陳曉偉

黃委黃河口水文水資源勘測(cè)局 山東東營 257000

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，基于無人機(jī)技術(shù)的航空水面流速法施測(cè)河道流量變得有可能。據(jù)了解，全國水文行業(yè)已經(jīng)開始逐步研究無人機(jī)技術(shù)如何應(yīng)用于水文工作實(shí)踐中，其中廣東省水文局茂名水文分局已實(shí)現(xiàn)采用無人機(jī)進(jìn)行水質(zhì)采樣，湖南省長沙水文水資源勘測(cè)中心也采用無人機(jī)開展了應(yīng)急水文測(cè)驗(yàn)，無人機(jī)技術(shù)在水文行業(yè)應(yīng)用取得了初步成果[1]。

1 無人機(jī)傾斜模型

無人機(jī)傾斜模型技術(shù)是基于無人機(jī)（飛行器）攝影設(shè)備（多鏡頭相機(jī)）、線路規(guī)劃、空三建模、影像貼圖和數(shù)據(jù)提取等一體化三維空間信息服務(wù)技術(shù)。通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程能生成直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性的三維信息，相比傳統(tǒng)采用人工測(cè)繪方法大大提升了對(duì)地理信息數(shù)據(jù)的獲取效率。本文采用具有RTK模塊的多旋翼高精度航測(cè)無人機(jī)，借助于其抗磁干擾能力與精準(zhǔn)定位能力，實(shí)現(xiàn)cm級(jí)定位和圖像元數(shù)據(jù)的絕對(duì)精度控制。人工控制無人機(jī)搭載多鏡頭傳感器，從垂直、側(cè)視等不同角度對(duì)流域下墊面進(jìn)行影像采集，并結(jié)合數(shù)據(jù)集群方式快速實(shí)現(xiàn)精細(xì)的三維模型建模和測(cè)量結(jié)果的輸出。無人機(jī)三維建模方法技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 無人機(jī)三維建模方法技術(shù)路線圖

2 無人機(jī)測(cè)流優(yōu)勢(shì)

2017年7月應(yīng)急測(cè)驗(yàn)人員在龍勝芙蓉河上使用ADCP測(cè)流，山區(qū)洪水流速度大，洪水直接把這臺(tái)貴重儀器沖散架，測(cè)驗(yàn)人員手被牽引繩拉傷。這場(chǎng)大水將洛清江對(duì)亭站測(cè)流的另一臺(tái)ADCP測(cè)架沖斷。另一應(yīng)急小組人員在洛清江上游，永福茅江橋上使用進(jìn)行橋測(cè)，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(duì)解放軍路過此地，及時(shí)出手幫忙，將儀器拉出水面，避免儀器損壞。一場(chǎng)大水，同時(shí)發(fā)生幾起直接測(cè)流的意外，說明直接測(cè)流存在風(fēng)險(xiǎn)。如果用無人機(jī)非接觸式測(cè)流，測(cè)流險(xiǎn)情就大大減低。有些中小河流水文站設(shè)在偏遠(yuǎn)山區(qū)，測(cè)驗(yàn)河段沒有水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施和測(cè)驗(yàn)條件，無纜道、無船、上下游河段無橋梁，測(cè)流非常困難。當(dāng)發(fā)生特大洪水，測(cè)驗(yàn)人員無法靠近，無法測(cè)流時(shí)，無人機(jī)測(cè)流就容易得多[2]。

3 落實(shí)“大水文觀”的需要對(duì)水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)提出新要求

隨著《中華人民共和國水文條例》的深入貫徹落實(shí)，水文信息支撐水資源的可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的作用更加顯著，水文面臨的任務(wù)也更加繁重。立足水利，面向全社會(huì)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)“行業(yè)水文”向“社會(huì)水文”轉(zhuǎn)變的“大水文觀”發(fā)展思路，要求水文應(yīng)承擔(dān)起更多社會(huì)責(zé)任，為推進(jìn)水利和經(jīng)濟(jì)社會(huì)又好又快發(fā)展，提供更加有力的支撐和保障?！秶曳姥纯购祽?yīng)急預(yù)案》要求各級(jí)氣象、水文、海洋部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)當(dāng)?shù)貫?zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。當(dāng)發(fā)生突發(fā)公共水事件，要求水文部門2小時(shí)內(nèi)啟動(dòng)監(jiān)測(cè)工作，及時(shí)上報(bào)測(cè)驗(yàn)結(jié)果，做好會(huì)商和預(yù)報(bào)，盡可能延長預(yù)見期，對(duì)重大氣象、水文災(zāi)害作出評(píng)估。水利部發(fā)布的《突發(fā)公共水事件水文應(yīng)急測(cè)報(bào)預(yù)案》，也明確規(guī)定了各級(jí)水文部門職責(zé)、響應(yīng)機(jī)制、技術(shù)保障等內(nèi)容。

4 無人機(jī)在水文測(cè)驗(yàn)和信息化管理中的應(yīng)用

4.1 無人機(jī)基站巡檢

目前我局還有很多鐵塔基站在用，傳統(tǒng)的基站巡檢都是通過人工的方式，很多情況下都是專業(yè)的人員需要登塔，不但有一定的風(fēng)險(xiǎn)，而且工作效率比較低。無人機(jī)作為一個(gè)空中的平臺(tái)，可以對(duì)基站進(jìn)行全方位立體的檢查[3]。首先是外觀，基站長期暴露在外，有時(shí)候可能會(huì)受到一些外力破壞和影響，會(huì)有一定的傾斜，或者塔臺(tái)有一些變形。另外，塔身設(shè)備，比如說一些缺失，一些銹蝕都會(huì)影響通信的信號(hào)。對(duì)于天線而言，天線的精確位置對(duì)信號(hào)的質(zhì)量也是非常重要的因素，所以我們要做的就是幫助人工去檢查天線的方位角，包括俯仰角，缺陷識(shí)別。無人機(jī)拍攝的都是海量圖片，就像電力巡檢是通過人工的方式找到缺陷，但是效率比較低。如果有了5G以后，可以借助5G，首先把圖像回傳到后端，在后端通過服務(wù)器和軟件進(jìn)行AI的缺陷識(shí)別。目前有測(cè)試是通過無人機(jī)搭載一些終端和掃頻儀對(duì)天線的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。有了5G以后，整套無人機(jī)基站巡檢的架構(gòu)，首先通過后端，通過平臺(tái)發(fā)布無人機(jī)的巡檢任務(wù)，無人機(jī)收到這個(gè)任務(wù)按照既定的航線對(duì)基站進(jìn)行巡檢，前端采集的照片可以實(shí)時(shí)的回傳到后端。如果無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)智能巡檢，就不僅是只能巡檢單一的塔，可以連續(xù)巡檢多塔。無人機(jī)傳的照片可以通過5G回傳到指揮中心進(jìn)行建模，再根據(jù)測(cè)量，這個(gè)效率比人工至少能提升5倍。無人機(jī)目前有一個(gè)瓶頸就是續(xù)航能力不足，通過自動(dòng)充電平臺(tái)的方式，可以彌補(bǔ)無人機(jī)的續(xù)航能力。整個(gè)無人機(jī)的巡檢過程當(dāng)中是不需要人工干預(yù)的。

4.2 大斷面的面積計(jì)算

對(duì)于有實(shí)測(cè)大斷面的測(cè)流斷面來說，可以直接輸入大斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算流量采用借用斷面，這在《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》是允許的。在突發(fā)性水事件如潰堤、潰壩發(fā)生后，利用無人機(jī)測(cè)驗(yàn)河道或潰口水面流速的方法，十分可行有效。此種情況下，水文應(yīng)急測(cè)驗(yàn)需要解決一個(gè)問題，那就是無實(shí)測(cè)資料的斷面面積計(jì)算問題。該問題可通過研究不同河道的幾何尺寸經(jīng)驗(yàn)值來初算，例如斷面形狀（如V型斷面、U型斷面、梯形斷面）、河道寬深比經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。在實(shí)際水文應(yīng)急測(cè)驗(yàn)中，河段寬度往往容易得到。

4.3 洪水計(jì)算模型

為使洪水計(jì)算適用于不同水庫、不同流域，本文采用基于降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法（API模型）的水文模型對(duì)水庫上游洪水進(jìn)行模擬計(jì)算。API模型作為一個(gè)多變量輸入、單數(shù)據(jù)輸出的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，常被應(yīng)用于流域或水庫洪水徑流計(jì)算。由于其每一個(gè)等值線都存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上的關(guān)系線呈45°直線，這對(duì)流域極端暴雨所形成的洪水的外延有很好的相關(guān)性，適合于極端洪水的模擬分析。流域匯流采用單位線進(jìn)行計(jì)算，單位線的倍比性、疊加性條件填補(bǔ)了流域內(nèi)無極端洪水資料驗(yàn)證的缺點(diǎn)，對(duì)流域內(nèi)極端洪水的匯流計(jì)算具有很好的適用性。同時(shí)，單位線推求簡(jiǎn)單、計(jì)算快速、通用性強(qiáng)。

4.4 三維建模和分析決策

當(dāng)無人駕駛航空器自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于黃河水文突發(fā)事件監(jiān)測(cè)時(shí)，可以有效地進(jìn)行三維數(shù)字模型的構(gòu)建。根據(jù)報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以收集有關(guān)空間數(shù)據(jù)的信息，作為無人駕駛航空器監(jiān)測(cè)的一部分，并制作實(shí)時(shí)立體模型，以反映受監(jiān)測(cè)區(qū)域地貌因素的空間分布情況。數(shù)據(jù)分析，如水位、降雨、洪水定量分析和決策水平將大大提高，具體而言，它主要包含靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和數(shù)字分析計(jì)算的三維模型。其中靜態(tài)三維模型主要是流域本身和山谷的三維模型，它基于臺(tái)站水文數(shù)據(jù)和黃河流域洪水發(fā)生前衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，為洪水監(jiān)測(cè)提供了可比的分析基礎(chǔ)模型動(dòng)態(tài)三維模型主要使用無人駕駛飛機(jī)在洪水爆發(fā)后對(duì)水面進(jìn)行地形測(cè)量、地形信息、高程和變化數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上按行程和時(shí)段生成相應(yīng)的三維模型，最后將所有模型組合成動(dòng)態(tài)模型。數(shù)字分析的計(jì)算主要包括使用相關(guān)軟件動(dòng)態(tài)觀察黃河流域的實(shí)際水狀況變化，以及計(jì)算水量、降水、水狀況路徑、流量和不同流域的水狀況范圍[4]。

4.5 防洪指揮控制

與水有關(guān)的重大公共事件，如極端干旱、洪水、水污染事件和計(jì)劃中的洪水，具有范圍和影響等特點(diǎn)，而無人機(jī)系統(tǒng)不受地區(qū)和空間的限制，并得到緊急和緊急通信的支持預(yù)防水災(zāi)、旱災(zāi)和緊急情況需要可靠的通信系統(tǒng)來提供技術(shù)支持，無人機(jī)系統(tǒng)在指揮和控制防洪方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，其收集和監(jiān)測(cè)設(shè)施易于安裝，非常適合指揮和控制諸如無人機(jī)系統(tǒng)還可以使用地面平臺(tái)、無線路由、有線路由等使決策者能夠觀看指定點(diǎn)的監(jiān)測(cè)視頻，從而大大提高水利工程管理的信息化水平。

5 采用無人機(jī)進(jìn)行水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)的改進(jìn)方向

5.1 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(dòng)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[5]。

5.2 測(cè)站監(jiān)測(cè)條件優(yōu)化

監(jiān)測(cè)條件的優(yōu)化是水文監(jiān)測(cè)改革的重要措施，優(yōu)良的測(cè)站控制條件將會(huì)得到良好的水位流量關(guān)系，所以，河道工程措施，標(biāo)準(zhǔn)斷面的建設(shè)是最佳選擇，實(shí)現(xiàn)水位流量的單值化，首先要對(duì)測(cè)站特征進(jìn)行深入調(diào)研，全面分析影響水位流量關(guān)系的影響因素，通過建立水位流量單一曲線，再提升流量監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平，從而實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè)，為水文巡測(cè)奠定必要基礎(chǔ)。一些新技術(shù)、新設(shè)備也要大力推廣，如ADCP、雷達(dá)波水面測(cè)速系統(tǒng)、超聲波時(shí)差法等應(yīng)大膽應(yīng)用并進(jìn)行率定，在使用過程中發(fā)現(xiàn)新技術(shù)、新設(shè)備不足之處和需要改進(jìn)之處，可以與廠家合作，共同優(yōu)化技術(shù)、設(shè)備，提高測(cè)驗(yàn)精度。

5.3 優(yōu)化監(jiān)測(cè)流程

啟動(dòng)前，水文情報(bào)自動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)檢查所有監(jiān)測(cè)設(shè)備，以確保它們正常工作?？臻g站的常駐流體動(dòng)力機(jī)器人在非洪災(zāi)期間和其他非緊急情況下通過空間站現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行水文監(jiān)測(cè)。在洪水期間，例如在監(jiān)測(cè)降雨或水位迅速上升造成洪水風(fēng)險(xiǎn)的情況下，對(duì)降雨量、水位和流量進(jìn)行額外測(cè)量。一種方法可以提高測(cè)量頻率，獲得更詳細(xì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，另一種方法可以將現(xiàn)有的機(jī)器人和監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多維合并，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。獲得數(shù)據(jù)后，自動(dòng)機(jī)將根據(jù)附近站提供的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)比較校正，以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5.4 提高飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

無人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要利用微波雷達(dá)的幫助，飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性決定了測(cè)速結(jié)果，一些監(jiān)測(cè)指標(biāo)受到無人機(jī)飛行速度的影響，可能會(huì)出現(xiàn)誤差。因此，在緊急水文監(jiān)測(cè)期間，必須控制無人機(jī)的各個(gè)階段，提高飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。首先，減緩監(jiān)測(cè)必須確保無人機(jī)能夠根據(jù)流域環(huán)境因素在飛行期間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的減緩。第二，飛行控制系統(tǒng)應(yīng)考慮飛行過程中的視覺條件，以便在考慮到黃河流域不同氣候和風(fēng)速等因素的情況下，獲得合理的升降速度。最后，飛行控制對(duì)該階段的穩(wěn)定至關(guān)重要，這要求系統(tǒng)能夠確定風(fēng)和環(huán)境壓力條件，從而為選擇無人駕駛飛行器的旋轉(zhuǎn)和飛行模式提供正確的指導(dǎo)。

6 結(jié)語

水庫極端洪水的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與災(zāi)害評(píng)估需要完整的洪水預(yù)報(bào)模型與高精度的地理信息數(shù)據(jù)，但極端洪水發(fā)生概率小、范圍廣、資料收集難，構(gòu)建基于API、單位線的洪水預(yù)報(bào)模型以及結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影三維實(shí)景模型，為解決極端洪水資料短缺、地理信息數(shù)據(jù)精度差提供了技術(shù)支撐，對(duì)洪水淹沒過程結(jié)合Cesium三維引擎生動(dòng)展示，便于管理人員對(duì)災(zāi)害結(jié)果進(jìn)行整體把握，提升認(rèn)知水平。