浅谈无人机在黄河宁夏段水文监测的发展方向及应用

吴橙

【摘要】近年来，随着信息化建设工作发展，黄河干流自动水位、自动视频站提供实时数据及影像资料，为黄河干流夏秋季洪水汛情、冬季凌情监测提供了科学依据。但监测站点偏少，空白区较大，人工监测工作量仍然很大。为了进一步加强黄河汛情、凌情监测的时效性和准确性，充分发挥自动化建设成果在监测工作中的作用，为了加快破解监测瓶颈，提高监测效率，为水利发展及社会经济发展提供服务，拟采用无人机等信息化手段进行监测。本文通过调研无人机发展现状及存在的问题。探讨无人机在宁夏水文监测方面的可行性及方式方法，以供参考。

【关键词】无人机；黄河监测；信息化

1宁夏黄河段监测设备分布现状

目前已建成的17处水位遥测站数据通过GPRS传入水文遥测平台，13处视频站信息入水利信息中心视频系统，因资金投入不足和缺乏统一规划，尚未形成能为防洪防凌调度指挥提供支持的统一黄河水情信息管理系统，造成信息资源不足、信息共享困难、应用基础薄弱，在功能上尚不能满足黄河防洪防凌业务的需要。

2.无人机宁夏境内限制飞行现状

2.1无人机安全系统现状

无人机飞行限制系统和安全提示信息系统在全球已经非常成熟，旨在提供各类飞行受限制的区域，无人机飞行员将实时获取相关受限资讯，包含但不限于机场、由于一些突发情况（如森林火灾、大型活动等）造成的临时限飞区域、一些永久禁止飞行的区域（如监狱、核工厂等）。此外，在部分区域例如野生保护区、人流密集的城镇等允许飞行的区域也可能收到飞行警示。以上这些无法完全自由飞行的区域，都统称为限飞区，包含了警示区、加强警示区、授权区、限高区、禁飞区等。如需在该区域执行飞行，可准备相关材料申请临时解禁。此项解禁功能并不适用于高度敏感的区域。

2.2我区限飞地区统计

我区无人机限飞地区截止目前共有三处：

2.2.1.银川河东国际机场地区：

（1）限高区：北起通贵乡马家庄以南1公里，南起灵武火车站以南5公里，西起永宁县中华回乡文化园处，东起水洞沟遗址博物馆处。

（2）限飞区：以河东机场为中心半径6公里处均为禁飞区。

2.2.2中卫沙坡头机场：

（1）限高区：中卫市香山公园以南20公里处为限高区。

（2）限飞区：以中卫沙坡頭机场为半径7公里处均为禁飞区。

2.2.3固原六盘山机场

（1）限高区：以固原六盘山机场为半径10公里为限高区。

（2）限飞区：以固原六盘山机场为半径6公里处均为禁飞区。

3.无人机在线管理平台与现阶段已有水利信息化系统的融合需求。

3.1无人机在线管理系统需求

无人机综合在线管理平台是提高我区无人机自动监测的综合系统，主要需求包括：

（1）实时传输：远程获取无人机实时视频与位置，增强团队协作。快速查看无人机当前地图位置与飞行数据，远程掌控飞行任务进度，直观方式协同作业。通过无缝连接前后方，远程查看现场状况，提升工作流程及效率，支持多路无人机远程直播。

（2）数据管理：自动同步飞行记录，提升作业效率，保障飞行合规。自动记录详细飞行数据，回放飞行轨迹，统计飞行时间，为设备维护和飞行合规提供保障。飞行数据通过云服务储存，信息管理流程依据SOC2安全标准设计，保障更安全的数据储存。

（3）团队设置：管理设备与人员，降低运营成本，助力水利职工尽快熟悉业务。

3.2无人机在线管理系统与已有水情综合业务系统的融合

无人机在线管理系统与已有水情综合业务系统采取基于水情综合业务系统的构架下嵌入融合，避免二次开发，达到数据管理实施入库。

4.固定翼无人机与旋浆翼无人机的优缺点

4.1固定翼无人机

飞机靠螺旋桨或者涡轮发动机产生的推力作为飞机向前飞行的动力，主要的升力来自机翼与空气的相对运动。所以，固定翼飞机必须要有一定的无空气的相对速度才会有升力来飞行。因为这个原理，固定翼飞行器具有飞行速度快，比较经济，运载能力大的特点。固定翼的无人机也是非常有用的，在有大航程，高度的需求时，一般选择固定翼无人机，比如电力巡线，公路的监控等等。

4.2多旋翼无人机

多旋翼是依靠多个旋翼产生的升力来平衡飞行器的重力，让飞行器可以飞起来，通过改变每个旋翼的转速来控制飞行器的平稳和姿态。所以多旋翼飞行器可以悬停，在一定速度范围内以任意的速度飞行，基本上就是一个空中飞行的平台，可以在平台上加装自己的传感器啊，相机啊，甚至机械手之类的仪器。操作简单，经过简单的培训人人都可以操作。出现了目前像大疆，parrot等公司直接把高度集成、稳定的产品送到消费者手上，不需要去自己去做太多工作，目前比较热门。

5.现有无人机参数调研

为适应我区凌汛期温度低降雪大风等恶劣天气，以及本次项目需求，以下参数仅介绍多旋翼无人机参数，无人机参数及稳定性直观重要，本文从以下几个方便进行分析。

5.1云台参数

根据多家厂家调研参考：云台重量可以减少至80-40g。通过优化配套控制软件，可以更加精准的完成监测任务，也可以是飞行操控员获得更加细腻的操作手感，云台最多支持等效90mm长焦镜头，可通过主副遥控器同事操作飞机飞行及云台控制。

5.2飞行安全

1）.要求能做到前后左右上下六方位避障。

2）.电池系统：能够提供低温自加热功能，保证在寒冷天气也可使用。

3）.智能返航：基于前视和下视的双目立体视觉系统可在飞行过程中实时对飞行环境进行地图构建，记录飞行轨迹，当飞行器被物体遮挡导致图传或者遥控器信号断连时，可以沿飞行路径返回，直到图传信号恢复后再按直线返回。智能返航模式下，拥有远达200米的障碍物观测能力，可提前规划绕飞路径。还能在失控返航时，更快建立连接，尽早掌握飞行状态，实现更安全，更顺利的自主返航。

5.3聚焦功能以及智能飞行与智能拍摄

1）.聚焦功能：可通过视觉跟踪技术被识别被拍摄物体，并按照构图要求自动控制云台转动。

2）.智能飞行及拍摄功能：通过避障增强的兴趣点环绕及航点飞行功能，可以安全无忧地完成飞行路线，快速自旋功能可以让云台实现无限连续的转动范围，指点飞行及智能跟随功能则让复杂镜头的拍摄唾手可得。

5.4遥控器及图传系统

1）.遥控图传：要求支持.4GHz及5.8GHz*频段冗余的Lightbridge高清图传系统，开机自动检测周围无线电信号干扰情况并自动选择2.4GHz或5.8GHz*工作频段。Lightbridge高清图传系统可在单一频段同时传输遥控和图传信号，因此可直接降低市区环境等WiFi或4G基站信号对图传通信的干扰。有效传输距离远达7公里**，并可同时传输1080p/720p主相机画面及FPV摄像头画面。

2）. 主从机互联：从机互联采用全新的无线链路机制，使得主机、从机拥有完全相同的图像质量。从机设备的图像通过主机传输，不仅可以操控云台，也能设置相机等参数。主从机之间通讯距离可达100米。

3）.广播模式：支持广播模式，可输出广播电视行业常用的1080i50以及720p60视频信号。同时，系统经过特殊的优化，使得HDMI的视频更加流畅，且兼容主流广播电视制式。

6.现有无人机使用单位成功案例调研

6.1农业

6.1.1农作物监测

一代又一代的农业从业者穿梭在田地中，巡查农作物长势并判断虫害状况，这种传统监测方式不仅耗时费力，而且在植被密集区域会受到很大的局限。 通过无人机，农业从业者可在快速巡查作物的同时对农田进行绘图和建模，大幅提升工作效率。XT热成像相机也是农作物监测的重要工具。它可对苗圃、温室进行直接监测。可轻松获取重要的农作物信息。

6.1.2农作物咨询

农学家使用多种不同领域的科学技术解决农学问题，包括增加产量，提高食物安全性，管控农业生产对环境的影响以及作物处理等。他们可能专注于多个领域的研究，如轮作生产、灌溉排水、植物育种、植物生理学、土壤分类、土壤肥力、杂草控制，或是虫害防治。这些研究都需要大量植被以及环境数据。 航拍相机能结合可见光与红外成像，捕捉人眼无法觉察的农作物影像。健康与生长不良的作物可以被明显区分，种植者可以及时了解并采取必要行动。航拍监测时间灵活，可以每周或每天进行，甚至每小时进行一次。将这些影像信息合成为延时视频，可突出作物生长中的变化，从而显示问题区域，更加高效地管理作物。无人机为农学家提供高载荷飞行平台，支持光谱、高光谱或全幅传感器以及相机等多款第三方设备。通过大D-RTK GNSS 系统升级至厘米级悬停精度。通过双模卫星定位和IMU系统，能实现6度冗余，飞行表现稳定可靠。使用SDK可定制应用，设计飞行模式或进行全自动飞行，从而简化监测过程。另外，一个基站可同时控制5台无人機，从而提高对大型农场的监测效率。

6.1.3灌溉管理

淡水是最宝贵的自然资源之一，全球农业从业者都在想方设法优化灌溉效果。水量过大或不足都会影响作物产量，这就意味着需要对灌溉状况进行细致的追踪监测。 现代大型农场通常面积广阔，田地的灌溉依赖于多个灌溉枢轴。玉米等作物生长到一定高度时，检测喷灌设备是否送水过量就变的很困难。 无人机飞行平台结合热成像相机，可提升对灌溉以及积水区域的管理效率。基于行业领先的FLIR Tau2 设计，为管理者精准呈现水量信息，帮助他们进一步优化灌溉策略。

6.2能源

6.2.1光伏行业

无人机在屋顶光伏板检测与大型光伏电站的运维上具备明显优势。相机可以短时间内扫描处于工作状态中的光伏板，能清晰地用影像呈现温度异常。通过使用禅思XT进行检测，用户能迅速确定出现故障的光伏板，及时进行修复，保障发电站保持最佳的状态。续航时间长达30分钟，一次飞行可以检测大片区域。检测人员只需通过航拍素材初步判定故障区域，然后前往确认即可，与传统的步行全场检测方式相比，显著提升了工作效率。

6.2.2风力发电站

电力巡线、核电站巡检、能源、风力发电站、风力发电机的检测更为复杂，也更具挑战。目前，检测风力发电机需要将工作人员运送到高空中进行作业。不仅有很大的安全隐患，而且需要在检测前停工，影响发电效率。与传统手段相比，使用无人机让风力发电机检测变得安全、便捷。无人机定位精准，可从空中接近风力发电机，检测人员的安全风险大幅降低。而且现有无人机的环境感知与避障功能可有效避免撞击事故，确保飞行安全。并且可拍摄1600万像素高解析度的图片以及4K视频，可以清晰地辨识发电机外部的损伤和故障隐患。通过高清图传系统，可实时进行检测，也可以通过飞行器储存的超高清视频素材进行后续分析。全新的技术大幅缩短了停机检修时间，提升了工作效率。

6.2.3电力巡线

输电线和铁塔构成了现代电网，输电线路跨越数千公里，交错纵横，电塔分布广泛、架设高度高，使得电网系统的维护困难重重。以前，电力巡线工作需要通过直升机来完成，现在，先进的无人机技术让电力巡线工作变得更简单、高效。 巡线工作组到达作业地点后，即可轻松使用无人机开展空中巡检工作。高清实时图传让巡检员在飞行中就能快速发现故障点。同时，可拍摄1600万像素照片和4K影像，为巡检后期分析提供充分的画质保证。 通过D-RTK GNSS导航系统，使得飞行器获得厘米级别的悬停精度。部分无人机搭载3套卫星定位以及惯性测量单元，实现6路冗余，令其飞行稳定可靠。此外，还可通过DJI SDK开发者平台定制软件，设置标准飞行模式、实现自主飞行或利用基站同时控制5台飞行器对不同的线路段进行检测。

6.3公共安全

6.3.1搜救

搜救工作分秒必争，提升响应速度就能拯救更多生命。采用先进的FLIR热成像技术，一体化的云台设计让搜救人员能迅速部署热成像航拍系统，并突破光线和环境的限制，即使在黑夜、浓烟或树林中也可轻松辨识搜索目标，显著提升搜救效率。效率远远超过传统人工搜救方式，领先行业水平。另外，可以开发特征点查找识别、自动飞行与监控等功能，非常适合紧急搜救任务。

6.3.2消防

无人机能帮助消防员快速探查火源，在安全区域对火灾现场进行实时监控。无人机相机让消防队更清晰观测火势蔓延路径，并评估可能出现危险的建筑或区域，为指挥人员及时提供信息，做出最有效的现场决策。消防员可通过红外图像识别浓烟中隐藏的热点及火源，消防队能更细致的监控现场环境，得到更多的信息。科技让消防员及时获取火场关键信息，并在最短时间内做出判断。

6.3.3救灾

无人机不仅在搜救中能发挥重要作用，还能用于救灾观测中。在灾害发生后的短短几小时内，可以使用无人机确定需要紧急救援的区域，将信息准确反馈给政府与救援机构，协助他们高效地调配救援人员和物资，拯救更多的生命。 在灾后重建中，无人机可用于制作3D地图、3D建模和正射影像图，从而精确统计受损区域及受损程度。帮助政府灾后重建。通过与灾前地图对比，可帮助受灾地区恢复原貌。

7.无人机在本次项目中的应用

从行业现状来看，由于巡检无人机应用场景的具体需求不同，市场上用于水利巡检领域的无人机品牌与种类繁多。从机型来说，基本以单旋翼无人机、多旋翼无人机和固定翼无人机三种为主，根据综合因素考虑，本次项目建议使用多旋翼无人机进行实时监测。

此外，无人机搭载的各类设备同样根据任务场景和价格考量各有不同。因而，巡检无人机的行业标准与产品标准的规范十分重要。