張學(xué)琴，徐海濤

（章丘黃河河務(wù)局，山東 濟(jì)南 250200）

近年來，無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與完善給黃河防汛減災(zāi)工作提供了一種更為高效與精準(zhǔn)的技術(shù)支撐。在實(shí)際應(yīng)用中，無人機(jī)技術(shù)能夠克服天氣與交通等不利因素，高效完成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和實(shí)時(shí)傳輸。同時(shí)還能彌補(bǔ)傳統(tǒng)防汛察險(xiǎn)工作成本高、效率低、消耗大、精度差等缺點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用前景與實(shí)用價(jià)值[1-3]。

1 無人機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

1.1 無人機(jī)簡(jiǎn)介

無人機(jī)又稱無人駕駛飛機(jī)，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱，或者由車載計(jì)算機(jī)完全地或間歇地自主操作的不載人飛機(jī)。其組成包括飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、機(jī)體、電源系統(tǒng)及發(fā)射/回收系統(tǒng)5 部分。飛行控制系統(tǒng)主要用來控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)與航跡；數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)對(duì)遙控指令進(jìn)行準(zhǔn)確地傳輸，以保證控制人員與無人機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行及時(shí)有效的傳遞信息；發(fā)射/回收系統(tǒng)保證無人機(jī)順利達(dá)到指定的安全高度，并在航拍結(jié)束后安全地回落到預(yù)設(shè)地點(diǎn)[1-2]，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)的連續(xù)重復(fù)使用；電源系統(tǒng)主要用來為無人機(jī)提供穩(wěn)定的電能。按照外形結(jié)構(gòu)的不同，無人機(jī)一般分為無人直升機(jī)、無人多旋翼飛行器及無人固定翼機(jī)3 種。無人多旋翼飛行器具有操作平穩(wěn)、對(duì)場(chǎng)地要求低等優(yōu)勢(shì)，在黃河防汛減災(zāi)工作中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

1.2 無人機(jī)技術(shù)的主要特點(diǎn)

1）測(cè)量精度高。無人機(jī)作為低空飛行器，其飛行高度約為30～500 m。無人機(jī)飛行拍攝的測(cè)量精度為亞米級(jí)，精度范圍為0.1～0.5 m，符合防汛減災(zāi)工作的技術(shù)要求。

2）應(yīng)用成本低，操作靈活性強(qiáng)。無人機(jī)所攜帶的攝影設(shè)備價(jià)格較低，可以降低工作成本。無人機(jī)在飛行過程中受到空間限制與天氣狀況的影響一般較小，并且對(duì)于起飛場(chǎng)地沒有特殊的要求，在使用過程中具有較強(qiáng)的操作靈活性。

3）實(shí)時(shí)性和安全性。無人機(jī)飛行過程中可將獲取的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)地傳遞到防汛指揮中心，以便于防汛指揮部門及時(shí)作出決策。在天氣及地質(zhì)條件惡劣的環(huán)境下，人工測(cè)量往往存在一定的危險(xiǎn)，而無人機(jī)能夠有效地進(jìn)行規(guī)避，從而能夠直接獲取影像資料。

4）圖像分辨效率高，圖形可多角度合成。無人機(jī)遙感航拍使用的數(shù)碼成像設(shè)備是經(jīng)過改裝的CCD 數(shù)字相機(jī)，該成像設(shè)備可以獲取高分辨率的實(shí)時(shí)地面影像圖形。高分辨率的航拍影像可以解決遙感衛(wèi)星的拍攝盲區(qū)，以及由于云層厚度大所造成的無法獲取數(shù)據(jù)等諸多困難。對(duì)于較為廣闊的航拍區(qū)域，無人機(jī)可以進(jìn)行多角度拍攝，并將相關(guān)的局部圖片采用720°合成技術(shù)進(jìn)行全景的整體檢測(cè)。

5）覆蓋范圍廣。無人機(jī)在人為控制操作的基礎(chǔ)之上，可以利用人造衛(wèi)星對(duì)無人機(jī)進(jìn)行輔助控制，從而極大地提高無人機(jī)飛行測(cè)量的整體覆蓋范圍。

2 在黃河防汛減災(zāi)工作中的應(yīng)用

無人機(jī)技術(shù)目前主要應(yīng)用于航拍黃河地形、觀測(cè)黃河源區(qū)生態(tài)景觀、監(jiān)測(cè)黃河凌情以及查勘黃河河勢(shì)等方面。

2.1 航攝黃河地形

2015 年7 月2 日，利用德國天狼星無人機(jī)對(duì)黃河開封段的趙口水文站區(qū)域進(jìn)行了15 余架次的低空航攝，拍攝區(qū)域面積約為1.81 km2，飛行總時(shí)間約為6 h。結(jié)果表明，利用天狼星無人機(jī)航攝技術(shù)所得到的黃河地形數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，其理論精度和實(shí)際精度基本一致。同時(shí)，在數(shù)據(jù)后處理過程中有控制點(diǎn)參與的控制網(wǎng)內(nèi)部精度值明顯高于控制網(wǎng)外部的精度值。

2.2 觀測(cè)黃河源區(qū)生態(tài)景觀

2010 年10 月，結(jié)合高空數(shù)字影像采集技術(shù)，應(yīng)用國產(chǎn)神龍260 電動(dòng)直升型無人機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)，對(duì)青海省貴南縣境內(nèi)的沙漠地貌、四川省唐克縣境內(nèi)的九曲黃河第一灣以及青海省澤庫縣境內(nèi)的草場(chǎng)等區(qū)域分別進(jìn)行了20 余架次的超低空航空觀測(cè)，觀測(cè)到了黃河源區(qū)沙丘形態(tài)、黃河沙草生態(tài)交錯(cuò)帶、草場(chǎng)鈣化殼及黃河沙洲的圖像[1、4]。無人機(jī)的應(yīng)用為深入研究和解決黃河源區(qū)面臨的地貌學(xué)和生態(tài)學(xué)問題開辟了新的技術(shù)途徑，并且也為黃河上游地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)工作提供了評(píng)價(jià)依據(jù)。

2.3 監(jiān)測(cè)黃河凌情

2009 年3 月，利用固定翼Sky-01C 型無人機(jī)在內(nèi)蒙古杭錦旗至達(dá)拉特旗河段的包西鐵路橋、獨(dú)貴鎮(zhèn)和新華村等3 處場(chǎng)地進(jìn)行了20 余架次的監(jiān)測(cè)飛行。2011 年3 月，利用單旋翼Z-3 型無人機(jī)在內(nèi)蒙古三湖河口至包頭河段區(qū)域進(jìn)行了16 余架次的監(jiān)測(cè)飛行。2016 年3 月，利用旋翼式大疆Inspire 1 型無人機(jī)在內(nèi)蒙古三湖河口至頭道拐河段進(jìn)行了25 余架次的凌情巡測(cè)飛行[1、3]。結(jié)果表明，利用無人機(jī)技術(shù)能夠較為準(zhǔn)確、全面的獲得黃河凌情圖像數(shù)據(jù)，為黃河凌汛的精確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，確保黃河防凌安全發(fā)揮積極的作用。

2.4 查勘黃河河勢(shì)

2017 年10 月，章丘黃河河務(wù)局利用無人機(jī)對(duì)重點(diǎn)河段河勢(shì)和工程現(xiàn)狀進(jìn)行了5 個(gè)架次的低空和超低空觀測(cè)，并全航程攝錄，順利完成了2017 年汛末河勢(shì)查勘工作。此次利用無人機(jī)查勘重點(diǎn)河勢(shì)及工程情況，將視角由原來的地面轉(zhuǎn)向低空，工作人員在地面遙控指揮并實(shí)時(shí)查看拍攝影像，根據(jù)需要靈活調(diào)整場(chǎng)景、角度，獲取了河勢(shì)、工程等目標(biāo)區(qū)域全方位的影像資料。無人機(jī)航拍實(shí)時(shí)圖像更清晰顯示出觀測(cè)河段灘岸平面沖刷和淤積狀況。通過截取圖像，還可對(duì)不同時(shí)期觀測(cè)圖像進(jìn)行對(duì)比，分析河道平面沖淤變化，研究河道演變規(guī)律。

3 應(yīng)用展望

3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

無人機(jī)的攜帶較為方便，工作人員可以在安全區(qū)域內(nèi)操控其飛行姿勢(shì)，并且對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和監(jiān)控。無人機(jī)的使用在一定程度上降低監(jiān)測(cè)人員的工作難度，提高防汛搶險(xiǎn)中的人身安全保障。遇到洪水險(xiǎn)情時(shí)，可克服不利的交通因素，快速到達(dá)出險(xiǎn)地的上空區(qū)域，實(shí)時(shí)傳遞多角度的影像信息和險(xiǎn)情發(fā)展情況，為黃河防汛減災(zāi)決策提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。

3.2 防汛指揮調(diào)度

災(zāi)情評(píng)估是防洪決策的重要組成部分，需要采用多種渠道對(duì)洪水災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。無人機(jī)技術(shù)以應(yīng)急搶險(xiǎn)通信作為支撐，可以快速展開工作，并且不受地域和時(shí)空的各種限制。無人機(jī)的配套設(shè)施易于架設(shè)，而且適用于重點(diǎn)水庫、閘壩和行蓄洪區(qū)等防護(hù)工程的指揮調(diào)度，使決策者可以實(shí)時(shí)查看指定點(diǎn)的洪水變化與災(zāi)區(qū)動(dòng)態(tài)的監(jiān)控視頻，分析洪水的水位以及流動(dòng)范圍等信息，便于及時(shí)作出正確決策。

3.3 巡堤查險(xiǎn)

應(yīng)用無人機(jī)的低空多角度拍攝技術(shù)可以有效減少人工巡堤查險(xiǎn)工作強(qiáng)度。巡查中一旦發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，可進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)，實(shí)時(shí)反饋險(xiǎn)情的動(dòng)態(tài)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情并采集數(shù)據(jù)，為控制險(xiǎn)情確保工程安全爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。

3.4 黃河下游灘區(qū)和蓄滯洪區(qū)通信預(yù)警

黃河下游灘區(qū)和兩岸的蓄滯洪區(qū)內(nèi)因歷史原因居住著大量人口，灘區(qū)和蓄滯洪區(qū)的運(yùn)用需要將其中的群眾遷移至安全地帶安置，運(yùn)用前需要對(duì)區(qū)內(nèi)群眾發(fā)布預(yù)警。結(jié)合無線區(qū)域組網(wǎng)，無人機(jī)系統(tǒng)可以向?yàn)﹨^(qū)和蓄洪區(qū)發(fā)布防汛預(yù)警，使蓄洪區(qū)群眾及時(shí)地了解汛情發(fā)展，及時(shí)做好遷移準(zhǔn)備。同時(shí)，蓄洪區(qū)的汛情和群眾撤離情況可以通過無人機(jī)系統(tǒng)及時(shí)地上傳到有關(guān)部門，以便對(duì)蓄洪區(qū)內(nèi)的防汛形勢(shì)做出正確地分析與判斷。

3.5 搶險(xiǎn)救援

發(fā)生洪水災(zāi)情時(shí)，可以采用無人機(jī)運(yùn)輸急救援包、救生衣及藥品等救援物資，為災(zāi)區(qū)救援提供保障。當(dāng)在陡峭的峽谷、急流的河段等區(qū)域開展救援工作時(shí)，無人機(jī)可以搭載救援拋繩器直接營救洪水中的被困人員，大大縮短救援時(shí)間，提高救援效率。無人機(jī)還可以掛載熱成像相機(jī)，對(duì)失蹤人員或潛在的生命跡象進(jìn)行熱源跟蹤，開展連續(xù)的人員搜救任務(wù)，為救援搜索工作提供極大的便利。

4 結(jié) 語

無人機(jī)技術(shù)的引入為黃河防汛減災(zāi)工作提供了一種便捷高效的技術(shù)支撐，在一定程度上彌補(bǔ)了黃河防汛減災(zāi)工作作業(yè)周期長(zhǎng)、人力消耗大以及時(shí)效性差等缺陷，相比于傳統(tǒng)的觀測(cè)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。無人機(jī)技術(shù)可以在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、防汛指揮調(diào)度、巡堤察險(xiǎn)、行蓄洪區(qū)通信預(yù)警及搶險(xiǎn)救援等多項(xiàng)防汛工作中廣泛應(yīng)用，將為創(chuàng)新防汛工作方式和提高防汛工作效率發(fā)揮更大的作用。