吳橙

【摘要】近年來，隨著信息化建設工作發(fā)展，黃河干流自動水位、自動視頻站提供實時數(shù)據(jù)及影像資料，為黃河干流夏秋季洪水汛情、冬季凌情監(jiān)測提供了科學依據(jù)。但監(jiān)測站點偏少，空白區(qū)較大，人工監(jiān)測工作量仍然很大。為了進一步加強黃河汛情、凌情監(jiān)測的時效性和準確性，充分發(fā)揮自動化建設成果在監(jiān)測工作中的作用，為了加快破解監(jiān)測瓶頸，提高監(jiān)測效率，為水利發(fā)展及社會經(jīng)濟發(fā)展提供服務，擬采用無人機等信息化手段進行監(jiān)測。本文通過調(diào)研無人機發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題。探討無人機在寧夏水文監(jiān)測方面的可行性及方式方法，以供參考。

【關鍵詞】無人機；黃河監(jiān)測；信息化

1寧夏黃河段監(jiān)測設備分布現(xiàn)狀

目前已建成的17處水位遙測站數(shù)據(jù)通過GPRS傳入水文遙測平臺，13處視頻站信息入水利信息中心視頻系統(tǒng)，因資金投入不足和缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，尚未形成能為防洪防凌調(diào)度指揮提供支持的統(tǒng)一黃河水情信息管理系統(tǒng)，造成信息資源不足、信息共享困難、應用基礎薄弱，在功能上尚不能滿足黃河防洪防凌業(yè)務的需要。

2.無人機寧夏境內(nèi)限制飛行現(xiàn)狀

2.1無人機安全系統(tǒng)現(xiàn)狀

無人機飛行限制系統(tǒng)和安全提示信息系統(tǒng)在全球已經(jīng)非常成熟，旨在提供各類飛行受限制的區(qū)域，無人機飛行員將實時獲取相關受限資訊，包含但不限于機場、由于一些突發(fā)情況（如森林火災、大型活動等）造成的臨時限飛區(qū)域、一些永久禁止飛行的區(qū)域（如監(jiān)獄、核工廠等）。此外，在部分區(qū)域例如野生保護區(qū)、人流密集的城鎮(zhèn)等允許飛行的區(qū)域也可能收到飛行警示。以上這些無法完全自由飛行的區(qū)域，都統(tǒng)稱為限飛區(qū)，包含了警示區(qū)、加強警示區(qū)、授權(quán)區(qū)、限高區(qū)、禁飛區(qū)等。如需在該區(qū)域執(zhí)行飛行，可準備相關材料申請臨時解禁。此項解禁功能并不適用于高度敏感的區(qū)域。

2.2我區(qū)限飛地區(qū)統(tǒng)計

我區(qū)無人機限飛地區(qū)截止目前共有三處：

2.2.1.銀川河東國際機場地區(qū)：

（1）限高區(qū)：北起通貴鄉(xiāng)馬家莊以南1公里，南起靈武火車站以南5公里，西起永寧縣中華回鄉(xiāng)文化園處，東起水洞溝遺址博物館處。

（2）限飛區(qū)：以河東機場為中心半徑6公里處均為禁飛區(qū)。

2.2.2中衛(wèi)沙坡頭機場：

（1）限高區(qū)：中衛(wèi)市香山公園以南20公里處為限高區(qū)。

（2）限飛區(qū)：以中衛(wèi)沙坡頭機場為半徑7公里處均為禁飛區(qū)。

2.2.3固原六盤山機場

（1）限高區(qū)：以固原六盤山機場為半徑10公里為限高區(qū)。

（2）限飛區(qū)：以固原六盤山機場為半徑6公里處均為禁飛區(qū)。

3.無人機在線管理平臺與現(xiàn)階段已有水利信息化系統(tǒng)的融合需求。

3.1無人機在線管理系統(tǒng)需求

無人機綜合在線管理平臺是提高我區(qū)無人機自動監(jiān)測的綜合系統(tǒng)，主要需求包括：

（1）實時傳輸：遠程獲取無人機實時視頻與位置，增強團隊協(xié)作?？焖俨榭礋o人機當前地圖位置與飛行數(shù)據(jù)，遠程掌控飛行任務進度，直觀方式協(xié)同作業(yè)。通過無縫連接前后方，遠程查看現(xiàn)場狀況，提升工作流程及效率，支持多路無人機遠程直播。

（2）數(shù)據(jù)管理：自動同步飛行記錄，提升作業(yè)效率，保障飛行合規(guī)。自動記錄詳細飛行數(shù)據(jù)，回放飛行軌跡，統(tǒng)計飛行時間，為設備維護和飛行合規(guī)提供保障。飛行數(shù)據(jù)通過云服務儲存，信息管理流程依據(jù)SOC2安全標準設計，保障更安全的數(shù)據(jù)儲存。

（3）團隊設置：管理設備與人員，降低運營成本，助力水利職工盡快熟悉業(yè)務。

3.2無人機在線管理系統(tǒng)與已有水情綜合業(yè)務系統(tǒng)的融合

無人機在線管理系統(tǒng)與已有水情綜合業(yè)務系統(tǒng)采取基于水情綜合業(yè)務系統(tǒng)的構(gòu)架下嵌入融合，避免二次開發(fā)，達到數(shù)據(jù)管理實施入庫。

4.固定翼無人機與旋漿翼無人機的優(yōu)缺點

4.1固定翼無人機

飛機靠螺旋槳或者渦輪發(fā)動機產(chǎn)生的推力作為飛機向前飛行的動力，主要的升力來自機翼與空氣的相對運動。所以，固定翼飛機必須要有一定的無空氣的相對速度才會有升力來飛行。因為這個原理，固定翼飛行器具有飛行速度快，比較經(jīng)濟，運載能力大的特點。固定翼的無人機也是非常有用的，在有大航程，高度的需求時，一般選擇固定翼無人機，比如電力巡線，公路的監(jiān)控等等。

4.2多旋翼無人機

多旋翼是依靠多個旋翼產(chǎn)生的升力來平衡飛行器的重力，讓飛行器可以飛起來，通過改變每個旋翼的轉(zhuǎn)速來控制飛行器的平穩(wěn)和姿態(tài)。所以多旋翼飛行器可以懸停，在一定速度范圍內(nèi)以任意的速度飛行，基本上就是一個空中飛行的平臺，可以在平臺上加裝自己的傳感器啊，相機啊，甚至機械手之類的儀器。操作簡單，經(jīng)過簡單的培訓人人都可以操作。出現(xiàn)了目前像大疆，parrot等公司直接把高度集成、穩(wěn)定的產(chǎn)品送到消費者手上，不需要去自己去做太多工作，目前比較熱門。

5.現(xiàn)有無人機參數(shù)調(diào)研

為適應我區(qū)凌汛期溫度低降雪大風等惡劣天氣，以及本次項目需求，以下參數(shù)僅介紹多旋翼無人機參數(shù)，無人機參數(shù)及穩(wěn)定性直觀重要，本文從以下幾個方便進行分析。

5.1云臺參數(shù)

根據(jù)多家廠家調(diào)研參考：云臺重量可以減少至80-40g。通過優(yōu)化配套控制軟件，可以更加精準的完成監(jiān)測任務，也可以是飛行操控員獲得更加細膩的操作手感，云臺最多支持等效90mm長焦鏡頭，可通過主副遙控器同事操作飛機飛行及云臺控制。

5.2飛行安全

1）.要求能做到前后左右上下六方位避障。

2）.電池系統(tǒng)：能夠提供低溫自加熱功能，保證在寒冷天氣也可使用。

3）.智能返航：基于前視和下視的雙目立體視覺系統(tǒng)可在飛行過程中實時對飛行環(huán)境進行地圖構(gòu)建，記錄飛行軌跡，當飛行器被物體遮擋導致圖傳或者遙控器信號斷連時，可以沿飛行路徑返回，直到圖傳信號恢復后再按直線返回。智能返航模式下，擁有遠達200米的障礙物觀測能力，可提前規(guī)劃繞飛路徑。還能在失控返航時，更快建立連接，盡早掌握飛行狀態(tài)，實現(xiàn)更安全，更順利的自主返航。

5.3聚焦功能以及智能飛行與智能拍攝

1）.聚焦功能：可通過視覺跟蹤技術被識別被拍攝物體，并按照構(gòu)圖要求自動控制云臺轉(zhuǎn)動。

2）.智能飛行及拍攝功能：通過避障增強的興趣點環(huán)繞及航點飛行功能，可以安全無憂地完成飛行路線，快速自旋功能可以讓云臺實現(xiàn)無限連續(xù)的轉(zhuǎn)動范圍，指點飛行及智能跟隨功能則讓復雜鏡頭的拍攝唾手可得。

5.4遙控器及圖傳系統(tǒng)

1）.遙控圖傳：要求支持.4GHz及5.8GHz*頻段冗余的Lightbridge高清圖傳系統(tǒng)，開機自動檢測周圍無線電信號干擾情況并自動選擇2.4GHz或5.8GHz*工作頻段。Lightbridge高清圖傳系統(tǒng)可在單一頻段同時傳輸遙控和圖傳信號，因此可直接降低市區(qū)環(huán)境等WiFi或4G基站信號對圖傳通信的干擾。有效傳輸距離遠達7公里**，并可同時傳輸1080p/720p主相機畫面及FPV攝像頭畫面。

2）. 主從機互聯(lián)：從機互聯(lián)采用全新的無線鏈路機制，使得主機、從機擁有完全相同的圖像質(zhì)量。從機設備的圖像通過主機傳輸，不僅可以操控云臺，也能設置相機等參數(shù)。主從機之間通訊距離可達100米。

3）.廣播模式：支持廣播模式，可輸出廣播電視行業(yè)常用的1080i50以及720p60視頻信號。同時，系統(tǒng)經(jīng)過特殊的優(yōu)化，使得HDMI的視頻更加流暢，且兼容主流廣播電視制式。

6.現(xiàn)有無人機使用單位成功案例調(diào)研

6.1農(nóng)業(yè)

6.1.1農(nóng)作物監(jiān)測

一代又一代的農(nóng)業(yè)從業(yè)者穿梭在田地中，巡查農(nóng)作物長勢并判斷蟲害狀況，這種傳統(tǒng)監(jiān)測方式不僅耗時費力，而且在植被密集區(qū)域會受到很大的局限。 通過無人機，農(nóng)業(yè)從業(yè)者可在快速巡查作物的同時對農(nóng)田進行繪圖和建模，大幅提升工作效率。XT熱成像相機也是農(nóng)作物監(jiān)測的重要工具。它可對苗圃、溫室進行直接監(jiān)測?？奢p松獲取重要的農(nóng)作物信息。

6.1.2農(nóng)作物咨詢

農(nóng)學家使用多種不同領域的科學技術解決農(nóng)學問題，包括增加產(chǎn)量，提高食物安全性，管控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響以及作物處理等。他們可能專注于多個領域的研究，如輪作生產(chǎn)、灌溉排水、植物育種、植物生理學、土壤分類、土壤肥力、雜草控制，或是蟲害防治。這些研究都需要大量植被以及環(huán)境數(shù)據(jù)。 航拍相機能結(jié)合可見光與紅外成像，捕捉人眼無法覺察的農(nóng)作物影像。健康與生長不良的作物可以被明顯區(qū)分，種植者可以及時了解并采取必要行動。航拍監(jiān)測時間靈活，可以每周或每天進行，甚至每小時進行一次。將這些影像信息合成為延時視頻，可突出作物生長中的變化，從而顯示問題區(qū)域，更加高效地管理作物。無人機為農(nóng)學家提供高載荷飛行平臺，支持光譜、高光譜或全幅傳感器以及相機等多款第三方設備。通過大D-RTK GNSS 系統(tǒng)升級至厘米級懸停精度。通過雙模衛(wèi)星定位和IMU系統(tǒng)，能實現(xiàn)6度冗余，飛行表現(xiàn)穩(wěn)定可靠。使用SDK可定制應用，設計飛行模式或進行全自動飛行，從而簡化監(jiān)測過程。另外，一個基站可同時控制5臺無人機，從而提高對大型農(nóng)場的監(jiān)測效率。

6.1.3灌溉管理

淡水是最寶貴的自然資源之一，全球農(nóng)業(yè)從業(yè)者都在想方設法優(yōu)化灌溉效果。水量過大或不足都會影響作物產(chǎn)量，這就意味著需要對灌溉狀況進行細致的追蹤監(jiān)測。 現(xiàn)代大型農(nóng)場通常面積廣闊，田地的灌溉依賴于多個灌溉樞軸。玉米等作物生長到一定高度時，檢測噴灌設備是否送水過量就變的很困難。 無人機飛行平臺結(jié)合熱成像相機，可提升對灌溉以及積水區(qū)域的管理效率?；谛袠I(yè)領先的FLIR Tau2 設計，為管理者精準呈現(xiàn)水量信息，幫助他們進一步優(yōu)化灌溉策略。

6.2能源

6.2.1光伏行業(yè)

無人機在屋頂光伏板檢測與大型光伏電站的運維上具備明顯優(yōu)勢。相機可以短時間內(nèi)掃描處于工作狀態(tài)中的光伏板，能清晰地用影像呈現(xiàn)溫度異常。通過使用禪思XT進行檢測，用戶能迅速確定出現(xiàn)故障的光伏板，及時進行修復，保障發(fā)電站保持最佳的狀態(tài)。續(xù)航時間長達30分鐘，一次飛行可以檢測大片區(qū)域。檢測人員只需通過航拍素材初步判定故障區(qū)域，然后前往確認即可，與傳統(tǒng)的步行全場檢測方式相比，顯著提升了工作效率。

6.2.2風力發(fā)電站

電力巡線、核電站巡檢、能源、風力發(fā)電站、風力發(fā)電機的檢測更為復雜，也更具挑戰(zhàn)。目前，檢測風力發(fā)電機需要將工作人員運送到高空中進行作業(yè)。不僅有很大的安全隱患，而且需要在檢測前停工，影響發(fā)電效率。與傳統(tǒng)手段相比，使用無人機讓風力發(fā)電機檢測變得安全、便捷。無人機定位精準，可從空中接近風力發(fā)電機，檢測人員的安全風險大幅降低。而且現(xiàn)有無人機的環(huán)境感知與避障功能可有效避免撞擊事故，確保飛行安全。并且可拍攝1600萬像素高解析度的圖片以及4K視頻，可以清晰地辨識發(fā)電機外部的損傷和故障隱患。通過高清圖傳系統(tǒng)，可實時進行檢測，也可以通過飛行器儲存的超高清視頻素材進行后續(xù)分析。全新的技術大幅縮短了停機檢修時間，提升了工作效率。

6.2.3電力巡線

輸電線和鐵塔構(gòu)成了現(xiàn)代電網(wǎng)，輸電線路跨越數(shù)千公里，交錯縱橫，電塔分布廣泛、架設高度高，使得電網(wǎng)系統(tǒng)的維護困難重重。以前，電力巡線工作需要通過直升機來完成，現(xiàn)在，先進的無人機技術讓電力巡線工作變得更簡單、高效。 巡線工作組到達作業(yè)地點后，即可輕松使用無人機開展空中巡檢工作。高清實時圖傳讓巡檢員在飛行中就能快速發(fā)現(xiàn)故障點。同時，可拍攝1600萬像素照片和4K影像，為巡檢后期分析提供充分的畫質(zhì)保證。 通過D-RTK GNSS導航系統(tǒng)，使得飛行器獲得厘米級別的懸停精度。部分無人機搭載3套衛(wèi)星定位以及慣性測量單元，實現(xiàn)6路冗余，令其飛行穩(wěn)定可靠。此外，還可通過DJI SDK開發(fā)者平臺定制軟件，設置標準飛行模式、實現(xiàn)自主飛行或利用基站同時控制5臺飛行器對不同的線路段進行檢測。

6.3公共安全

6.3.1搜救

搜救工作分秒必爭，提升響應速度就能拯救更多生命。采用先進的FLIR熱成像技術，一體化的云臺設計讓搜救人員能迅速部署熱成像航拍系統(tǒng)，并突破光線和環(huán)境的限制，即使在黑夜、濃煙或樹林中也可輕松辨識搜索目標，顯著提升搜救效率。效率遠遠超過傳統(tǒng)人工搜救方式，領先行業(yè)水平。另外，可以開發(fā)特征點查找識別、自動飛行與監(jiān)控等功能，非常適合緊急搜救任務。

6.3.2消防

無人機能幫助消防員快速探查火源，在安全區(qū)域?qū)馂默F(xiàn)場進行實時監(jiān)控。無人機相機讓消防隊更清晰觀測火勢蔓延路徑，并評估可能出現(xiàn)危險的建筑或區(qū)域，為指揮人員及時提供信息，做出最有效的現(xiàn)場決策。消防員可通過紅外圖像識別濃煙中隱藏的熱點及火源，消防隊能更細致的監(jiān)控現(xiàn)場環(huán)境，得到更多的信息?？萍甲屜绬T及時獲取火場關鍵信息，并在最短時間內(nèi)做出判斷。

6.3.3救災

無人機不僅在搜救中能發(fā)揮重要作用，還能用于救災觀測中。在災害發(fā)生后的短短幾小時內(nèi)，可以使用無人機確定需要緊急救援的區(qū)域，將信息準確反饋給政府與救援機構(gòu)，協(xié)助他們高效地調(diào)配救援人員和物資，拯救更多的生命。 在災后重建中，無人機可用于制作3D地圖、3D建模和正射影像圖，從而精確統(tǒng)計受損區(qū)域及受損程度。幫助政府災后重建。通過與災前地圖對比，可幫助受災地區(qū)恢復原貌。

7.無人機在本次項目中的應用

從行業(yè)現(xiàn)狀來看，由于巡檢無人機應用場景的具體需求不同，市場上用于水利巡檢領域的無人機品牌與種類繁多。從機型來說，基本以單旋翼無人機、多旋翼無人機和固定翼無人機三種為主，根據(jù)綜合因素考慮，本次項目建議使用多旋翼無人機進行實時監(jiān)測。

此外，無人機搭載的各類設備同樣根據(jù)任務場景和價格考量各有不同。因而，巡檢無人機的行業(yè)標準與產(chǎn)品標準的規(guī)范十分重要。