无人机技术在沂沭泗水利工作中的应用与前景

阚向楠 张大鹏 温佳文

（沂沭泗水利管理局水文局（信息中心） 徐州 221000）

近年来，无人机技术发展迅速。由于其机动性和灵活性强，无人机技术已在各行各业取得了较为突出的应用，尤其在交通管理、农林植保、电力巡线、安防应急、航拍航测等领域。在水利领域采用无人机技术，可以及时获取常规监视手段无法获取的灾情信息，从不同角度了解灾害的发生发展情况并及时制定相对的对策，为水利现代化发展提供更加完善的技术支持。本文主要以多旋翼无人机作为飞行平台进行应用分析。

1 多旋翼无人机技术特点

多旋翼无人机作为应用最为广泛的无人机，相对于其他种类的无人机，应用于水利行业具有以下主要优势：

（1）机动性强。目前先进的多旋翼无人机可以达到140km/h 的速度，百公里加速仅需2s，可以在7s 之内上升到100m 高空，进行空中作业不受地形限制，同时对起降条件的要求较低，只需要一个相对较小的平面例如石墩、车顶就可以作为起降平台。根据操作员所处空间环境和磁场条件不同，可覆盖半径3~10km 高度达500m 的监测区域，并且在车船等移动平台上，操作员作为中心还可以将此覆盖面积无限延伸。

（2）安全性高。多旋翼无人机可以在阴天、低雾等环境下升空作业，采集大量监测数据，尤其在水旱灾害现场，操作人员可以选择较为安全的区域对无人机进行操控，最大限度保障了人身安全，即使无人机故障，也可最大限度地避免人员伤亡，降低损失，具有较高的安全性。

（3）采集数据多样化。多旋翼无人机主要通过携带高清影像采集设备采集地面图像，并且可以实时传输现场情况，有利于防汛抗旱减灾的及时决策。通过搭载一体式多光谱成像系统、热成像传感器、环扫毫米波雷达、RTK（Real—time kinematic，实时动态）模块、探照灯、喊话器等不同功能模块及设备可以实现不同应用场景的多样化数据采集传输，能够应对各种复杂困难局面。

2 无人机技术在沂沭泗局的应用现状

2.1 在水旱灾害防御中的应用

近年来，沂沭泗流域暴雨洪水频发，2018年防御台风“温比亚”，2019年防御台风“利奇马”，2020年防御“8·14”大洪水，在汛情严重时，可使用无人机携带可见光感相机对洪涝灾区的环境进行勘探检测，尤其在2020年防御“8·14”大洪水过程中，水位暴涨导致多条公路被淹，车辆难以通行，此时无人机充当了防汛指挥系统的“千里眼”，将前方洪灾实时情况传输到沂沭泗局防汛指挥调度中心，为防汛决策指挥提供有力支撑。

2.2 在水利工程管理中的应用

保障防洪工程安全运行是防汛工作的重要工作内容之一。利用无人机挂载光感相机、热成像相机等设备，可有效代替人工巡查防洪工程，既能从高空大范围视野角度进行全面巡查，又能留下大量影像资料，同时利用历史影像资料科学对比，能有效监测险情发生的动态过程，不仅可以减少人力成本、提高巡堤效率，又能降低巡查人员的危险性。

2.3 在水行政执法中的应用

无人机系统不仅可以收集信息和进行监管，还可以持续跟踪事件的发展情况，辅助指挥决策部门进行不间断的信息搜集。无人机部署迅速，无视地形影响，可以在第一时间到达事件发生地，迅速展开信息采集，便于追踪突发事件和掌握事件的态势。在夜间水行政执法过程中，无人机通过搭载热成像传感器，能够在夜间没有任何照明设施辅助的情况下，及时发现非法采砂犯罪活动并进行实时跟踪，为水行政执法全过程记录提供有力技术支撑。

2.4 在河（湖）长信息化管理中的应用

在常态化河（湖）巡查任务中，无人机具有高清图像实时传输、深入危险区域实时监测、机动性强等优点。能够将河湖高清影像适时导入管理信息平台，对河湖岸线情况、乱占、乱采、乱堆、乱建、非法排污等实现精准监测和记录，有效提升巡河湖效率，助力河道基础数据、工程建设情况、岸线管护成效数字化管理，为智慧河湖筑牢基础。

2.5 在水利安全生产中的应用

在常规检查工作中，多旋翼无人机可以通过高危险区，监测年久的堤坝、堤防、水库和堤防险段，无需专业攀登人员即可对防汛铁塔挂载设备和锈蚀情况实时监控，使管理人员能够及时了解水利设施的运行情况，极大方便了施工，简化了水利设施的检查维护工作。

3 无人机技术应用中存在的问题

3.1 续航时间不足

现有旋翼无人机在储电技术没有根本性变革的前提下，电池储能密度提升空间不大，增加电池数量或单个重量的同时，也会增加机身重量，从而导致功耗的提升。目前各行各业所采用的无人机续航时间基本在20~30min，对于河湖岸线较长、监测区域较广的工作需要反复起降更换电池，增加往返次数，浪费了有效飞行时间。

3.2 在恶劣环境条件下的操控距离有待加强

目前用于无人机遥控器主流的无线电频率是2.4G，无线电波在传输过程中可能受到干扰或是数据丢失等问题，因此在高压线附近、目视线遮蔽、强磁场环境等情况下，无人机的有效飞行距离会受到较大限制。

3.3 搭载重量不能满足行业需求

现有高性能无人机搭载重量在40~60kg 之间，能够搭载大量外部设备，在农药喷洒、快递配送等高负重情况下能够较好完成分型任务。但水旱灾害防御有其特殊性，例如在洪水行进过程中，现阶段无人机的性能还不足以搭载走航式ADCP（声学多普勒流速剖面仪）进行测流。

3.4 现有操作人员不足

目前沂沭泗局下属基层局直属局部分配备了无人机设备，但是缺乏专业的操作人员，现有大部分操作人员未取得相应资格证明。未经过专业培训的操作人员在无人机设备操控的过程中容易造成碰撞、落水、坠机甚至人身伤害等事故的发生，存在安全隐患。

4 无人机在沂沭泗流域的应用展望

4.1 无人化空中自动巡检系统

无人化空中自动巡检系统是由无人机平台、机库平台、外部智能气象站、云端平台构成的智能立体化巡检平台。具备自主起飞，智能巡检，自动、手动飞行模式无缝切换，精准回巢，远程控制，快速充电复飞，视频实时回传，系统智能分析等诸多功能，真正做到了无人值守、自主充电、远程监控、无人数据处理、全自主飞行作业。将无人机机巢部署在移动平台和重点监控地段即可实现定点定期巡航监视，操作人员也在指挥中心远程操控复数无人机进行实时信息采集和编队作业，进一步提高应急响应速度，助力沂沭泗智慧水利发展。

4.2 无人机智能集群控制技术

无人机智能集群指的是在大数据、人工智能、数据链整合以及云计算的基础上，同时发射数十架乃至数百架无人机进行集群化指挥，并在智能分工的情况下，无人机自行进行精准编队、精确分工，同时执行多种任务的集群化智能作业方式。通过集群化无人机编队可以进一步克服无人机搭载重量、视角覆盖范围、通讯保障等问题，形成流域水系智能化监控。

5 结语

无人机技术以其机动性强、安全性高、数据采集多样化、实时高清图像传输等独特优势，在水利工作中，弥补了遥感系统与地面感知平台之间的盲区，有助于创新防汛抗旱减灾的工作方式，提高工作效率。随着无人机技术、卫星遥感、5G 通信、人工智能、大数据等技术的不断发展和成熟，无人机在水旱灾害防御、水文水资源监测、水土保持、河湖监管、水利工程运行管理等水利行业的各个领域的应用会更加广泛，在水利现代化、信息化、智能化工作中将会承担越来越重要的角色