淺談小型無人機(jī)在基層水務(wù)工作中的應(yīng)用

吳麗芳 狄義剛

常熟市東南水利管理服務(wù)站

1 前言

近年來，全球氣候的極端變化不僅嚴(yán)重影響了人們的生活和生產(chǎn)，而且給水利管理工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。與水利相關(guān)領(lǐng)域的管理和控制受到全國和地方政府的重視，這也為無人機(jī)在水利管理工作中的利用帶來了難得的發(fā)展機(jī)遇。由于其體積小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，獲得低空資源的多種能力，無人機(jī)已逐漸被開發(fā)并應(yīng)用于與水利有關(guān)的管理中。無人機(jī)搭載的低空遙感技術(shù)以低空無人機(jī)為載體，配備高分辨率圖像采集系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)和其他信息采集系統(tǒng)，以識(shí)別和揭示探測(cè)目標(biāo)的幾何形狀、物理性質(zhì)和相互關(guān)系。無人機(jī)低空遙感技術(shù)可以應(yīng)用于與水利相關(guān)的業(yè)務(wù)，如防災(zāi)減災(zāi)、水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水利工程管理以及水土保持監(jiān)測(cè)。本文主要以無人機(jī)低空遙感技術(shù)為指導(dǎo)，探討遙感技術(shù)在水利、防洪抗旱中的應(yīng)用，凸顯無人機(jī)在水利建設(shè)中的推廣和示范及領(lǐng)導(dǎo)意義。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)概述

無人機(jī)是配備有各種攝像頭傳感器的飛機(jī)，這些攝像頭傳感器由無線電遙感設(shè)備和自備的程序控制設(shè)備操作。它不僅使用無人飛行技術(shù)，而且還使用許多現(xiàn)代技術(shù)，例如GPS 定位、無人機(jī)通信、遙測(cè)和遠(yuǎn)程控制。在自動(dòng)化和專業(yè)智能技術(shù)的協(xié)助下，完成對(duì)環(huán)境、資源和其他空間的信息感知，然后完成信息數(shù)據(jù)的收集和處理建模。此外，在無人機(jī)技術(shù)中，數(shù)據(jù)處理、地面控制和空中控制是最重要的組織結(jié)構(gòu)，分別承擔(dān)無人機(jī)的所有功能，并可以幫助空間信息獲取領(lǐng)域的許多工作，并完成空間信息數(shù)據(jù)的收集、處理和分析。

3 無人機(jī)系統(tǒng)原理與特點(diǎn)

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控能力強(qiáng)

無人機(jī)的最大特點(diǎn)是，它們可以在收集信息樣本期間完成實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)前，在水利行業(yè)實(shí)施監(jiān)督工作中，由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要用于歸檔，因此經(jīng)常出現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)滯后的情況。在水利管理中，最重要的是實(shí)時(shí)決策能力。例如，在水利工程建設(shè)中，由于工作量大，必須進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)和管理工作。衛(wèi)星數(shù)據(jù)采樣的使用在監(jiān)督和管理方面是單方面的，這將不可避免地影響管理人員在防洪抗旱方面的有效決策。但是，借助無人機(jī)技術(shù)，可以在關(guān)鍵河段進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)拍攝，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理中心，這將為水利管理者提供更科學(xué)的管理決策支持。

3.2 高清影像與精準(zhǔn)定位的數(shù)據(jù)收集能力

無人機(jī)攜帶的圖像采集系統(tǒng)可以捕獲清晰的區(qū)域圖像數(shù)據(jù)，并具有精確的定位功能。此外，它還可以在監(jiān)視區(qū)域中對(duì)特殊目標(biāo)進(jìn)行全色、單波、多波和其他多角度拍攝。整個(gè)低空遙感系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、快速處理數(shù)據(jù)、分析和分類數(shù)據(jù)以及與其他系統(tǒng)進(jìn)行交互的能力。對(duì)于某些復(fù)雜的地形，可以獲得更清晰的圖像數(shù)據(jù)，從而為后續(xù)工作提供第一手準(zhǔn)確的信息。

3.3 靈活安全

無人機(jī)對(duì)起降點(diǎn)沒有特殊要求，操作準(zhǔn)備時(shí)間很短。操作和控制人員經(jīng)過簡單的培訓(xùn)即可入門，并且可以在惡劣的天氣和地質(zhì)條件下直接獲取圖像信息。

3.4 不受地域使用限制

由于無人機(jī)體積小并且可以在低空飛行，因此無人機(jī)不受地理區(qū)域的限制，并且可以在各種空間中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像收集。此外，水利工程涉及的空間管理范圍比較大，河段有很多管理段。因此，使用無人機(jī)完成信息和圖像的收集也可以滿足我國現(xiàn)階段水利管理的基本需求。通過無人機(jī)低空遙感攝影，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵河段，可以確保水利管理中心能夠完成不同時(shí)期、不同規(guī)模的水利工程管理。清晰的圖像數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息傳輸將大大改善水利管理項(xiàng)目決策的科學(xué)性。

3.5 多種任務(wù)設(shè)備的應(yīng)用拓展能力

除了無人機(jī)處理機(jī)體的低空遙感系統(tǒng)外，它還攜帶許多不同類型的小型遙感系統(tǒng)，例如高清攝像機(jī)、雷達(dá)系統(tǒng)和熱成像監(jiān)視器。不同類型的遙感系統(tǒng)可以擴(kuò)展監(jiān)視功能，以滿足多種監(jiān)視需求。它可以實(shí)現(xiàn)多種擴(kuò)展功能，例如高清成像、紅外熱成像和雷達(dá)監(jiān)視。

4 無人機(jī)遙感技術(shù)的水利管理應(yīng)用

4.1 在災(zāi)害處置和防汛抗旱應(yīng)急指揮方面

4.1.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督與取證

水是社會(huì)發(fā)展和人民生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，非常有必要加強(qiáng)水利管理。我國地貌特征多變，許多地區(qū)水土流失問題十分嚴(yán)重，影響復(fù)雜。根據(jù)不同地區(qū)的特點(diǎn)，使用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)視可以實(shí)現(xiàn)更好的信息和數(shù)據(jù)收集。例如，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，可以了解當(dāng)?shù)氐乃亮魇栴}和現(xiàn)狀特征。

4.1.2 汛情預(yù)警

無人機(jī)系統(tǒng)可以利用無線大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)提供實(shí)時(shí)的汛情信息，包括汛情評(píng)估、水毀核查、以及汛情趨勢(shì)預(yù)估等信息，方便決策者做出合理的安排。

4.1.3 防災(zāi)減災(zāi)

（1）定期監(jiān)測(cè)重要的水利設(shè)施，例如高風(fēng)險(xiǎn)和過舊的設(shè)施。在正常的防洪工作中，無人機(jī)可以通過高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域并到達(dá)交通不便的區(qū)域，全面監(jiān)視水利工程的危險(xiǎn)區(qū)域以及河道堤岸現(xiàn)狀等。它使維護(hù)人員可以及時(shí)維修水利設(shè)施，從而減少了人工檢查的時(shí)間和精力，極大地方便了水利設(shè)備的維護(hù)和檢查。（2）提供客觀及時(shí)的災(zāi)害信息。根據(jù)無人機(jī)的航測(cè)和遙感圖像，可以直觀地了解災(zāi)害的情況、強(qiáng)度和分布，并實(shí)時(shí)傳輸回指揮中心，可以準(zhǔn)確地給出災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)情況，避免因主觀因素而做出不同意見的決策，確保能夠及時(shí)有效地制定救災(zāi)指揮措施，避免救災(zāi)盲目性。（3）評(píng)估災(zāi)害損失并監(jiān)督災(zāi)后重建的進(jìn)度。通過比較災(zāi)難前后的圖像數(shù)據(jù)，無人機(jī)遙感技術(shù)可以準(zhǔn)確地評(píng)估和判斷災(zāi)難程度，同時(shí)遙感影像也可以作為災(zāi)區(qū)災(zāi)后重建規(guī)劃的基礎(chǔ)。

4.2 水土保持監(jiān)測(cè)

我國是世界上水土流失較為嚴(yán)重的國家之一，而水土保持是水利工程的一個(gè)重要功能。利用無人機(jī)技術(shù)定量研究水土流失，可以完成水土保持研究。由于土壤侵蝕的復(fù)雜原因和過程，會(huì)受到各種自然環(huán)境和人為因素的影響。無人機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域水域內(nèi)水土流失的強(qiáng)度和影響范圍，實(shí)現(xiàn)控制效果的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，主要包括區(qū)域地形、自然植被、氣候條件、工程項(xiàng)目用土量，以及建設(shè)項(xiàng)目對(duì)土壤侵蝕造成的周圍和下游環(huán)境的影響。相比傳統(tǒng)方法而言，無人機(jī)系統(tǒng)減少了人員工作量和資金投入，不僅提高了信息的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，也提高了水土流失治理策略的針對(duì)性和有效性。

4.3 水環(huán)境監(jiān)測(cè)

近年來，水污染變得越來越嚴(yán)重。目前，我國的水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要依靠人工監(jiān)測(cè)和無人船監(jiān)測(cè)。手動(dòng)監(jiān)控需要現(xiàn)場(chǎng)采樣，這需要很長時(shí)間，并且會(huì)消耗大量的人力和物力。基于無人機(jī)技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)方法的缺陷，為水質(zhì)監(jiān)測(cè)的效率和精度做出貢獻(xiàn)，提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)的信息水平，最終實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和信息化。

4.3.1 水質(zhì)抽樣檢測(cè)

過去，水質(zhì)測(cè)試是人工進(jìn)行的。劃船到湖中去取水樣，不僅花費(fèi)大量的人力和物力，而且費(fèi)時(shí)、工作效率低。多旋翼無人機(jī)具有良好的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性，定位準(zhǔn)確，起降靈活，安全性高。它可以配置一個(gè)水容器和一個(gè)抽水裝置，并根據(jù)匹配的位置信息飛到湖泊的中心，在湖泊上方兩米的空中取水。這樣有利于節(jié)約成本，而且工作效率高，可以迅速及時(shí)地發(fā)現(xiàn)湖泊水質(zhì)問題。

4.3.2 水域環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

利用無人機(jī)技術(shù)對(duì)水域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)范圍內(nèi)水域的變化，并通過水域的基本數(shù)據(jù)建立水情調(diào)查和水務(wù)統(tǒng)計(jì)等管理系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)水利管理信息化，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源管理的需求。利用水域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果來建立水域變化和非法水域占用數(shù)據(jù)，為水利管理提供依據(jù)。

4.4 水域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

隨著自然經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以前收集的許多水務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和流域狀況已無法準(zhǔn)確反映水系現(xiàn)狀。使用無人機(jī)遙感技術(shù)重新監(jiān)控和收集當(dāng)前水域的數(shù)據(jù)，可以快速、準(zhǔn)確、方便地監(jiān)控流域狀況，節(jié)省大量的人力和物力。無人機(jī)遙感技術(shù)用于更新現(xiàn)有水域數(shù)據(jù)，通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理，全面測(cè)量水域使用情況和邊界劃分等，以生成數(shù)字圖像水域地形圖。建立一定轄區(qū)范圍內(nèi)的聯(lián)合控制體系，建立有效地河流類型、面積、水量、河道所有權(quán)信息的共享機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)水域的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫和管理體系的建立。此外，有必要監(jiān)測(cè)河堤變化以及非法占用水域等情況，以提供有效地圖像數(shù)據(jù)，增強(qiáng)河流水域的安全健康發(fā)展。

4.4.1 水流流速檢測(cè)

無人機(jī)可以配備流量計(jì)以測(cè)量水體的流速。當(dāng)無人駕駛飛機(jī)飛過水面時(shí)，把流量計(jì)帶到水面以下約三米的深度以測(cè)量水體的流速，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在流速儀中。幾分鐘后測(cè)量數(shù)據(jù)逐漸穩(wěn)定后無人機(jī)就可飛回，地面人員可以通過存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。

4.4.2 河底地形勘測(cè)

配備聲吶檢測(cè)設(shè)備的無人機(jī)可以快速到達(dá)指定位置進(jìn)行水下地形的掃描，能夠更好地了解水下地形和結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置。測(cè)量的最大水深可達(dá)100m，最大寬度為300m。

4.5 遙感測(cè)繪

由于現(xiàn)有的普通航空攝影缺乏靈活性，難以在云下獲取圖像；衛(wèi)星遙感的時(shí)效性不高，并且分辨率低，不能滿足重復(fù)測(cè)量或監(jiān)視水利工程的要求。無人機(jī)具備遙感飛行能力，機(jī)身上裝有數(shù)據(jù)遙感裝置和一體化數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)用作技術(shù)支持，并且集成了“3S”技術(shù)以滿足對(duì)監(jiān)測(cè)水體的實(shí)時(shí)觀測(cè)和即時(shí)數(shù)據(jù)分析。經(jīng)過初步檢查和測(cè)試，可以根據(jù)項(xiàng)目需要獲取大范圍的航拍圖像數(shù)據(jù)，并可以完成數(shù)字化高程模型圖和數(shù)字正射影像圖，為項(xiàng)目建設(shè)提供必要的信息。

另外，使用無人機(jī)遙感手段，把水務(wù)工程區(qū)域內(nèi)不同時(shí)期的監(jiān)測(cè)影像做假色合成處理，可以獲取該時(shí)期中水體的淹沒規(guī)模、水流方向和流度；使用紅外波段的水域輻射不同于其他地面物體的輻射，因此適合的紅外波段輻射處理能夠確定監(jiān)測(cè)水域的水體閾值，以此閾值范圍來定義監(jiān)測(cè)流域中的水體和非水體，閾值在該范圍內(nèi)為水體，高于此閾值的即為非水體。根據(jù)這一理論，能夠推斷出水務(wù)工程區(qū)內(nèi)一系列水文特點(diǎn)，為水利項(xiàng)目的落實(shí)以及推廣創(chuàng)造合理基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

隨著無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的發(fā)展，航測(cè)結(jié)果的高分辨率和良好效果的優(yōu)勢(shì)將越來越明顯，使用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行快速制圖將成為現(xiàn)實(shí)。如使用視頻拍攝設(shè)備實(shí)時(shí)收集并返回實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)；在多云和大霧的天氣中使用合成孔徑雷達(dá)設(shè)備獲取高分辨率圖像等。無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在水務(wù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，將被廣泛快速地使用。