馬玉婷

（長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局，重慶 江北 400020）

衛(wèi)星遙感技術(shù)在水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測、水文地貌測量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但該技術(shù)主要采用多光譜成像技術(shù)，難以實現(xiàn)對水環(huán)境中各指標的實時、準確監(jiān)測，難以掌握各指標的變化規(guī)律。在山間險灘等衛(wèi)星不能監(jiān)控區(qū)域，常采用無人機測量技術(shù)。

1 無人機技術(shù)概述

我國民用無人機技術(shù)的研究與使用位于世界前列，近年來在工業(yè)領(lǐng)域也成果豐碩，在全球無人機市場處于絕對主導(dǎo)地位。目前水文監(jiān)測中使用的大部分是旋翼飛行器，按規(guī)范分類為無人機系統(tǒng)中第三類飛行器。

采用無人機進行水文監(jiān)測，主要有兩種方法，一種是采用手動控制的方法，另一種是事先對無人機進行監(jiān)測設(shè)置，然后無人機自動巡航收集水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括水體深度、水位高程、水面寬以及水流速度等數(shù)據(jù)，還可以可視化地展現(xiàn)水系統(tǒng)的流動趨勢。無人機監(jiān)測結(jié)束后，通過無線傳輸和處理系統(tǒng)繪制出監(jiān)測區(qū)域圖，精確計算水系截面流量，記錄流速測量，生成流量計算圖表。

2 無人機在水文監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 山洪監(jiān)測

陡峭山區(qū)山洪多發(fā)，來勢迅猛、強度大、危害大，具有高度不確定性，水文、水位信息收集和實時監(jiān)控十分困難，需要人工到受災(zāi)第一線進行信息收集，且受災(zāi)人群調(diào)查，風(fēng)險大、難度大[1]，使用無人機監(jiān)測可以避開風(fēng)險，以最短時間到達受災(zāi)地點，利用雷達波、實時微分等技術(shù)，對受災(zāi)地點進行實時地理信息獲取，并通過高分辨率的圖像處理技術(shù)，快速對受災(zāi)地點進行建模，得到受災(zāi)地區(qū)的精確信息，為災(zāi)區(qū)救援工作提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 水庫測量

湖泊或水庫監(jiān)控內(nèi)容包括：水面、水位以及地形地貌等信息。傳統(tǒng)方法采用監(jiān)測船舶和標尺等人工手段，人力、物力和時間花費較大，且數(shù)據(jù)精度低。精準監(jiān)測大范圍污染河道比較困難，且由于工作區(qū)域太大，監(jiān)控速度也很慢[2]。

無人機水文監(jiān)測，可將一個湖泊或水庫的實際狀況，通過系統(tǒng)攝像頭迅速完成拍攝，并對區(qū)域的實際狀況建模，直觀展現(xiàn)區(qū)域地貌，精確測量水面及當前蓄水量，通過上、下游快速監(jiān)測，及時了解水文情況，對大范圍的水質(zhì)進行監(jiān)測，既快捷又有效，極大地節(jié)約了資源。

2.3 堰塞監(jiān)測

山區(qū)發(fā)生重大地質(zhì)事件（如：山崩、地震）后，很容易產(chǎn)生堰塞湖，由于山區(qū)河道構(gòu)造不穩(wěn)定，被侵蝕、沖刷后，很容易產(chǎn)生崩塌，導(dǎo)致泥石流，造成嚴重災(zāi)害，僅靠人工手段開展災(zāi)害監(jiān)測根本無法實現(xiàn)。通過無人機長距離監(jiān)測，可直觀展現(xiàn)堰塞湖真實情況，在1～2 h內(nèi)建立起一個完整的災(zāi)情預(yù)測系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)對堰塞湖和潰壩進行全面的檢測，根據(jù)檢測結(jié)果做出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，為防汛工作爭取到寶貴的時間。

2.4 水質(zhì)檢測

對受污染水域進行完整調(diào)查和重點采樣，常用的反應(yīng)水質(zhì)狀態(tài)的水質(zhì)監(jiān)測綜合指標有Chl-a 濃度、CDOM、TSS 濃度、TN、TP 以及DO 等。傳統(tǒng)的水質(zhì)采樣有人工采樣和自動化采樣兩種，人工采樣風(fēng)險大，效率低；而自動化采樣則需定點采樣，靈活性較弱，采樣范圍受到限制。

采用快速響應(yīng)、高效運行無人機配備的測流系統(tǒng)，可通過不同水質(zhì)反射的波譜特性，對水體進行采樣，通過波普監(jiān)測綜合指標分析水質(zhì)變化，實現(xiàn)實時監(jiān)控，更好地反應(yīng)水體的時間與空間的分布情況以及變化情況；通過無人機懸浮技術(shù)，實時監(jiān)測和掌控水體質(zhì)量情況，彌補了人工調(diào)查速度較慢以及自動采樣的局限性。

目前已有專門為水質(zhì)采樣設(shè)計的特殊無人機，機上的水質(zhì)采樣設(shè)備可以一次攜帶多種質(zhì)量的采樣瓶，可以自動進行不同范圍和不同水深的采樣；另一種無人機型可以代替工作船舶進行采樣，不會對周邊環(huán)境造成太大的干擾。

2.5 洪澇災(zāi)害監(jiān)測

發(fā)生特大洪澇災(zāi)害時，選用可攜帶非接觸性雷達、多普勒和激光掃描儀等測量水流裝置的旋翼式無人機進行水文資料收集時，在預(yù)先設(shè)定好的飛行路線，按照設(shè)定的30 m 高空飛行路線，進行連續(xù)檢測點懸停檢測作業(yè)，直到測驗路線結(jié)束后返回。

3 無人機地理信息采集

3.1 地理信息采集優(yōu)勢比較

獲得地形圖的方式主要有：人工測量手工繪制、飛機航拍、衛(wèi)星遙感和無人機航拍等，這些獲得的方式都有各自的獨到之處。

第一，手繪地圖適用于局部測量和控制點測量，缺點是工作強度大，進度緩慢。第二，飛機航拍適用于大面積圖形繪制，繪制速度快，缺點是申請過程繁瑣，約束條件多，費用高。第三，衛(wèi)星遙感，谷歌地圖就是衛(wèi)星遙感成像，又叫衛(wèi)星圖像，是一種小比例的遙感圖像，缺點是像素不高、局部細節(jié)不清晰、價格較高。第四，無人機航拍技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景，其成像精度可以在0.1 m 以內(nèi)，可以實現(xiàn)1：1 以上的成像[3]，是當前的遙感攝影技術(shù)所不能實現(xiàn)的；無人機更擅長小型區(qū)域拍攝，可以作為衛(wèi)星遙感成像的輔助，對于有實時性、清晰度和價格方面的需求來說，是最好的選擇。

3.2 無人機地面控制

無人機可以迅速、有效地檢測水的流速、流量、水位，靈活、便捷、高效地輸出測流數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對江河災(zāi)害險情的預(yù)警、排查，減少了人工檢測的風(fēng)險，提升了檢測效率。但尚未實現(xiàn)無人機對河道斷面流量的測量，一是多普勒水流測量技術(shù)測量的只是表面水流速度，對河道總流量的測量精度較低，難以替代河道斷面流量測量；二是由于受不確定風(fēng)速、運動抖動、傳播媒介等因素的干擾，測量的準確性受到較大的限制。

利用無人機對河道進行緊急情況下的水文監(jiān)測，可有效提高河道水文監(jiān)測的自動化和智能化水平，但仍需依靠人工進行全方位操控，需強化對地面人工操控的指導(dǎo)和操控流程的動態(tài)管理，強化對無人機、任務(wù)載荷和數(shù)據(jù)鏈的監(jiān)控，以提高操控的有效性和準確性。

4 結(jié)語

將無人機用于河道水文監(jiān)測，是一種全新的河道災(zāi)害監(jiān)控方式。利用無人機進行流量和水位測量，可有效解決常規(guī)監(jiān)控方式受地形、水文地質(zhì)等因素制約的弊端，加強無人機在河道水文監(jiān)測中的運用，可以很好地解決以往無法測流的困難，大大提升工作效率。