黄河宁蒙河段凌情无人机监测应用研究

袁秀忠 王平娃 孙莲莲 李欣庆

（1.黄河水利委员会水文局，河南 郑州 450004；2.黄河水利委员会宁蒙水文水资源局，内蒙古 包头 014030；3.淄博市黄河工程局，山东 淄博 255000）

黄河宁蒙河段凌情无人机监测应用研究

袁秀忠1王平娃2孙莲莲3李欣庆1

（1.黄河水利委员会水文局，河南 郑州 450004；2.黄河水利委员会宁蒙水文水资源局，内蒙古 包头 014030；3.淄博市黄河工程局，山东 淄博 255000）

自2009年凌汛以来，结合凌情无人机应急监测系统各部分的实际需求，在宁蒙河段分别利用固定翼、单旋翼、多旋翼等无人机先后进行了多次凌情监测实践，试验研究了无人机在凌情监测中的适用性，分析了不同机型的优缺点。基于应用研究成果，提出黄河凌情无人机监测方案。

凌情监测；无人机；固定翼无人机；单旋翼无人机；多旋翼无人机

宁蒙河段属于黄河上游，河段全长1 217km，凌汛期从11月流凌封冻，次年3月中下旬解冻开河，封冻天数多年均值为117d，最低气温达-34℃，风力多在4级以上，封河冰厚一般为0.7m，最厚在1m以上。石嘴山以下河段河道宽浅，浅滩弯道较多，主流摆动游荡，是冰凌灾害最严重的河段之一。从以往凌情分析，凌汛期宁蒙河段冰塞、冰坝等突发凌情易发生在多弯或急弯河道。这些弯曲河道的流凌观测十分困难。由于远离堤坝，人工巡查冰凌时借助望远镜也难以观察河道内流凌情况，适合用无人机飞临河道上空进行近距离观测，可及时发现突发凌情迹象，提前采取措施，避免或减少灾害发生。为研究不同无人机机型在黄河凌情中的应用，选择在黄河宁蒙段进行了固定翼、单旋翼、多旋翼等无人机进行凌情监测，为今后在黄河整个河段应用无人机凌情监测积累经验。

1 无人机凌情监测系统

当前，包括军用、民用的各类无人机正处在高速发展时期，各种类型和型号的无人机不断更新换代。同时，适于无人机的机载照相机、摄像机、雷达成像、激光成像、倾斜摄影测量设备等各种载荷的研发应用也得到了同步发展，为开展无人机凌情应急监测提供了越来越多的选择。目前，适用于宁蒙凌情应急监测的无人机主要包括固定翼、单旋翼、多旋翼三类。

基于无人机技术的发展状况和宁蒙河段凌情监测的实际需求，黄河凌情无人机应急监测系统由无人机平台、监测载荷、地面控制站、凌情监测分析、防凌指挥会商等5部分构成。现在对这五部分进行详细分析。

①无人机平台包括飞行器平台、飞控导航系统、对地通信链路。飞行器平台决定了无人机载荷能力和监测性能，根据监测任务可选用固定翼、直升机、多旋翼无人机［1］；飞控导航系统实现了飞行器的遥控、自航飞行，决定了无人机系统的飞行性能；对地通信链路接收地面控制站的飞行指令，传输飞行状态和监测视频。

②监测载荷由陀螺云台和监测传感器组成。根据监测任务，可选的监测仪器主要包括：数字照相机、数字摄像机、雷达成像仪、红外成像仪、激光成像仪。拍摄现场凌情影像的数字照相机和实时视频监测的数字摄像机用途较广。

③地面控制站包括对机通讯链路、飞行控制系统、信息传输系统。对机通讯链路，向无人机发送飞行指令和任务规划，接收监测视频数据；飞行控制系统，实现无人机的动态控制，编制自动飞行任务规划；信息传输系统，通过3G/4G通信或计算机广域网实现凌情视频和影像数据的传输。

④凌情监测分析包括影像数据接收、影像数据处理、人机交互解译。影像数据接收，接收来自地面控制站的凌情视频和数字影像数据；影像数据处理，实现视频动态拼接形成河道冰凌情势图以及影像校正拼接形成河道冰凌正射影像图；人机交互解译，根据河道冰凌情势图和冰凌正射影像图，进行流凌密度、冰塞冰坝、凌洪范围等凌情信息提取。

⑤防凌指挥会商包括视频实时接收、图像镶嵌拼接、凌情现场展显。视频实时接收，实现无人机现场视频的实时接收；图像镶嵌拼接，实现凌情视频图像动态拼接和来自人机交互解译的凌情信息标注，形成供会商参考的河道冰凌情势图；凌情现场展显，为防凌会商展显监测现场的凌情视频。

2 凌情监测应用研究

2.1 固定翼无人机监测

2009年3月，在内蒙古杭锦旗至达拉特旗河段的新华村、包西铁路桥、独贵镇三处场地利用固定翼Sky-01C型无人机进行监测飞行20余架次。监测成果及分析如下。

监测成果：实现了凌情现场、监测分析、防总指挥部三地凌情视频同步传输展显；视频实时拼接制作了3处监测河段的河道冰凌情势图；现场进行CCD监测数据拼接正射影像处理，制作了河道冰凌正射影像图；提取了冰洪漫滩范围、河道流凌密度信息，提取结果与同步地面人工观测结果精度一致［2］。

优点是该机型以正射成像为主，数据处理量大，航时较长，作业飞行速度较快，适于较大范围监测作业。缺点是云台平衡能力弱，视频抖动较大；滑行起降，需要整理专用跑道；操作难度大，技术要求高，需要专业操控团队。

2.2 单旋翼无人机监测

2011年3月，在内蒙古三湖河口至包头河段利用单旋翼Z-3型无人机监测飞行16架次。监测成果及分析如下。

监测成果：采集独贵塔拉镇奎素河段1G监测视频数据，实时拼接制作了监测河段及河道的冰凌情势图；通过3G网络将监测视频影像实时传输到防总指挥部；提取了冰洪漫滩范围、河道流凌密度信息。

优点是该机型可垂直起降，不需要整理起降跑道；能在凌情现场上空悬停，指挥部可获得稳定清晰的视频展显；起重量较大，可悬挂高性能的陀螺摄像云台，影像清晰，场景稳定，适于在指挥部展显凌情现场的监测作业。缺点是作业风力小于三级，只能在微风天气条件下作业；操作难度大，技术要求高，需要专业操控团队。

2.3 多旋翼无人机监测

2016年3月，在内蒙古三湖河口至头道拐河段水文测验人员利用旋翼式大疆“悟”Inspire 1型无人机进行凌情巡测。监测成果及分析如下。

监测成果：水文巡测人员利用无人机实现了近距离巡测河道凌情，解决了由于河滩地形限制难以靠近河道的难题；成功发现了3次突发凌情：3月16日，在临河河段发现1处长、宽为150m×50m的冰桥，3月17日，在五原河段发现1处长、宽为1 000m×200m的冰桥，3月19日，在包西铁桥上游700m弯道处发现堆冰长5km的冰坝，上游三艮才险工丁坝工程淹没；凌情监测视频和图像由无人机下传地面控制站，进行离线处理后由4G网络将监测视频上传至防总指挥部［3］。

优点是该机型操作简便，垂直起降；能在凌情现场上空悬停，可空中变形，操作灵活；云台任意方向360°旋转，影像清晰，场景稳定；水文人员简单培训即可操作自如，适于基层水文巡测作业。缺点是续航时间太短，难以承担复杂凌情的监测任务。

3 结语

基于在黄河宁蒙段无人机凌情监测的应用研究，黄河凌情监测宜采用固定翼无人机与多旋翼相结合的方式进行。如果大区域监测黄河凌情采用固定翼无人机进行巡航监测，但该机型飞控复杂，需要专业飞手，可以成立专门飞行队伍，配备一至二套固定翼无人机统一监测整个黄河河段的凌情，根据黄河防汛总指挥部的需要随时到现场监测。小区域常规性的黄河凌情监测可使用多旋翼无人机进行，该机型操作简便，数据传输相对容易，可配备至各基层水文局进行多频次监测。

［1］ 何厚军，马晓兵，刘学工，等.遥感技术在黄河凌情监测中的应用［J］.中国防汛抗旱，2015（6）：10-13.

［2］ 王春青，ArthurE.Mynett，张勇，等.黄河流域寒潮天气与凌情关系分析［J］.水文，2012（5）：48-52.

［3］ 马瑞升，孙涵，马轮基，等.基于微型无人机影像的土地利用调查试验［J］.遥感信息，2006（1）：43-46.

Application Research on Ice Flood Monitoring in Ningxia-Inner Mongolia Reach of the Yellow River by Using Unmanned Aerial Vehicle

Yuan Xiuzhong1Wang Pingwa2Sun Lianlian3Li Xinqing1
（1.Hydrological Bureau，YRCC，Zhengzhou Henan 450004；2.Ningmeng Hydrology&Water Resources Bureau，YRCC，Baotou Inner Mongolia 014030；3.The Yellow River Engineering Bureau of Zibo，Zibo Shandong 255000）

Melting ice flood since 2009,in combination with ice flood UAV actual demand of each part,emergency monitoring system in Ningmeng River respectively using fixed wing,single rotor and multi rotor UAV successively repeated ice flood monitoring practice,experimental research on the applicability of the UAV in ice flood monitoring,analyzes the advantages and disadvantages of different models.Based on appli⁃cation of research results,this paper put forward that the Yellow River ice flood UAV monitoring pro⁃gramme.

ice flood monitoring；UAV；fixed wing UAV；single rotor UAV；multi rotor UAV

TV875；P237

A

1003-5168（2017）11-0103-02

2017-10-09

袁秀忠（1967-），男，本科，高级工程师，研究方向：3S技术应用与信息工程建设。