无人机在水文中的应用

刘 海，唐 哲

（湖南省岳阳水文水资源勘测局，414000，岳阳）

在传统水文工作中，水资源调查、河段查勘和洪涝灾害面积调查等野外工作主要采用人工徒步和乘船的方式完成。人力查勘行程缓慢，耗时长，且有的查勘位置人烟稀少，交通不便，难以找到船只将人员运送到指定位置，工作难度大。野外工作一般使用照相机记录查勘影像，由于取景范围、角度和位置的限制，影像信息记录易碎片化，无法对现场情况进行全影像呈现。水资源调查、应急监测取样位置通常在河、湖中央，河道情况复杂、水面漂浮物多、船只缺乏等情况给工作带来不便甚至成为障碍；在疫区取样时，接触疫水易对工作人员健康造成伤害；在鸟类自然保护区取样时，候鸟迁徙、繁衍对生态环境变化很敏感，常规采样船会给生态环境和鸟类保护留下隐患。在应急监测时，突发事件发生水域流速快，水中漂浮物多，出现险情的断面情况不明，工作人员驾驶皮划艇或冲锋舟拖曳三体测流船进行应急监测的安全风险极大。无人机应用于水文工作后，克服了日常野外工作中空间、地貌和水域环境因素的不利影响，具备迅捷、高效、易携带等特点，解决了传统水文作业人力密集，依赖地形、水文环境，设备繁重复杂的问题。

一、无人机应用发展概述

无人机的起源可以追溯到第一次世界大战时期，当时无人机大量应用于军事，20世纪末以后，其应用迅速扩展至全球的各个行业。2006年清明节期间，湖南高速交警首次采用无人机巡航高速公路，实现全国首个“交通+广播+无人机编组+网络”的全新调度指挥模式。

2016年，大岳高速洞庭湖大桥建设中使用无人机牵引先导索系统实现成功跨越架设，相比传统方法采用的人工拽拉、拖轮牵引、热气球牵引和直升机牵引等方式，无人机牵引先导索过江破解主缆施工的技术瓶颈，具有操控简便、快速安全、无需封航、成本低，不受地形影响等显著优点。长期以来，农业植保工作主要依赖人工进行，作业时间长，工作效率低，喷洒危险性高。随着植保无人机技术的快速发展，空中无人化农药喷洒方式正不断助力农业生产。目前，无人机正逐步进入交通调度、工程测量、农业植保、环境监测、电力巡检、应急救援等领域，应用前景更加广阔。

二、无人机在水文工作中的应用

机动性高、易携带、智能高效是无人机的显著特点。应用无人机完成高难度的水文野外作业，可以破解野外复杂工作环境限制，有效减轻工作压力，快速获取响应数据，提高工作效率，得到全面、实时资料。

采用传统工具进行水资源调查、河段查勘和洪水调查工作遭遇野外复杂环境阻碍时，使用便携式无人机航拍实时图传，可直观、详细地了解现场环境，为下一步工作奠定基础。装载高清摄像头的无人机可以开启4K高清视频录像，保存野外环境的全景影像资料。无人机高空航拍高清画质图片与录像可以替代人力查勘，快速确定被调查河段的流向、水情、植被等实际情况，避免了人力步行或乘船查勘的迟缓和辛劳。2016年，岳阳市水文局开展汨罗江大型水文科考时，大量采用了无人机进行野外水文地理环境查勘。在对汨罗江源头的几条疑似河源进行溯源时，对比传统办法人工实地查勘，利用无人机进行高空航拍、定位对比，快速确定汨罗江源头。

为了估算已发生的洪水洪峰流量、洪水总量、洪水过程及其重现期，需要进行现场调查测量和资料收集、考证等洪水调查工作，弥补实测水文资料的不足，以便合理可靠地确定水利水电工程的设计洪水数据。河道和断面情况调查是在洪水流量估算中确定过水面积、比降、糙率等水力因素的依据，对于多沙和断面冲淤变化较大的河流尤为重要。使用无人机查勘洪水发生河段，调查河段的流向、水情、河床、植被及地形等情况，快速、全面地确定洪痕高程，得出河段比降，估算出洪峰流量，再根据历史资料估算出洪水的重现期。为外业调查查勘工作减轻负担，节省工作时间，提升工作效率，解决了水文洪水调查与断面查勘中传统人工方法存在的调查区域狭小和覆盖范围不足的问题。

对于水质监测取样，传统水文依靠人工乘船完成。在野外湖心、河心采集水样时，携带船只不便，安全隐患大。乘船在湖、河中取水采样，消耗大量人力物力财力，用时长，工作效率低。使用改装可挂载10 kg水样的无人机进行取样，植入智能飞行控制芯片，可使其平稳飞到指定地点上方进行水质取样，取样人员在岸上进行操作，确保取样安全。同时也避免了在鸟类自然保护区、饮用水水源地、疫区等特殊环境取样时对生态环境造成干扰，且不受野外环境的影响，迅捷便利。

在开展水文应急监测时，突发险情位置往往缺乏桥梁、船只，野外监测流量时没有水文测验设备的工作平台。此时，通过改装无人机挂载的电波流速仪设备结合高清航拍图传，便可轻松获取流速、流态等水文信息。用无人机航拍河道水情、水毁情况和淹没区域情况，完成水文监测、水情监测、受灾区域查勘等任务。2016年汛期在湖南省岳阳市华容县新华垸发生的溃堤事件中，岳阳水文局水文应急监测小组利用无人机快速对垸内洪泛区进行航拍调查，获取实时情况，确定监测断面布设位置，为开展应急监测争取了宝贵时间，快速获取了第一手精确水文资料，为抗洪救灾提供了科学依据。

无人机搭载手持电波流速仪开展流速测验

三、结 论

简单、方便、高效是无人机应用的优势，随着科技的发展与进步，无人机的各项性能指标得到显著提高，越来越多高性能的无人机进入水文工作中。无人机在航拍查勘、应急监测和水质取样中的应用有力提高了水文野外作业效率和野外环境适应能力，为水文信息提供更加及时准确的情报，提高了水文的综合服务能力，促进了水文现代化、信息化的发展。