无人机监测系统在河流水文应急监测中的应用研究

庄 杰，经正彤

(江苏省水文水资源勘测局扬州分局，江苏 扬州 225001)

1 无人机应用于河流水文应急监测的必要性分析

自从2011年起我国逐步加大了水文管理的投入力度，据水利部所提供的统计数据显示，截止到2018年年底我国新增的水文站、雨量站已经突破1.8万个，同比增长8.6%，但总体监测人员编制却并未同步增加，这就要求水文监测必须要加大新技术的应用，按时按量地完成河流水文监测的所有任务。其次，随着我国生态环境的逐步恶化，在夏季容易出现爆发性的洪涝灾害，尤其是在南方地区河流水文情况往往会在短时间内发生显著变化，同时也会伴随泥石流等地质灾害，河流水流传播机制以及周边环境将会出现显著变化，若采用传统常规手段开展水文应急监测不仅在时效性方面存在问题，同时也会对工作人员的人身安全造成严重的威胁[1]。

针对已经发生了险情征兆的河流，可以利用无人机快速搜集河流水文情况，在ADCP、流速仪等应急监测方法失效或者因自然地质灾害所导致的断面测流去作业条件之下，可以采用无人机以非接触式方法测算出河流的水面流速情况，并将其换算成全断面流量。而无人机监测系统则在简单无人机监测的基础之上增设了非常规应急测流技术方法，对于无揽道以及无测速船的河流断面测速，可以直接利用装备了雷达微波测速的无人机监测系统进行监测[2]。

2 无人机应急测流方案设计

无人机应急监测系统是一种以无人机为测速系统，用于野外河道断面测流的应急测速解决方法，此种方法在测速现场并不需要固定的辅助类水文固定设施。该系统的测流方案主要包含以下几个方面的内容。

(1)机动主体。该系统虽然并不需要固定地面设施，但也需要地面设备支撑，一般情况下可以选择越野巡测车为机动主体，车载若干架无人机，巡测车配置一体化的地面控制站、计算机通讯设施、视频监控、导航以及电源等设备，无人机可以采用现场组装[3]。整体系统在现场的运行测流共计需要两名工作人员，一名工作人员负责地面设备的控制，对无人机的航向以及水文测流进行操作，另一人则主要负责无人机的野外放飞以及回收。

(2)悬停测速。应在所需测速的河道附近停车组装无人机，但同一断面的流速测量需要重复多次，一般情况下无人机应按照预先设定的航迹穿越河道，按照每20 m左右的距离悬停测速一次，悬停的高度一般控制在30 m左右，通过测速雷达对河道流速进行测量，悬停测速如图1所示[4]。

(3)在紧急监测情况下，若因道路阻塞、时间紧急，工作人员无法及时到达测量现场，此外，还存在现场通视条件差等情况。针对此种情况，无人机监测系统也推出了两种不同的工作模式：①遥控飞行测速模式，该模式能够直接通过地面计算机控制设备经无人机所配置的摄像头控制航线、完成悬停测速等一系列操作，从而满足一人操作需求；②自动测速工作模式，在通视条件相对较好的环境中，可以激活地面计算机控制设备中内置的飞行控制软件，无人机将按照既定航线飞行并完成相关数据的自动采集与传输。

3 无人机监测系统在河流水文监测中的作业流程

以大疆AR200型无人直升机水文监测系统为例对无人机监测系统在河流水文监测中的作业流程进行分析，具体作业流程如图2所示。

图2 无人机监测系统河流水文监测流程

针对不同情况下河流水文应急监测的任务要求，在数字地图的指引之下，无人机监测系统能根据航线实时完成监测规划，具体来说其所遵循的作业流程主要包含以下几个方面的内容。

(1)分析作业地点地形条件，对地形作业航迹进行全面规划。在河流水文监测中监测数据的精准性至关重要。为此，无人机监测系统在进行紧急监测探查之前必须要结合数字地图对所需监测地区的地形条件进行全面的系统调查分析，合理制定无人机飞行航线，从而获得更加精准的资料[5]。

(2)选择合适的飞行模式，指引无人机按照既定航线进行飞行并完成监测任务。由于河流水文应急监测在不同地形条件、气候条件下所采用的监测模式存在显著差异，在进行飞行监测之前应通过计算机控制软件选择合适的飞行模式，从而有效简化监测流程，完成监测目标。

(3)自动控制作业监测。尽管选择了不同的飞行模式，但都必须要完成定点悬停、水流速度监测以及水流量分析等多种不同类型的任务工作模式。这些任务均有无人机系统控制自动完成。

(4)设备控制与故障处理。由于河流水文应急监测的不确定性，无人机监测系统的工作环境相对较为恶劣，这就必须要做好设备的控制工作，同时关注系统的整体运行状态，必要时要及时对相关故障进行处理，并指引无人机返航。

(5)监测数据导出与分析。无人机监测系统可以实现相关数据的自动化监测，但相关数据必须要经过软件系统的分析才能得出可以直接应用的数据。因此，还需要通过地面控制设备将相关数据传输到水文站主机之中，以便相关人员及时对相关统计数据进行处理分析。

4 无人机监测系统应用于河流水文应急监测的注意事项分析

4.1 建立合适的测流模型

无人机监测系统是基于特定数学模型来获得河流水文信息的，因此选择合适的测流模型对水文监测的精准性有直接的影响。实际上由于河流地理位置、水质等因素都存在显著差异，所采用的模型往往也存在一定差异。基于此种情况，在利用无人机系统进行监测之前需要先参考当地水文站所获得的相关水文监测资料，寻求合适的相同水面条件下的流速分布函数，如抛物线形、椭圆形以及对数型等[6]。此外，还应根据所选择的测流模型选择合适的测流位置，从而获得更精准的监测分析结果。

4.2 稳定飞行控制系统

由于无人机监测系统是基于微波雷达来进行河流水文监测的，这就使得无人机飞行要具有较高的稳定性，否则必然会导致河流速度等指标会受到无人机自身飞行速度的影响，从而产生较大的误差。一般来说在河流水文监测当中无人机飞行控制应注意以下几个阶段的控制：(1)加速/减速控制。加速与减速应尽量平稳，尽量将加速度控制在较小的范围之内；(2)爬升/下降控制。爬升与下降也应尽量平稳，既要注意通视条件，也要注意速度控制；(3)悬停控制。悬停阶段是无人机测速的重要阶段，这一阶段的稳定性控制至关重要，一般情况下应注意观察风向条件，必要时采用回转或盘旋方式来改变航向。

4.3 加强地面控制与指挥

无人机监测系统在河流水文应急监测中的应用有效提升了监测的自动化与智能化程度，但依然需要依赖于人的全面控制。因此，在具体监测过程中还必须要加强地面控制与指挥，进一步提升监测效率与精准性。具体而言地面工作人员必须要对监测的全过程进行有效动态控制，完成对无人机、任务载荷以及数据链的监视，此外还应同步完成相关操作控制[7]。

5 结 语

无人机监测系统在河流水文应急监测中的应用是一种新型河流水文监测方法，解决了传统应急监测受地形条件、水文地质条件限制大的问题，加强无人机监测系统在河流水文应急监测中的应用也是大势所趋。本文的研究对无人机水文应急监测系统的监测方案设计、流程以及注意事项等问题都进行了详细的研究与分析，旨在促进现阶段我国河流水文应急监测工作的进一步发展。