無人機遙感技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

　　摘要: 以無人機遙感技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用為核心，簡述了無人機技術(shù)的類型、系統(tǒng)組成和應(yīng)用特點。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)應(yīng)用實例論述了無人機遙感技術(shù)在應(yīng)急救援、水利行政執(zhí)法、水工建筑物病害巡查等水利行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，以證明無人機技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢和應(yīng)用前景，以期可以為水利工作者提供一定借鑒。

　　本文源自蔣濤， 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 發(fā)表時間：2021-07-15

　　關(guān)鍵詞: 無人機; 遙感技術(shù); 應(yīng)用研究

　　隨著信息化概念的不斷推廣與普及，人們逐漸認識到遠程傳輸和無線遙感技術(shù)在日常生活中所扮演的重要角色，遠程傳輸和無線遙感技術(shù)可以極大地提高工作效率，尤其在條件艱苦的工作崗位上。無人機是近些年來輔助遙感技術(shù)重要支撐平臺，是未來航空器的主流發(fā)展方向之一，已成為世界各國研究的熱點。目前，無人機技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，具有機動性高、適用性強、分辨率高、成本低廉等優(yōu)勢，在水利管理行業(yè)中正逐漸嶄露頭角。隨著 “十四五”計劃中水利信息化建設(shè)的不斷推進，采用先進技術(shù)手段提高水利行業(yè)工作效率是現(xiàn)今水利工作者的研究重點[1]。為此，本文通過總結(jié)無人機遙感技術(shù)在水利行業(yè)中管理、應(yīng)急救災(zāi)、國土資源監(jiān)察、水利行政執(zhí)法、水工建筑物病害巡查等領(lǐng)域的應(yīng)用與實踐，論述無人機技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

　　1 無人機系統(tǒng)簡介

　　無人機是利用無線電遙控設(shè)備操控，可以搭載相關(guān)傳感器的無人駕駛飛機，可以通過自動化、智能化、專用化等相關(guān)技術(shù)快速獲取國土、資源和環(huán)境等空間遙感信息，并實時上傳到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過專業(yè)人士進行數(shù)據(jù)分析和整理，以供相關(guān)單位工作者進行實際應(yīng)用。常見無人機控制系統(tǒng)主要由空中控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng) 3 部分組成。空中控制系統(tǒng)主要包括通訊模塊和地表影像采集模塊。地面控制系統(tǒng)主要引導(dǎo)和制定無人機航行航攝路線。高級地面控制系統(tǒng)可以對預(yù)定航攝地區(qū)提前規(guī)劃好無人機的飛行路線等有關(guān)飛行，同時記錄并保存所有導(dǎo)航數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要根據(jù)各單位的實際需要通過軟件對圖像或視頻進行分析。國內(nèi)外常見的主流軟件有 PixelGrid、ERDAS、ENVI、ER mapper 等。

　　常見無人機種類主要包括固定翼式、多旋翼式和無人直升機等。固定翼式起降方式多采用跑道滑行、彈射等; 抗風(fēng)能力較強，可長時間續(xù)航，但無法進行定點懸停拍攝工作，因此一般適用于監(jiān)控輻射范圍廣或應(yīng)急響應(yīng)情況下的航測任務(wù)。多旋翼式和無人直升機無需跑道和彈射器，對于起降場地要求低，可在復(fù)雜地勢條件下快速起降，具有飛行靈活性強、可隨時懸停等優(yōu)點[2]。其中，無人直升機具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、載荷量大、續(xù)航時間長、操作復(fù)雜等特點; 多旋翼式無人機具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡單等優(yōu)點，但載荷量較小，續(xù)航時間多數(shù)為 30min 左右。

　　2 無人機技術(shù)的特點

　　搭載各種傳感器和遙感相機的無人機可以對近地表實現(xiàn)多角度、高分辨率的連續(xù)圖像或視頻采集工作。所獲得實時信息內(nèi)容豐富，尤其適用于對重點區(qū)域和監(jiān)管難度大的區(qū)域的監(jiān)測工作。目前無人機技術(shù)主要具備以下特點。

　　2. 1 運行成本低，工作效率高

　　與其它方法相比，無人機的造價和后期維護成本低。各地區(qū)可以根據(jù)自己需要選擇相應(yīng)類別的無人機，對本轄區(qū)重點區(qū)域、氣候條件較惡劣的地區(qū)、高危地區(qū)等進行監(jiān)測，從而顯著減少外界條件干擾帶來的人員傷亡的可能，提高工作人員的工作效率和準(zhǔn)確度。

　　2. 2 監(jiān)測精度高

　　無人機可以根據(jù)任務(wù)需要隨時起降飛行，也可以預(yù)設(shè)航線進行定期巡航以獲取待測地區(qū)的相關(guān)圖像和視頻，交由專業(yè)人士進行數(shù)據(jù)分析。與其它方法相比，無人機測量精度為亞米級，獲得有關(guān)數(shù)據(jù)成本低、耗時短，可為有關(guān)單位科學(xué)決策和統(tǒng)計工作提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

　　2. 3 操作靈活，可以對建筑物進行多角度監(jiān)測

　　無人機體積較小，重量較輕，飛行角度容易操控，可在險峻地勢和各種水工建筑物之間穿梭，易獲取不同點位的圖像和視頻記錄。此外，無人機可以通過掛載不同角度攝像頭對水工建筑物進行拍攝，為后期構(gòu)建高精度等比例水工模型和水工建筑物的病險監(jiān)測提供有力的參考數(shù)據(jù)。

　　2. 4 飛行易受低溫、大風(fēng)等天氣干擾

　　目前無人機多由電池供電，易受到外界低溫的影響，導(dǎo)致續(xù)航時間急速下降。因此，在日常使用中，應(yīng)注意外界天氣條件對無人機續(xù)航時間的影響。此外，因無人機體積小、重量輕，易受大風(fēng)天氣干擾，導(dǎo)致無人機飛行不穩(wěn)定，增加人為操控難度。嚴重時易造成無人機失控，出現(xiàn)墜毀現(xiàn)象[3]。

　　2. 5 數(shù)據(jù)處理的特殊性

　　無人機執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)主要分為外業(yè)飛行和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作。完整的數(shù)據(jù)采集工作是獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)的基本保證，因此無人機在操控時必須經(jīng)過培訓(xùn)后方可上崗。此外，無人機執(zhí)行任務(wù)后獲得數(shù)據(jù)量較大，對相關(guān)軟件和技術(shù)人員要求高，尤其是建筑物的病害分析，均需要大量的科研準(zhǔn)備工作才可以正常進行。

　　3 無人機遙感技術(shù)在水利行業(yè)中應(yīng)用

　　3. 1 在應(yīng)急救援工作中的應(yīng)用

　　無人機具有操作靈活、反應(yīng)迅速等優(yōu)點。在洪澇災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，無人機可以深入高危地區(qū)進行實時影像傳輸，為地面工作人員及時提供災(zāi)區(qū)現(xiàn)狀，便于應(yīng)急救援單位協(xié)調(diào)救援工作，降低搶險救災(zāi)的難度，同時也保證了救援人員的安全。在河流汛期時，無人機可以迅速到達出現(xiàn)險情的上空，及時為有關(guān)單位實時監(jiān)控汛情走向，為防汛指揮部作出決策提供較為客觀真實的信息，降低因?qū)﹄U情數(shù)據(jù)獲取較少而造成的損失。如，2018 年 8 月，黑龍江省某河道突然遭遇上游強降雨，河床水位迅速上漲，部分地區(qū)堤防和河道均出現(xiàn)險情; 為快速解決該險情，有關(guān)工作人員及時調(diào)用無人機在洪澇區(qū)進行高空作業(yè)，通過實時影像傳輸功能為地面指揮人員第一時間提供險情水情數(shù)據(jù)，便于確定來水方向和各堤防的泄洪強度，為防汛指揮決策提供準(zhǔn)確依據(jù)，顯著提高了防汛指揮部門的運行效率[4]。

　　3. 2 在水利行政執(zhí)法巡查中的應(yīng)用

　　無人機具有視角廣闊、實時傳輸不受地形地貌影響等優(yōu)勢。在水利行政執(zhí)法巡查中可以代替巡查人員定期對垃圾傾倒、河道采砂、非法占河等違法行為進行巡查，輔助監(jiān)察提取位置和范圍等信息，顯著提高了巡查人員的巡查效率和針對相關(guān)違法案件證據(jù)收集工作效率。如，2015 年在廣佛肇高速公路修建期間，施工單位為減少成本，在很多隱蔽地方非法堆棄建筑材料，給生態(tài)環(huán)境造成嚴重的破壞。為此，廣東省水利廳在日常巡查中發(fā)現(xiàn)問題后，采用無人機直接對施工單位正在違法作業(yè)行為和違法棄渣場進行現(xiàn)場拍照和錄像取證，而后整理成材料提交到法院作為核心證據(jù)，顯著提高了水利行政執(zhí)法的工作效率。

　　新疆烏魯木齊經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū) ( 頭屯河區(qū)) 率先使用無人機對所在轄區(qū)進行網(wǎng)格監(jiān)督檢查，協(xié)助執(zhí)法部門進行拍攝取證，同時進行地理信息數(shù)據(jù)采集，建立實景三維模型等，極大地提升水利行政執(zhí)法巡查工作效率。

　　3. 3 提高水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新速度

　　在眾多水利基建地區(qū)和河道流經(jīng)地區(qū)，常存在人力不能及時或難以達到的現(xiàn)場。目前多采用衛(wèi)星遠程數(shù)據(jù)記錄功能進行數(shù)據(jù)存檔工作。這些存檔數(shù)據(jù)多數(shù)均存在明顯的滯后性，在實際應(yīng)用中的時效性和可信度對水利管理部門決策容易造成影響。此外，水利部門屬于艱苦行業(yè)，各部門負責(zé)河流區(qū)域范圍廣、河段多，基層人員工作量負荷大，人才流失現(xiàn)象嚴重。為此，可以利用無人機在河道沿線進行低空定點巡航，以獲得大量高清晰、可解讀的復(fù)雜區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)，及時了解各地水庫庫區(qū)水域面積變化、淹沒范圍、泄洪沖擊范圍、河道變化走向及轄區(qū)內(nèi)水土流失情況，減少基層人員工作壓力。如，常德市紅旗水庫近些年來采用航測無人機對庫區(qū)流域面積、淹沒調(diào)查、防護區(qū)以及壩址等進行定期監(jiān)測。所獲得資料在在效率、精度、質(zhì)量等層面上均滿足要求，極大地減輕了紅旗水庫流域管理局日常工作壓力。

　　3. 4 在日常巡查水工建筑物及其相關(guān)構(gòu)筑物病害中的應(yīng)用

　　無人機作業(yè)效率高、作業(yè)成本低，可以搭載攝影及其它檢測設(shè)備對水工建筑物及其相關(guān)構(gòu)筑物進行快速檢查，及時巡查獲取水工建筑物運行現(xiàn)狀、大壩變形、基層沉降、庫區(qū)水位變幅，核查岸坡是否存在地基變形、滑坡、垮塌等災(zāi)害發(fā)生前的詳細跡象，便于水利工作者對水利工程現(xiàn)狀進行評價。如，湖南省應(yīng)急管理廳為提高轄區(qū)內(nèi)水庫病險診斷效率，利用無人機對江華瑤族自治縣病險水庫進行三維立體模型，為后期水庫除險加固工作和開展防汛提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料和科學(xué)依據(jù)[5]。

　　對于灌區(qū)渠道巡查效率低等問題，使用無人機可以快速針對各干、支渠和水閘進行檢測，減輕渠系維護人員巡查壓力，及時發(fā)現(xiàn)渠系破損或淤積部分，提高渠系建筑物使用壽命和養(yǎng)護效率。

　　4 無人機遙感技術(shù)在水利行業(yè)應(yīng)用展望

　　4. 1 制定無人機行業(yè)有關(guān)規(guī)范

　　無人機遙感屬于新興智能化監(jiān)測與巡查技術(shù)，但限于該技術(shù)的推廣和使用時間較短，相關(guān)法律體系和行業(yè)規(guī)范存在一定程度上的缺失，有關(guān)人員在日常使用時易出現(xiàn)安全與秩序問題，引發(fā)一些不必要的麻煩。因此，建議地方政府和有關(guān)單位盡快遵照國家現(xiàn)有法律法規(guī)，根據(jù)水利行業(yè)的特點制定和規(guī)范無人機應(yīng)用和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，建立無人機空中交通管理模式，確保相關(guān)人員在無人機的日常使用中有法可依。

　　4. 2 加強水利行業(yè)無人機應(yīng)用人才培養(yǎng)和管理

　　隨著無人機行業(yè)的迅速發(fā)展，一些普通高校和職業(yè)院校正在加緊設(shè)立與無人機相關(guān)專業(yè)。但現(xiàn)今社會處于多學(xué)科交叉融合階段，單純對無人機理論知識和實際操作的職業(yè)教育已經(jīng)無法滿足社會需求。對于水利行業(yè)而言，相關(guān)法律法規(guī)和水利類基礎(chǔ)知識是相關(guān)從業(yè)人員必備條件。因此，建議無人機行業(yè)的人才培養(yǎng)應(yīng)根據(jù)各行業(yè)需求，加大各學(xué)科專業(yè)知識的融會貫通，培育出適應(yīng)各行業(yè)的綜合型人才。此外，在基層人員眼中無人機屬于高端儀器，相關(guān)配件和傳感器價格過高，即使經(jīng)過系統(tǒng)的培訓(xùn)，也易出現(xiàn)不會使用和不敢使用等問題。因此，在推廣無人機使用時，應(yīng)注意定期對一線操作人員的專業(yè)培訓(xùn)，提升基層人員綜合素質(zhì)。同時，構(gòu)建維修、保養(yǎng)、答疑等綜合服務(wù)體系，減輕一線人員對無人機使用的壓力。

　　4. 3 強化無人機行業(yè)的技術(shù)攻堅

　　無人機遙感技術(shù)作為新興智能化監(jiān)測與巡查技術(shù)，在水利行業(yè)中具備較強的應(yīng)用優(yōu)勢。但在日常使用時，仍存在一些問題，如大風(fēng)或氣候條件惡劣等造成數(shù)據(jù)精確度下降、巡航時間大大縮減; 無人機操作復(fù)雜，對專業(yè)人士技術(shù)要求較高等。因此，亟需對此進行技術(shù)攻堅，在提高無人機惡劣天氣適用性的同時簡化無人機操作強度。此外，無人機可以搭載多個探頭對基建設(shè)施和場地進行監(jiān)測，如何通過傳感器采集的數(shù)據(jù)擴大無人機技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也是現(xiàn)階段研究人員關(guān)注的重點。技術(shù)攻堅仍是無人機行業(yè)發(fā)展的重中之重。

　　5 結(jié)論

　　隨著我國水利信息化水平的不斷提升，以無人機為代表的最新技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到水利行業(yè)的方方面面，尤其在應(yīng)急救援、水利行政執(zhí)法和水利工程建筑物日常維護等方面均起到了舉足輕重的作用。因此，無人機技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用對水利工程具有重要的意義與廣大的應(yīng)用前景。未來無人機技術(shù)的發(fā)展?jié)摿薮螅渑c水利行業(yè)如何更好的結(jié)合值得進一步研究和探討。