題，加強(qiáng)無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用也是大勢所趨。無人機(jī)技術(shù)是近幾年發(fā)展的新技術(shù)，在水文應(yīng)用前景廣闊。事實(shí)證明，當(dāng)發(fā)生超標(biāo)汛情后，用無人機(jī)測流、測水位，可有效解決無法測流的問題，提高工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭望成.基于環(huán)境1號(hào)衛(wèi)星的藍(lán)藻水華提取方法研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2011.

[2] 譚鈞元.一種基于無人機(jī)載體水面測流系統(tǒng)[P].中國：CN110186437A， 2019-08-30.

[3] 陳守榮，香天元，趙昕.長江水文測驗(yàn)方式方法技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐與探討[J].中國水利，2010（5）：45-47.