鄭應(yīng)成

（廣西壯族自治區(qū)水文中心，南寧 530023）

1 無人機測流可行性和準確度

（1）無人機測流優(yōu)勢。廣西中小河流眾多、洪水頻發(fā)，常規(guī)的直接接觸測流存在較大風險。2017年7月應(yīng)急測驗人員在龍勝芙蓉河上使用ADCP測流，山區(qū)洪水流速度大，洪水直接把這臺貴重儀器沖散架，測驗人員手被牽引繩拉傷。這場大水將洛清江對亭站測流的另一臺ADCP測架沖斷。另一應(yīng)急小組人員在洛清江上游，永福茅江橋上使用ADCP 進行橋測，由于水流速度大、浪急，洪水直接將ADCP卷入河底，眼看儀器可能被沖毀，在這緊要關(guān)頭，一隊解放軍路過此地，及時出手幫忙，將儀器拉出水面，避免儀器損壞。一場大水，同時發(fā)生幾起直接測流的意外，說明直接測流存在風險。如果用無人機非接觸式測流，測流險情就大大減低。

有些中小河流水文站設(shè)在偏遠山區(qū)，測驗河段沒有水文測驗設(shè)施和測驗條件，無纜道、無船、上下游河段無橋梁，測流非常困難。當發(fā)生特大洪水，測驗人員無法靠近，無法測流時，無人機測流就容易得多。

（2）無人機測流方法。無人機作為載體，搭載電波流速儀，利用機載GPS 定位系統(tǒng)，飛到河道斷面預(yù)設(shè)的垂線上，抵近測流，數(shù)據(jù)通過電臺傳到岸上計算機。當測完所有預(yù)設(shè)垂線后，計算機自動算出流量。

（3）無人機測流試驗。國內(nèi)有一些公司已經(jīng)開始無人機測流系統(tǒng)的研制工作，北京美科華儀公司生產(chǎn)的漢龍水文測驗無人機，2017年在北京永定河上進行一次無人機測流試驗，測驗結(jié)果說明了永定河上無人機測流是成功的，證明了無人機測流的可行。

（4）無人機測流比測精度。2017年7月，貴州畢節(jié)水文局在赤水河站用纜道流速儀與漢龍水文測驗無人機測流進行了比測，比測結(jié)果相對誤差都沒有超過5%，根據(jù)《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準方法》（GB/T21699-2008）：流速儀各測點相對誤差均不超過5%。相對誤差比對數(shù)據(jù)是合格的，證明無人機測流精度符合規(guī)范要求。

（5）無人機自動測流。漢龍水文測驗無人機可以完成自動測流工作，測流完成后，系統(tǒng)自動打印流量計算表，測流、數(shù)據(jù)傳輸、計算、結(jié)果打印都實現(xiàn)自動化，赤水河站測流結(jié)果符合水文規(guī)范要求。驗證了無人機測流安全、可靠、高效、自動化程度上的優(yōu)勢，適合在水文行業(yè)應(yīng)用。

2 無人機在水文地形測量中的應(yīng)用

水文工作除了水文測驗，還需要進行地形圖測量工作，如：新建水文站勘察、設(shè)計、改造、水文調(diào)查都需要使用、實測地形圖。近年新設(shè)水文站網(wǎng)點增多，人員普遍不足，在遇到野外地形測量任務(wù)時，有時無法開展工作。無人機用于地形測量，不僅測量速度快、精度達到厘米級、作業(yè)范圍大、而且作業(yè)人員少，大有取代人工測量之勢。完全可以滿足水文對地形測量的要求。

2.1 獲取地形圖方法

獲取地形圖方法有傳統(tǒng)人工測量手繪成圖、飛機航拍、衛(wèi)星遙感、無人機航拍。這幾種獲取地圖方法，各有特點。

（1）人工測圖。適合局部測量成圖和控制點測量，由于外業(yè)工作強度大，測量速度慢。

（2）飛機航片。適合大面積成圖，成圖速度快。但申請手續(xù)復(fù)雜，受限制的條件太多，成本高。

（3）衛(wèi)星影片。谷歌地圖就是衛(wèi)星影像圖，也稱衛(wèi)片、遙感照片、衛(wèi)星影片，是小比例遙感照片，常見1∶2000 到1∶100 萬，小比例圖用于資源調(diào)查、普查等。但局部細節(jié)不清楚，時效性差，價錢貴。

（4）無人機航拍。無人機航拍應(yīng)用非常廣泛，無人機拍攝照片分辨率可達到0.1 m 以下，用于1∶1000 成圖或更大，這種高分辨率照片是目前衛(wèi)星照片無法做到。無人機適合小范圍局部航拍，是衛(wèi)片的補充，對時效性、清晰度、價錢等要求高的用戶，無人機是最明智的選擇。

2.2 航拍水文站

2014年3月，南寧水文站做了一次無人機航拍飛行演示。工作人員用瑞士eBee 無人機在南寧水文站區(qū)域上空飛行，共拍攝52張基礎(chǔ)正射航片。圖1是經(jīng)重疊合成正射糾正處理后的南寧水文站無變形正射航片（成果）；在成果片上疊加網(wǎng)格數(shù)據(jù)等形成地形圖。整個拍攝過程耗時僅半天，航片合成耗時半天，數(shù)據(jù)處理成圖數(shù)天內(nèi)完成。南寧水文站谷歌衛(wèi)星圖見圖2。圖1 無人機航片比圖2 衛(wèi)星影片要清楚，無人機航片清晰、快捷、靈活、價錢低、是衛(wèi)星影片無法比擬。

無人機拍攝的航片，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理成圖后，精度可滿足1∶1000 測圖要求，符合測圖有關(guān)技術(shù)標準。

圖1 正射糾正處理后的南寧水文站無變形正射航片

圖2 南寧水文站谷歌衛(wèi)星圖（攝于2017年3月）

3 三維地圖在信息化管理中的應(yīng)用

目前水文站點越來越多，管理的難度也在加大，要處理的信息也越來越多。在信息化管理中，用數(shù)字地圖替帶紙質(zhì)地圖，用三維數(shù)字地圖將站點信息都融合在里面，用計算機進行查看、分析、統(tǒng)計、匯報非常方便和快捷，特別對淹沒區(qū)調(diào)查非常直觀。采用無人機航測形成的三維地圖是目前常用的方法。

3.1 三維地圖特點

一般地圖也稱平面圖、二維地圖、正射圖和基本圖等，圖上標有坐標、高程、地物、地名等屬性，讀圖時需要具有一定的專業(yè)技術(shù)知識；三維地圖也稱立體地圖、3D 地圖，更直觀、更易讀，展示信息量更大，效果更好。

無人機傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，通過無人機的傾斜攝影，進行定位、融合、建模，生成仿真三維地圖（也稱三維建模）。

3.2 三維建模過程

（1）快速建模，也稱粗模。使用無人機航拍、實景拍攝等方式快速建模，形成大概的三維模型（見圖3）。

（2）精細化單體建模。主要針對用戶關(guān)注的對象，如：水利行業(yè)關(guān)心的水庫、水利樞紐、水文站、雨量站、地下水井、河道等構(gòu)筑物，使用其外形尺寸、地形、坐標、高程等精確數(shù)據(jù)，對大概的三維模型進行局部精細化單體建模，可用無人機傾斜攝影、激光點云數(shù)據(jù)、現(xiàn)場測量和拍攝等進行局部精細化建模，經(jīng)處理后形成三維地圖，是精準的矢量三維模型（見圖4）。

（3）為對象添加屬性。將地名、站名、高程、水深、儀器型號等信息作為屬性錄入到相應(yīng)的對象中，在三維地圖上，可以方便查閱關(guān)注對象信息，可進行批量查詢、統(tǒng)計、打印等工作（見圖5）。

3.3 三維地圖應(yīng)用

圖3 水文站斷面三維地圖，水文站地形地貌真實展現(xiàn)在眼前，地圖可作任意角度旋轉(zhuǎn)，從各角度去看水文站地形，非常直觀，相當一個實體模型展現(xiàn)在眼前。矢量三維地圖由三維坐標、點云數(shù)據(jù)、無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)、人工測量數(shù)據(jù)等構(gòu)成，在圖上可測量高程，距離、坐標等參數(shù)。水文站勘測，前期規(guī)劃、纜道設(shè)計、水位臺建設(shè)、河湖普查、河長制等水文工作提供實地參數(shù)，非常方便。

人工在平面圖上作淹沒分析，不僅復(fù)雜、容易出錯、作業(yè)時間長，由于線條多，容易出錯。在三維地圖上作淹沒分析，直接輸入設(shè)計高程，由系統(tǒng)自動完成淹沒區(qū)域展示，并直觀看到結(jié)果，圖4是三維地圖上顯示621.50 m水位淹沒情況。

圖3 專業(yè)3D瀏覽器上顯示的水文站低水位時，斷面三維地圖

圖4 三維地圖上顯示621.50 m水位淹沒情況[3]

圖5 在三維地圖上顯示地下水井屬性信息

圖5是三維地圖在信息管理化上的應(yīng)用一個實例，在全市三維地圖上選到這點上，立即可以看到地下井3D地形、外觀，屬性等，并可顯示水井名稱、規(guī)格、狀態(tài)、管理單位等信息，可進行分類統(tǒng)計、打印、查詢等功能，在水文測站、設(shè)備、測井管理上非常方便和直觀。

3.4 精度評價

2018年黃委重點水利工程信息化建設(shè)項目中，使用無人機傾斜攝影及三維建模成圖，導(dǎo)入到黃河防汛調(diào)度方案情景展示系統(tǒng)中。圖6是陸渾水利樞紐三維實景模型在黃河防汛調(diào)度方案展示系統(tǒng)中的局部正視圖。

圖6 陸渾水利樞紐局部正視圖

陸渾水利樞紐三維模型經(jīng)過精細化單體建模后形成三維地圖，精度評價采取人工實測平高檢查點的方式對模型精度進行檢驗。檢驗結(jié)果表明：陸渾測區(qū)平均GSD 為3 cm，水平誤差為0.031 m，高程誤差為0.046 m，均在1∶500比例尺三維測圖限差范圍內(nèi)，滿足信息化建設(shè)對測圖精度的要求。

4 無人機在應(yīng)急事件中應(yīng)用

災(zāi)害發(fā)生后，各級領(lǐng)導(dǎo)都急需了解災(zāi)害現(xiàn)場的情況，發(fā)生災(zāi)害的現(xiàn)場往往道路被毀，應(yīng)急隊員無法到達現(xiàn)場。使用無人機可以及時把災(zāi)害現(xiàn)場的場景傳回指揮部，為領(lǐng)導(dǎo)及時決策提供信息。

4.1 水文站被淹

廣西百色市馱娘江上的瓦村水文站，地處山區(qū)洪水暴漲暴落，在水文站上下游分別建有電站大壩和泄洪道。2018年 8月 1～9日，百色市馱娘江流域持續(xù)強降雨，瓦村電站入庫流量增大，未完工電站大壩和溢洪道同時開閘泄洪，瓦村水文站水位、流量急速增大。8日上午，溢洪道左岸邊坡突然出現(xiàn)坍塌，大量砂石沖入河道，堵塞了主河道，將百色市到瓦村唯一公路沖斷，導(dǎo)致瓦村水文站被淹。

4.2 航拍災(zāi)情

災(zāi)情發(fā)生后，為了及時了解災(zāi)害現(xiàn)場情況和水文站被毀情況，筆者隨百色市水文中心同志趕到現(xiàn)場，由于道路不通，四周是高山，只能使用無人機對瓦村水文站現(xiàn)場進行航拍。

圖7 是無人機在泄洪道對面山上航拍的全景，圖中泄洪道被洪水沖塌，大量泥石阻塞大半河道，圖左邊上是電站大壩，左中河面架有臨時施工橋，橋上游對岸是水文站。

圖7 無人機航拍現(xiàn)場全景

圖8 泄洪道排泄水流與河道水流方向垂直，當泄洪道塌方形成高速水流，直接沖斷河對岸進村唯一公路，大量泥石阻塞大半河道，將河對岸的山坡沖出一個100 m長的水槽，可見災(zāi)害造成的破壞程度。

圖9 無人機航拍瓦村水文站全景，洪水沖毀觀測碼頭、路面，測船被洪水拋上岸，辦公設(shè)備、水文設(shè)施等都受到不同程度的毀壞。圖10 泥石阻塞河道形成堰塞湖泄流口，地面上無法看到，航拍才能看到。通過這些照片，領(lǐng)導(dǎo)迅速了解瓦村站實際水毀情況，為指揮救災(zāi)、災(zāi)后重建提供第一手資料。

圖8 沖斷進村公路和沖出長水槽

圖9 瓦村站水文站全景

圖10 泥石阻塞河道形成堰塞湖泄流口

5 結(jié)語

2019年9月水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)《水文現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)裝備有關(guān)要求》（辦水文[2019]199號）的通知，要求推進和指導(dǎo)水文測報先進技術(shù)裝備配置和應(yīng)用，加快提升水文現(xiàn)代化水平。無人機技術(shù)是近幾年發(fā)展的新技術(shù)，在水文應(yīng)用前景廣闊。事實證明，當發(fā)生超標汛情后，用無人機測流，可有效解決無法測流的問題，提高工作效率，貴州畢節(jié)、山東青島、河北石家莊等地的水文部門都開展無人機測流應(yīng)用試驗工作。無人機技術(shù)應(yīng)用到地形測量、水情監(jiān)測、測站查勘、服務(wù)河長制、水質(zhì)監(jiān)測、應(yīng)急、測站信息管理等水文工作中，提升水文現(xiàn)代化水平。