无人机在水文测验和信息化管理中的应用

郑应成

（广西壮族自治区水文中心，南宁 530023）

1 无人机测流可行性和准确度

（1）无人机测流优势。广西中小河流众多、洪水频发，常规的直接接触测流存在较大风险。2017年7月应急测验人员在龙胜芙蓉河上使用ADCP测流，山区洪水流速度大，洪水直接把这台贵重仪器冲散架，测验人员手被牵引绳拉伤。这场大水将洛清江对亭站测流的另一台ADCP测架冲断。另一应急小组人员在洛清江上游，永福茅江桥上使用ADCP 进行桥测，由于水流速度大、浪急，洪水直接将ADCP卷入河底，眼看仪器可能被冲毁，在这紧要关头，一队解放军路过此地，及时出手帮忙，将仪器拉出水面，避免仪器损坏。一场大水，同时发生几起直接测流的意外，说明直接测流存在风险。如果用无人机非接触式测流，测流险情就大大减低。

有些中小河流水文站设在偏远山区，测验河段没有水文测验设施和测验条件，无缆道、无船、上下游河段无桥梁，测流非常困难。当发生特大洪水，测验人员无法靠近，无法测流时，无人机测流就容易得多。

（2）无人机测流方法。无人机作为载体，搭载电波流速仪，利用机载GPS 定位系统，飞到河道断面预设的垂线上，抵近测流，数据通过电台传到岸上计算机。当测完所有预设垂线后，计算机自动算出流量。

（3）无人机测流试验。国内有一些公司已经开始无人机测流系统的研制工作，北京美科华仪公司生产的汉龙水文测验无人机，2017年在北京永定河上进行一次无人机测流试验，测验结果说明了永定河上无人机测流是成功的，证明了无人机测流的可行。

（4）无人机测流比测精度。2017年7月，贵州毕节水文局在赤水河站用缆道流速仪与汉龙水文测验无人机测流进行了比测，比测结果相对误差都没有超过5%，根据《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》（GB/T21699-2008）：流速仪各测点相对误差均不超过5%。相对误差比对数据是合格的，证明无人机测流精度符合规范要求。

（5）无人机自动测流。汉龙水文测验无人机可以完成自动测流工作，测流完成后，系统自动打印流量计算表，测流、数据传输、计算、结果打印都实现自动化，赤水河站测流结果符合水文规范要求。验证了无人机测流安全、可靠、高效、自动化程度上的优势，适合在水文行业应用。

2 无人机在水文地形测量中的应用

水文工作除了水文测验，还需要进行地形图测量工作，如：新建水文站勘察、设计、改造、水文调查都需要使用、实测地形图。近年新设水文站网点增多，人员普遍不足，在遇到野外地形测量任务时，有时无法开展工作。无人机用于地形测量，不仅测量速度快、精度达到厘米级、作业范围大、而且作业人员少，大有取代人工测量之势。完全可以满足水文对地形测量的要求。

2.1 获取地形图方法

获取地形图方法有传统人工测量手绘成图、飞机航拍、卫星遥感、无人机航拍。这几种获取地图方法，各有特点。

（1）人工测图。适合局部测量成图和控制点测量，由于外业工作强度大，测量速度慢。

（2）飞机航片。适合大面积成图，成图速度快。但申请手续复杂，受限制的条件太多，成本高。

（3）卫星影片。谷歌地图就是卫星影像图，也称卫片、遥感照片、卫星影片，是小比例遥感照片，常见1∶2000 到1∶100 万，小比例图用于资源调查、普查等。但局部细节不清楚，时效性差，价钱贵。

（4）无人机航拍。无人机航拍应用非常广泛，无人机拍摄照片分辨率可达到0.1 m 以下，用于1∶1000 成图或更大，这种高分辨率照片是目前卫星照片无法做到。无人机适合小范围局部航拍，是卫片的补充，对时效性、清晰度、价钱等要求高的用户，无人机是最明智的选择。

2.2 航拍水文站

2014年3月，南宁水文站做了一次无人机航拍飞行演示。工作人员用瑞士eBee 无人机在南宁水文站区域上空飞行，共拍摄52张基础正射航片。图1是经重叠合成正射纠正处理后的南宁水文站无变形正射航片（成果）；在成果片上叠加网格数据等形成地形图。整个拍摄过程耗时仅半天，航片合成耗时半天，数据处理成图数天内完成。南宁水文站谷歌卫星图见图2。图1 无人机航片比图2 卫星影片要清楚，无人机航片清晰、快捷、灵活、价钱低、是卫星影片无法比拟。

无人机拍摄的航片，经过数据处理成图后，精度可满足1∶1000 测图要求，符合测图有关技术标准。

图1 正射纠正处理后的南宁水文站无变形正射航片

图2 南宁水文站谷歌卫星图（摄于2017年3月）

3 三维地图在信息化管理中的应用

目前水文站点越来越多，管理的难度也在加大，要处理的信息也越来越多。在信息化管理中，用数字地图替带纸质地图，用三维数字地图将站点信息都融合在里面，用计算机进行查看、分析、统计、汇报非常方便和快捷，特别对淹没区调查非常直观。采用无人机航测形成的三维地图是目前常用的方法。

3.1 三维地图特点

一般地图也称平面图、二维地图、正射图和基本图等，图上标有坐标、高程、地物、地名等属性，读图时需要具有一定的专业技术知识；三维地图也称立体地图、3D 地图，更直观、更易读，展示信息量更大，效果更好。

无人机倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过无人机的倾斜摄影，进行定位、融合、建模，生成仿真三维地图（也称三维建模）。

3.2 三维建模过程

（1）快速建模，也称粗模。使用无人机航拍、实景拍摄等方式快速建模，形成大概的三维模型（见图3）。

（2）精细化单体建模。主要针对用户关注的对象，如：水利行业关心的水库、水利枢纽、水文站、雨量站、地下水井、河道等构筑物，使用其外形尺寸、地形、坐标、高程等精确数据，对大概的三维模型进行局部精细化单体建模，可用无人机倾斜摄影、激光点云数据、现场测量和拍摄等进行局部精细化建模，经处理后形成三维地图，是精准的矢量三维模型（见图4）。

（3）为对象添加属性。将地名、站名、高程、水深、仪器型号等信息作为属性录入到相应的对象中，在三维地图上，可以方便查阅关注对象信息，可进行批量查询、统计、打印等工作（见图5）。

3.3 三维地图应用

图3 水文站断面三维地图，水文站地形地貌真实展现在眼前，地图可作任意角度旋转，从各角度去看水文站地形，非常直观，相当一个实体模型展现在眼前。矢量三维地图由三维坐标、点云数据、无人机倾斜摄影数据、人工测量数据等构成，在图上可测量高程，距离、坐标等参数。水文站勘测，前期规划、缆道设计、水位台建设、河湖普查、河长制等水文工作提供实地参数，非常方便。

人工在平面图上作淹没分析，不仅复杂、容易出错、作业时间长，由于线条多，容易出错。在三维地图上作淹没分析，直接输入设计高程，由系统自动完成淹没区域展示，并直观看到结果，图4是三维地图上显示621.50 m水位淹没情况。

图3 专业3D浏览器上显示的水文站低水位时，断面三维地图

图4 三维地图上显示621.50 m水位淹没情况[3]

图5 在三维地图上显示地下水井属性信息

图5是三维地图在信息管理化上的应用一个实例，在全市三维地图上选到这点上，立即可以看到地下井3D地形、外观，属性等，并可显示水井名称、规格、状态、管理单位等信息，可进行分类统计、打印、查询等功能，在水文测站、设备、测井管理上非常方便和直观。

3.4 精度评价

2018年黄委重点水利工程信息化建设项目中，使用无人机倾斜摄影及三维建模成图，导入到黄河防汛调度方案情景展示系统中。图6是陆浑水利枢纽三维实景模型在黄河防汛调度方案展示系统中的局部正视图。

图6 陆浑水利枢纽局部正视图

陆浑水利枢纽三维模型经过精细化单体建模后形成三维地图，精度评价采取人工实测平高检查点的方式对模型精度进行检验。检验结果表明：陆浑测区平均GSD 为3 cm，水平误差为0.031 m，高程误差为0.046 m，均在1∶500比例尺三维测图限差范围内，满足信息化建设对测图精度的要求。

4 无人机在应急事件中应用

灾害发生后，各级领导都急需了解灾害现场的情况，发生灾害的现场往往道路被毁，应急队员无法到达现场。使用无人机可以及时把灾害现场的场景传回指挥部，为领导及时决策提供信息。

4.1 水文站被淹

广西百色市驮娘江上的瓦村水文站，地处山区洪水暴涨暴落，在水文站上下游分别建有电站大坝和泄洪道。2018年 8月 1～9日，百色市驮娘江流域持续强降雨，瓦村电站入库流量增大，未完工电站大坝和溢洪道同时开闸泄洪，瓦村水文站水位、流量急速增大。8日上午，溢洪道左岸边坡突然出现坍塌，大量砂石冲入河道，堵塞了主河道，将百色市到瓦村唯一公路冲断，导致瓦村水文站被淹。

4.2 航拍灾情

灾情发生后，为了及时了解灾害现场情况和水文站被毁情况，笔者随百色市水文中心同志赶到现场，由于道路不通，四周是高山，只能使用无人机对瓦村水文站现场进行航拍。

图7 是无人机在泄洪道对面山上航拍的全景，图中泄洪道被洪水冲塌，大量泥石阻塞大半河道，图左边上是电站大坝，左中河面架有临时施工桥，桥上游对岸是水文站。

图7 无人机航拍现场全景

图8 泄洪道排泄水流与河道水流方向垂直，当泄洪道塌方形成高速水流，直接冲断河对岸进村唯一公路，大量泥石阻塞大半河道，将河对岸的山坡冲出一个100 m长的水槽，可见灾害造成的破坏程度。

图9 无人机航拍瓦村水文站全景，洪水冲毁观测码头、路面，测船被洪水抛上岸，办公设备、水文设施等都受到不同程度的毁坏。图10 泥石阻塞河道形成堰塞湖泄流口，地面上无法看到，航拍才能看到。通过这些照片，领导迅速了解瓦村站实际水毁情况，为指挥救灾、灾后重建提供第一手资料。

图8 冲断进村公路和冲出长水槽

图9 瓦村站水文站全景

图10 泥石阻塞河道形成堰塞湖泄流口

5 结语

2019年9月水利部办公厅关于印发《水文现代化建设技术装备有关要求》（办水文[2019]199号）的通知，要求推进和指导水文测报先进技术装备配置和应用，加快提升水文现代化水平。无人机技术是近几年发展的新技术，在水文应用前景广阔。事实证明，当发生超标汛情后，用无人机测流，可有效解决无法测流的问题，提高工作效率，贵州毕节、山东青岛、河北石家庄等地的水文部门都开展无人机测流应用试验工作。无人机技术应用到地形测量、水情监测、测站查勘、服务河长制、水质监测、应急、测站信息管理等水文工作中，提升水文现代化水平。