官廳水庫的數字孿生探索：無人機技術的應用

官廳水庫充分利用衛星遙感等現代化技術手段，加快監測感知體系建設，強化數字孿生水利建設。

官廳水庫作為中華人民共和國成立后興建的第一座大型水庫，在防洪、供水、灌溉等方面發揮了巨大作用。近年來，官廳水庫按照《水利部關于推進水庫、水閘、蓄滯洪區運行管理數字孿生的指導意見》要求，充分利用衛星遙感等現代化技術手段，加快監測感知體系建設，強化數字孿生水利建設。

無人機在官廳水庫應用的必要性

監測感知數據是構建數字孿生水利體系的前提和基礎，而無人駕駛航空器（以下簡稱無人機）作為重要的監測感知技術工具，在官廳水庫數字孿生系統中發揮著不可替代的作用。通過無人機高精度定位、實時數據監測傳輸、智能分析等功能，官廳水庫形成了集水質監測、水位監測、地形測繪與庫容管理、生物保護和生物多樣性監測、執法取證、應急救援于一體的應用體系，推動數字孿生水利監測感知體系向智能化模式發展。

無人機憑借其靈活性強、覆蓋范圍廣、作業成本低等優勢，在多個領域展現出巨大的應用潛力。通過搭載高清視頻采集、AI智能分析、智能測流等傳感器和設備，結合地面控制站可遠程實現無人化飛行、無人化管理、無人化分析的智慧巡航，實現對水庫及其周邊區域高精度、全方位的監測和數據采集。這些數據包括但不限于地形地貌、水質參數、氣象條件、植被覆蓋等，為數字孿生系統提供了豐富的實時數據源。數據經過處理和分析后，可以生成高精度的三維模型和虛擬場景，為水庫管理和流域治理提供了直觀的視覺化支持。

無人機技術的核心優勢在于其高效的信息采集和實時傳輸能力。傳統的水庫巡檢方式需要投入大量人力和物力，不僅巡檢周期長、準確性有限，還存在著較高的安全風險。無人機則能夠迅速、全面地覆蓋巡檢區域，實現高清圖像和視頻資料的實時收集，大幅提升巡檢效率。這種高效的數據采集方式，使得水庫管理部門能夠及時了解水庫的運行狀態，對潛在的安全隱患進行快速響應和及時處理。

此外，無人機在洪水調度和防洪搶險方面也展現出了巨大的潛力。如官廳水庫遭遇特大暴雨時，無人機可作為空中“哨兵”，及時快速有效到達險情處置現場，從空中把現場場景視頻實時傳送至指揮平臺。指揮決策部門能夠第一時間了解掌握搶護現場情況，對險情進行準確判斷與快速處置，有效提高了防洪搶險的反應能力和突發事件的應對能力。

無人機的優勢還體現在其高精度的數據收集方面。無人機巡檢系統搭載的傳感器和相機可以提供高質量、高精度的巡檢數據。通過圖像分析技術，可以獲取水庫水位、水質、水庫結構等相關信息，為水庫的維護和管理提供科學依據。這些數據不僅有助于及時發現和處理潛在的安全隱患，還能為水庫的調度和運行提供精準的決策支持。

無人機應用的關鍵技術

自動巡檢技術。無人機自動巡檢技術采用自動駕駛儀、路徑規劃算法、視覺輔助定位等系統工程，可通過地面控制站對無人機下發指令，無人機自動按照預設的時間、航線執行飛行任務，過程中無需人工干預即可完成巡檢，大幅提升了巡檢自動化水平和作業效率。

激光雷達技術。無人機激光雷達技術基于激光測距原理，通過向目標發射激光脈沖，并監測脈沖反射狀態，經數據處理單元進行信號放大、濾波、計算等處理，將探測目標距離數據轉化為三維空間坐標，實現對探測目標位置、高度等空間形態信息的采集。

傾斜攝影技術。無人機傾斜攝影技術通過合理規劃飛行路線，從垂直方向和傾斜方向對目標物體進行全方位航拍攝影，獲取目標物體的表面紋理，并利用共線方程確定物體三維空間位置，最終形成高精度的三維模型。

高光譜成像技術。無人機高光譜成像技術通過高光譜成像儀進行色散分解和光電轉換，獲取不同光譜波段圖像信息，從而精細分辨出目標物的光譜特征。

多源數據處理技術。無人機多源數據處理技術通過多源數據預處理、數據配準與坐標轉換、數據融合算法等技術手段，將光學影像、激光雷達、熱成像、高光譜等數據進行整合，實現各類模型的空間信息和模型的融合處理，增強對目標物體或場景的理解分析能力。

無人機在官廳水庫數字孿生中的具體應用

通過搭載高分辨率相機和傳感器，無人機能夠實時獲取水庫的水位、水質、地形地貌等關鍵數據。這些數據對于評估水庫的安全狀況、預測洪水風險以及制定應急預案具有重要意義。相比傳統的人工監測方式，無人機監測不僅提高了數據獲取的準確性和時效性，還大大降低了人員安全風險。

在水質監測應用中，利用無人機搭載高光譜成像儀和水質傳感器，每周在水庫范圍內進行1次航線飛行，實現大范圍水質數據采集，達到快速水質監測的目的。其中，高光譜成像儀通過對不同波長的光進行分析，可獲取水體中各種物質的光譜特征，從而準確判斷水質的參數。多參數水質傳感器能實時監測出水溫、酸堿度、溶解氧等關鍵數據。在實際飛行時，通過預先為無人機設定的飛行航線和航點動作，無人機上的高光譜成像儀和水質傳感器會持續工作，收集大量原始數據，并通過無線通信實時回傳到地面控制站。在數據處理和應用環節，經過對原始數據進行篩選和清洗，去除異常值和干擾信息后，通過數據分析算法對數據進行解譯和分析，進而形成第一手水體數據空間分布信息，例如水體富營養化分布圖、黑臭水體分布圖等。

在水位監測應用中，無人機在監測水位點之上懸停，通過搭載的激光雷達精確測量無人機與水面之間的距離，從而計算出水位的高度，測量精度在正負2毫米以內。在雨季多發的汛期，水庫水位變化迅速，一般每天進行1一3次無人機水位測量，非汛期水位相對穩定，每周進行2次測量。與傳統的水位監測方法相比，無人機配合激光雷達的方式具有更高的精度和更廣的監測范圍。

在地形測繪與庫容管理應用中，利用無人機搭載高精度GPS系統和激光雷達進行數據采集，快速獲取水庫及周邊區域的三維地形數據，進而建模生成與實體水庫一一對應的虛擬三維模型、數字高程模型等數字孿生數據，實現對水庫運行狀態的實時監測和模擬仿真。不僅能準確反映水庫的地形地貌、水文水質等關鍵信息，而且能為水庫的防洪調度、水資源管理、生態保護等提供科學依據，有助于精確計算水庫庫容，監測水位變化，為洪水預警、蓄洪調度提供科學依據。同時，地形測繪數據還能用于分析水庫岸線變遷、泥沙淤積等情況，為水庫的維護和管理提供決策支持。

官廳水庫不僅是重要的水源地，也是生物多樣性的寶庫。無人機在官廳水庫生態保護方面的應用，主要體現在對水庫周邊生態環境的監測和保護上。通過無人機搭載的多光譜相機、高清攝像頭，以每月1次的頻率采集生態數據。通過多源數據處理技術實現對植被覆蓋、土壤濕度、珍稀鳥類活動范圍和數量、水生植物種植和生長情況的統計和監測，為生物多樣性評估和生態保護措施的制訂提供依據。通過定期監測水庫周邊的生態環境和生物多樣性，無人機可以為制訂科學合理的環保政策提供數據支持。

官廳水庫流域面積廣闊，地形復雜，傳統的人工巡查方式耗時費力且難以覆蓋所有區域。無人機具備高空視野廣、機動性強等優勢，能夠克服地形和環境的限制，迅速發現并鎖定違法行為，為執法人員提供準確的定位信息。通過無人機搭載的多傳感器相機，可以對水庫周邊的非法排污口、“四亂”行為、非法捕撈和破壞水源等情況進行實時監測和拍照取證。無人機每次全面巡檢可采集超過1000張高清照片數據，并可將畫面實時傳輸回監控中心，監控人員一旦發現可疑情況，可立即前往處理，提高了執法取證的實時性和準確性。

此外，官廳水庫作為重要的水利設施，在防洪、供水等方面發揮著關鍵作用，一旦突發災害或緊急情況，如洪水、火災、人員溺水等，無人機憑借其靈活機動、高效作業的優勢，從接收指令到起飛出動僅需90秒，并能夠在災前、災害發生時、災后全過程為應急救援工作提供有力支持。在災前，無人機通過每周1次對隱患位置進行常規巡檢，可提前發現可能存在的堤壩隱患、決口風險、人員逗留風險、煙霧火情等，有助于及時采取措施消除隱患。在災害發生時，無人機可以迅速出動展開偵察工作，例如獲取洪水發生時實時的洪水水位、水流速度、淹沒范圍等關鍵信息，獲取火災區域現場情況及火點位置，在人員溺水的緊急情況出現時，無人機能夠迅速抵達事發地點，利用熱成像攝像頭在復雜的水面環境中快速定位溺水者的位置，并通過配備的喊話設備向溺水者發出安撫和指導的聲音。

在災后，無人機還可以快速收集災情數據，輔助受災情況評估工作。

無人機技術面臨的挑戰

無人機技術在官廳水庫管理中的應用前景廣闊，其在水質監測、地形測繪、生態保護及應急響應等方面的應用，為水庫的智能化管理提供了有力支持。但同時也面臨著一些挑戰，如續航時間短、數據處理等問題，限制了其在某些復雜場景下的應用效果。此外，無人機飛行安全、隱私保護等問題也需要引起關注。

在技術研發方面，無人機的飛行控制、導航定位、傳感器技術及能源供應等仍需要不斷創新與突破。當前的傳感器技術在精度、范圍和可靠性方面仍存在著一定的局限性，如光學傳感器在惡劣天氣條件下性能下降、雷達傳感器可能受到電子干擾等。此外，能源供應也是限制無人機作業能力的一個重要因素。

在數據融合方面，無人機采集的包括圖像、視頻、地形測量等數據，需要進行有效的整合和分析，以形成對水庫環境的全面認知。然而，當前的數據融合技術尚不完善，不同來源、不同格式的數據難以實現無縫對接和高效處理。這導致無人機采集的數據在實際應用中難以充分發揮其價值。

在政策法規方面，一方面，無人機在水庫上空飛行需要遵守相關的航空法規和安全規定，以確保飛行安全；另一方面，無人機采集的數據涉及水庫的敏感信息，需要遵守相關的數據保護和隱私法規。然而，當前的政策法規體系尚不完善，對于無人機在水庫監測領域的應用缺乏明確的規定和指導。

總體來說，無人機在官廳水庫數字孿生中的應用探索具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。它不僅為水庫管理和流域治理提供了先進的技術手段和解決方案，還為推動官廳水庫水利高質量發展、2035年恢復飲用水源、保障永定河流域水安全提供了有力支撐。通過在官廳水庫應用無人機技術，有助于推動水利工程巡查監測、防汛救災和應急響應等方面的技術創新和發展，也為其他水庫管理單位提供了一定的參考和借鑒作用。

（作者單位：北京市官廳水庫管理處）