無人機測驗系統在水文監測中的應用探索

陳 晨，榮佳偉，喬鉑純

（松遼委水文局黑龍江中游水文水資源中心，黑龍江佳木斯156400）

黑龍江無論是流域面積大小、總長度還是多年平均徑流量，均為世界前十。汛期時，黑龍江干流中游段的水文監測工作任務尤為繁重，隨著經濟、科技及工業的高速發展，各類行業先進技術紛紛應用于水文監測中。通過無人機測驗系統，能夠有效提高黑龍江干流中游段水文監測的質量，保證水文數據的準確性、時效性和科學性。

1 黑龍江干流中游段水文監測概況

黑龍江干流可分為3 段，洛古河至黑河附近的結雅河口為上游，結雅河口至烏蘇里江河口為中游，烏蘇里江河口以下至入海口為下游，屬平原性河流。水文工作是為國民經濟建設、防汛抗旱、水資源開發利用和水環境保護提供科學依據的重要基礎工作，也是一項傳統的專業性工作。水文監測是水文計算、水文預報、水資源分析等各項水文工作的基礎。認識水文現象，探索水文規律，首要任務是開展水文監測工作。除了水位、水溫、降水和蒸發等日常水文觀測內容之外，黑龍江干流中游段的水文監測工作還包括暢流期流量測驗、泥沙測驗、封凍期流量測驗工作。根據汛情，有時還會開展應急監測工作。

隨著我國綜合國力的不斷提升和科技水平的逐步發展，水文監測方式發生了很大的改變，水文測驗儀器設備的先進程度和利用率也有了顯著提高。在北方，暢流期已基本實現了水文測驗現代化。

黑龍江干流中游段暢流期流量測驗通常采用ADCP（聲學多普勒流速剖面儀）走航式流量測驗方式，即使用水文測驗用船垂直水面固定ADCP的水下換能器，通過沿測驗斷面航行，采集水深、河寬、流量、流速等數據。ADCP 通常裝載在廠家配置的小型測船內，再將小型測船固定在水文測驗船船側，通過“大船帶小船”的方式走航式開展流量測驗。這種測驗方式相較于傳統的架設纜道使用旋槳式流速儀開展流量測驗，更加高效和便捷。但是按照規定，測驗船上江開展測量，不僅需要配備專職船舶駕駛員，包括測驗技術員在內的船上所有人員，都必須持有船員適任證書和船員服務簿方能開展工作。船只運行維護成本較高，單次測驗時間周期較長。綜上所述，目前黑龍江暢流期水文監測工作采取的ADCP 走航式流量測驗方式，在工作效率和成本上仍有一定的提升空間。

2 應用探索

2.1 無人機的特點與應用概況

目前，中國是全球民用無人機最主要的產業基地，民用無人機最大的市場在于政府公共服務的提供，如警用、消防、測繪、植保、巡檢、氣象等，占到總需求的80%。近5 年來，中國民用消費級及工業無人機都取得了高速發展，逐漸成為全球無人機行業重要的板塊之一。在民用無人機領域，中國已經走在世界前列，以大疆為代表的中國民用無人機研發生產企業發展迅速，并在國際市場上占據了較好的競爭地位。

無人機具有便攜、高效等諸多特點，以目前某民用工業級無人機行業領先品牌旗艦機型為例，使用溫度-20～50 ℃，最大載重6.0 kg，最大通訊距離5 km，最大可承受風速8 m/s（勁風標準），最大水平飛行速度65 km/h，無負載懸停時間32 min，滿負載6 kg懸停時間16 min。這些參數滿足包括黑龍江在內的多數大江大河的測驗環境條件。

2.2 無人機測驗系統在黑龍江干流中游段水文監測中的應用探索

目前行業常見的無人機測驗系統多為通過多旋翼無人機裝載非接觸式雷達多普勒測流設備和激光3D 掃描設備采集水文數據，無人機按照設置好的測驗斷面航行路線，每間隔適當距離，將無人機懸停并進行測驗，懸停高度保持在30 m 左右，直至按航線完成測驗斷面的流量測驗工作。暢流期的測沙與采樣工作，也可以使用無人機懸停測量、采樣方式進行，無需“大船帶小船”的測驗模式，降低了單次流量測驗成本，提高了工作效率。大洪水時期，開展應急監測同樣可以采用此種流量測驗方式。

到了開江和封江的重要時段，無人機的使用，不僅可以對測驗斷面的流冰疏密度有一個直觀的判斷，還可以充分發揮其機動性強的特點，掌握上下游冰清，為實時預測預報提供依據。

3 改進方向

研究提及的某品牌旗艦型號工業級無人機可承受最大風速為8 m/s，黑龍江干流中游段江面寬闊，如遇到風浪較大情況，無人機不僅很難頂風沿測驗斷面直線飛行、懸停完成測驗工作，同時對續航能力也有很大考驗。因此，應避免在5 級以上強風天氣下開展測量，測驗前準備好足夠數量的備用電池。工作出發之前，應當了解當地限制飛行政策，飛行前提前與有關部門申請報備。

此外，還要結合黑龍江干流中游段實際情況，參考干流各水文站水文監測資料，通過率定和對比測量，不斷提高無人機測驗系統測量河道斷面流量的測驗精度。

4 結語

無人機測驗系統的應用，能夠有效提高黑龍江干流中游段水文監測的質量，節省人力物力，縮短單次測驗時間，提高作業效率；與新時代水文測驗的現代化、機械化、自動化程度相適應。

技術人員應當考慮黑龍江干流中游段的獨特性，進一步改進、優化無人機測驗系統，提升水文測驗現代化的能力和水平，保證水文數據的準確性、時效性和科學性。