无人机在水文测验中的应用

魏海涛

近年无人机应用开始兴起，随着探索研究的深入，逐渐形成了无人机+行业应用的模式，无人机+水利应用开始出现并付诸实施。水文测验无人机是专门为水文应急监测和水文调查量身打造的水文测验利器，针对洪水时期常规应急监测方法难以执行的实际，利用无人机起飞便捷、不受地形影响的优势，加上自主研发的高精度水文河道监测设备，可较好地解决洪水期间应急监测困难问题。

1.应用优势

水文测验无人机通过搭载不同设备，不仅可进行洪水应急监测，而且能够用于无通讯时堰塞湖监测和3D模型建设。水文测验无人机通过其高精度RTK，实现自动飞行、一键测流、自动返航功能，避免灾害期间因飞行操作困难造成飞行事故，保障了应急监测中测站人员及财产安全。

2.技术原理

水文测验无人机为多旋翼无人机测流系统，按照中国民航局《轻小型无人机运行(试行)规定》，属于Ⅲ类无人机系统。

水文测验无人机测流系统通过人工遥控或根据预置测验方案采集河道水文要素及河势视频信息，包括水面宽、水位、水深、流速，所有信息通过无线方式实时回传至岸边计算机，由软件绘制流量测验现场分析图，按流速面积法计算断面流量，生成测速记载及流量计算表。

3.系统构成

水文测验无人机测流系统由多旋翼飞行器、双余度传感器、手操遥控器、雷达波测流仪、雷达测高仪、无线视频设备和无人机测流软件等设备组成，水文测验无人机测流系统需专业飞手（驾驶员）与测量员2人同时作业。

4.技术特点

一是双冗余安全保障，2套飞控系统、2套GPS和磁罗盘，有效保障飞行作业安全；二是RTKGPS定位系统，满足起点距和高程定位精度要求；三是八轴动力设计，飞行作业中出现单桨损坏、不相邻双桨损坏，可安全返航降落；四是无人机可在高海拔地区安全作业（海拔4500m环境安全平稳运行）；五是安全性高、紧急情况可一键返航、自动悬停；六是6级强风下无人机依然可正常安全起降；七是旋翼、机臂、起落架和测流设备采用快速拆解和折叠结构；八是所有部件可装入运输箱，运输箱可放入SUV汽车内，方便运输；九是整机模块化设计，快拆结构，有效降低应急处理难度；十是易操作、维护简单、经过培训即可操作（免费技术培训）；十一是友好的黑匣子功能，飞行数据自动记录；十二是飞行器可按预设航线自主完成飞行任务；十三是可在地面站“数据”页面观测当前电流值和电池消耗量，电量报警提示。

5.应用范围

5.1 无人机应用于山洪监测

山洪发生具有极大的不确定性，因此给水位的采集和灾害发生状况的测量造成极大影响。山洪灾害发生时，防汛人员需要带常规巡测设备进行水位测量和山体滑坡等地形测量，而山洪期间道路不通，常规测量难度大，水文测验无人机测流系统可以克服交通不便等不利因素，快速赶往受灾区域，利用无人机的RTK和搭载的雷达波设备，快速测出当前山洪水位。另外，水文测验无人机测流系统可搭载5p相机进行受灾区域的地形3D建模，快速获取当前受灾区域情况，包括山体滑坡情况、洪水区域等，为现场指挥人员提供及时有效的数据，为抗灾提供支持。

5.2 无人机应用于水库测量

水库、湖泊的监测主要是水位采集、面积测量、库容量。当前水库、湖泊的面积测量主要是人工测量，通过全站仪、测船、测杆等设备测出水库、湖泊面积，这种方式不仅耗费人力财力，且数据准确度不高。

水文测验无人机测流系统搭载相机进行水库、湖泊的3D实时重建，快速得到当前水库的地形以及实时面积，并可叠加到谷歌地图。此外，水文测验无人机测流系统搭载测深仪进行水库的固定断面测量，利用RTK移动站得到水库大断面数据，并在软件上实时显示。同时，无人机也可通过RTK和携带的设备测出当前水位，最后得到水库库容量。相对于人工测量水库的水位、面积，无人机更加快速便捷，极大地解放了人力、物力。

5.3 无人机应用于堰塞湖监测

堰塞湖的形成主要来自于地震或山体滑坡，堰塞湖的堵塞物不保持一成不变，会被冲刷、侵蚀、溶解等，一旦堵塞物被破坏，湖水便倾泻而下形成洪灾，极其危险，伴随次生灾害的不断出现，堰塞湖的水位可能会迅速上升，有可能导致重大洪灾，因此需要我们进行堰塞湖溃口的测量，而灾害期间，要求测量快速、准确，对此人工测量明显不符合要求。

水文测验无人机测流系统远距离进行堰塞湖溃口区域的拍摄，获得大量现场照片，在1～2h内完成堰塞湖溃口区域的3D模型。无人机测流系统数据采集无需网络，在失去地表通讯基站的情况下也可以完成作业。此外，通过溃口区域的3D模型，可快速测出溃口的宽度、溃口距大堤高度、溃口面积、堰塞湖面积等，重建出的高精度3D模型和数据有助于管理人员快速做出决策，非常高效便捷。

5.4 无人机应用于水污染监测

高效全面的获取水质信息是水污染防治工作的先决条件，水质采样工作则是获取水质信息的关键环节，目前水质采样通常采用人工采样和自动采样方式，均存在各自的局限性，人工采样效率低下，并具有一定危险性，自动采样只能在固定地点采样，不具有随机动态性。

无人机测流系统充分发挥自身作业覆盖范围广、机动性强的优势，能够满足大范围巡察的需要，同时具备无人化操作的特点能够深入危险区域代替人工工作。根据水体采样需求开发出的全新飞控更加稳定，且不同于市面上其他无人机，可携带多样品瓶水质采样器，自动采集不同点、不同深度水样。另外，汉龙无人机测流系统采用飞行方式进入作业区域，对水面环境影响非常小，适合进入船只难以到达的作业区域。

6.解决问题

目前，水文事业面临新形势、新任务，肩负重大的历史责任。洪涝灾害、干旱缺水、水污染、水土流失等问题，已经严重制约着国民经济和社会发展。新时期水利已从传统水利向现代水利、可持续发展水利转变，在这一历史转变过程中，要把水利信息化放在优先的位置。水文基础设施建设整体水平落后于经济社会发展需求，是水文建设发展过程中的突出矛盾。信息是水文决策的基础，是正确分析和判断水文形势、科学制定水文发展方案的依据。无人机低空遥感的高机动性、高分辨率等特点，使其在水文行业中的应用有着得天独厚的优势，在防汛指挥工作中，无人机测流系统可以在苛刻环境下进行测流，测量出未知断面数据河段的洪水流量及相应的发生时间，对及时确定该地区的防洪预警级别、合理实施相应的防洪预案、落实抗洪抢险具体措施、组织调度人员及防洪物资具有重要意义。