梅同單 李丹

摘 要：深入分析無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于長江水文應(yīng)急監(jiān)測的具體方案，通過優(yōu)劣評價(jià)得出相應(yīng)改進(jìn)策略，為我國水文監(jiān)測良好發(fā)展提供支持。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);水文應(yīng)急監(jiān)測;長江

中圖法分類號：P332? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0421

我國信息技術(shù)發(fā)展迅猛，各類先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于水文監(jiān)測中。長江是我國第一大河，做好長江汛情應(yīng)急監(jiān)測對水旱災(zāi)害防御至關(guān)重要。通過無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，能夠構(gòu)建一個(gè)相對完善的空中水文監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)而快速采集并傳輸長江汛情監(jiān)測信息?；诖?，本文深入分析了無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于長江水文應(yīng)急監(jiān)測的具體方案，通過優(yōu)劣評價(jià)得出相應(yīng)的改進(jìn)策略。

1? 無人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測方案

當(dāng)前，常用的無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)主要是多旋翼無人機(jī)，通過遠(yuǎn)程程序?qū)邆湫磔S的無人飛行器進(jìn)行有效控制，結(jié)合非接觸式雷達(dá)波多普勒測速設(shè)備、通訊傳輸設(shè)備以及激光三維掃描設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)獲取準(zhǔn)確的水文數(shù)據(jù)，并及時(shí)傳輸給地面總控制臺。

使用無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)方案主要有以下兩種。（1）機(jī)動主體。無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)一般不需要配備相應(yīng)的輔助類水文固定設(shè)施，但需要通過越野巡測車作為地面設(shè)備支撐，其中存在著數(shù)量眾多的無人機(jī)，整個(gè)越野巡測車包含了計(jì)算機(jī)通訊設(shè)施、電源、地面控制站的導(dǎo)航以及視頻監(jiān)控這類設(shè)備，一般可以在監(jiān)測之前進(jìn)行現(xiàn)場組裝。在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需要配備兩名工作人員，其中一名工作人員主要控制所有的地面設(shè)備，并操作無人機(jī)的實(shí)際飛行航向，完成對斷面的流速監(jiān)測，另一名工作人員則主要負(fù)責(zé)無人機(jī)的野外放飛和回收。（2）懸停測速。同一斷面的流速測量必須重復(fù)多次，無人機(jī)根據(jù)既定的航跡穿越長江制定測量區(qū)域，每20m左右進(jìn)行一次懸停測速，并將懸停高度保持在30m左右，如圖1所示。

在進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測時(shí)，若出現(xiàn)道路阻塞等情況，工作人員不能及時(shí)進(jìn)行測量，可以使用以下兩種無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的工作模式。（1）遙控飛行模式。地面總控制臺能夠完成遠(yuǎn)程的遙控飛行，有效控制無人機(jī)的航行線路，并通過內(nèi)置程序來實(shí)現(xiàn)懸停測速，一名工作人員操作即可。（2）自動測速工作模式，主要應(yīng)用于工作人員無法到場的情況，地面總控制臺能夠啟動相應(yīng)的飛行控制軟件，無人機(jī)根據(jù)內(nèi)置線路飛行，并自動采集與傳輸相應(yīng)水文數(shù)據(jù)信息。

2? 無人機(jī)中自動控制的應(yīng)用

2.1? 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模式及監(jiān)測載具的選取

（1）通過機(jī)載多普勒測流系統(tǒng)采集與吊載長江斷面流速。在對長江部分水流速度相對較高、高低落差較小的流域進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，一般選擇K波段雷達(dá)多普勒流速儀，并以近地面或水面的形式來完成測流垂線以及測流斷面的設(shè)置。通過此方式得出的流速監(jiān)測結(jié)果較為準(zhǔn)確，并且可結(jié)合水位信息實(shí)現(xiàn)對斷面的流量測定。

（2）通過機(jī)載激光三維掃描系統(tǒng)采集空間坐標(biāo)和區(qū)域顏色值。機(jī)載激光三維掃描儀能夠采集被測長江流域的三原色信息以及三維坐標(biāo)信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且這一范圍相對較大，所生成的數(shù)字表面模型以及數(shù)字高程模型也有著極高的精準(zhǔn)程度。相關(guān)技術(shù)人員利用這類模型能夠完成對長江水情區(qū)域三維場景圖的構(gòu)建，從而模擬出一個(gè)被測長江流域?qū)嶋H景象。

（3）通過機(jī)載高分?jǐn)?shù)碼照相設(shè)備采集分時(shí)影像數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用于以下兩個(gè)方面。正射影像采集，將高分?jǐn)?shù)碼照相機(jī)吊載于無人機(jī)中，直觀了解長江水情圖像及地表現(xiàn)狀。三維影像采集，將五眼相機(jī)吊載于無人機(jī)中，通過實(shí)地傾斜攝影這一方式來采集堤、林、坡、物這類側(cè)立面的圖像信息。

（4）通過機(jī)載視頻攝像設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)景象觀測。將數(shù)碼、光學(xué)視頻采集設(shè)備以及夜間使用的紅外設(shè)備吊載于無人機(jī)中，能夠?qū)⒈槐O(jiān)測長江流域的現(xiàn)場視頻實(shí)時(shí)地傳輸給總控制臺，進(jìn)而對長江水情以及水毀情況進(jìn)行查看，并且也能夠發(fā)現(xiàn)水面漂浮物以及對堤防的巡查。

2.2? 構(gòu)建汛區(qū)應(yīng)急中繼通訊

當(dāng)前，常用的報(bào)汛方式主要通過無線、有線衛(wèi)星通信及網(wǎng)絡(luò)完成信息傳遞，但這一方式可能在洪災(zāi)、強(qiáng)降雨等自然災(zāi)害中失效。通過自動控制技術(shù)構(gòu)建一個(gè)汛區(qū)應(yīng)急中繼通訊，可有效解決通訊癱瘓問題。在組建時(shí)主要通過無人機(jī)系留繩讓地面發(fā)電設(shè)備為無人機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間滯空，同時(shí)構(gòu)建一個(gè)由無人機(jī)搭載基站設(shè)備，機(jī)地連接有線傳輸，地面操控與核心網(wǎng)連接系統(tǒng)所組成應(yīng)急通訊中樞。當(dāng)某地區(qū)出現(xiàn)自然災(zāi)害后，可通過空中通道的構(gòu)建和災(zāi)區(qū)駐站人員直接聯(lián)系，并且能夠完成物品投送、事物補(bǔ)給等操作，將水文情報(bào)信息及時(shí)帶出。

2.3? 三維建模和分析決策

將無人機(jī)自動控制技術(shù)應(yīng)用于長江水文應(yīng)急監(jiān)測時(shí)，可有效完成數(shù)字三維模型構(gòu)建。根據(jù)報(bào)訊規(guī)范中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠在無人機(jī)監(jiān)測范圍之內(nèi)采集相關(guān)空間數(shù)據(jù)信息，生成實(shí)時(shí)立體模型，反映監(jiān)測區(qū)域地貌因素的空間分布形態(tài)。水位、降水量、淹沒情況、流量計(jì)算等數(shù)據(jù)信息分析會得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，洪水預(yù)報(bào)、量化分析以及決策水平都會有較大幅度的提升。

具體而言，主要包含靜態(tài)三維模型、動態(tài)三維模型以及數(shù)值分析計(jì)算。其中靜態(tài)三維模型主要是在長江流域發(fā)生汛情之前，根據(jù)駐站水文資料以及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)構(gòu)，建流域自身、山丘山谷地帶的三維模型，為長江流域汛期監(jiān)測提供可對比分析的基礎(chǔ)底圖模型。動態(tài)三維模型主要在汛情突發(fā)之后，通過無人機(jī)來對地表、地形信息，高程、水面變化數(shù)據(jù)進(jìn)行勘測，并在此基礎(chǔ)上分航次與時(shí)段生成相應(yīng)的三維模型，最終再將所有模型組合起來形成動態(tài)模型。數(shù)值分析計(jì)算主要通過相關(guān)軟件來對長江流域?qū)嶋H水情變化情況進(jìn)行動態(tài)觀察，計(jì)算出不同時(shí)段的水量、降雨量、水情路徑、流量、水情范圍，最大化地降低突發(fā)汛情所帶來的不利影響。

3? 采用無人機(jī)進(jìn)行長江水文應(yīng)急監(jiān)測的改進(jìn)方向

3.1? 構(gòu)建完善的測流模型

目前，應(yīng)用較為廣泛的無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)主要根據(jù)我國大部分河流的共性設(shè)計(jì)，但長江在地理位置以及水質(zhì)等方面有較明顯特性，沿用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型會降低長江水文監(jiān)測結(jié)果的精準(zhǔn)性。因此，相關(guān)人員應(yīng)全方位了解長江干支流的實(shí)際情況，參考當(dāng)?shù)厮恼镜乃谋O(jiān)測資料，基于測流模型探索最佳測流位置，有效提升監(jiān)測結(jié)果的精準(zhǔn)性。

3.2? 增強(qiáng)飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)主要借助于微波雷達(dá)輔助，飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定決定測速結(jié)果，一些監(jiān)測指標(biāo)受無人機(jī)飛行速度的影響，會出現(xiàn)誤差。因此，進(jìn)行應(yīng)急水文監(jiān)測時(shí)，應(yīng)當(dāng)掌握好無人機(jī)不同階段的控制，增強(qiáng)飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。首先是加減速控制，應(yīng)當(dāng)保證無人機(jī)在飛行過程中能夠基于長江流域的環(huán)境因素獲得穩(wěn)定的加減速，且加速度不宜太大，否則很容易偏離航線。其次是爬升以及下降控制，飛行控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)考慮飛行過程中的通視條件，結(jié)合長江流域不同氣候、風(fēng)速等因素得出合理的爬升或下降速度。最后是懸?？刂?，這一階段的穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用，需要系統(tǒng)能夠判定周圍風(fēng)力條件以及氣壓條件，進(jìn)而為無人機(jī)的回轉(zhuǎn)及盤旋模式選擇提供正確的指令。

3.3? 做好地面控制指揮工作

無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)雖然有著較強(qiáng)的自主性、智能性，但人工操作也有至關(guān)重要的作用。因此無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)與地面總控制臺的聯(lián)系，通過添加無人機(jī)任務(wù)荷載、無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈相關(guān)功能模塊，來有效降低無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)紕漏的可能性，為保證長江水文應(yīng)急監(jiān)測結(jié)果的精準(zhǔn)性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4? 結(jié)語

通過無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)等信息技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效保證長江水文應(yīng)急監(jiān)測的質(zhì)量，提高精準(zhǔn)監(jiān)測的效率。目前，部分無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)有著較為廣闊的改良前景，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)充分考慮長江流域的獨(dú)特性，完善與優(yōu)化無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，從而更加有效促進(jìn)長江水文應(yīng)急監(jiān)測工作的開展。

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