无人机在水利防汛和河湖治理方面的应用

郭关山

（陕西江河水利工程维修养护有限公司,陕西 渭南 714100）

传统模式下,在中小河流防汛和河湖治理中,往往依靠单一模式进行实地探测,受地形环境影响,部分地区阶段性工作无法实现实时监看,开展实地探测消耗大量人力、财力物力。在防汛过程中,河湖流向掌握停留于局部,全面化、时效化、数字化信息同步不及时,对工作开展造成一定影响。近年来,随着社会科技水平的不断提升,无人机技术被广泛应用到各行各业,从发展趋势和实地效果来看,无人机操作性灵活、机动范围广、不受地形地势影响、监看区域大等特点,对水利防汛和河湖治理起到助推作用。在近两年陕西省开展河湖明察暗访过程中,无人机应用对河湖问题查处、督查督办、过程跟踪、成效捕捉做出重要贡献。虽然无人机技术应用便捷、成本低,但也要求操作使用者在工作过程中必须对关键技术进行了解掌握,利用好无人机特性达到理想效果。

1 无人机基本技术概念和特点

无人机在水利行业如何实现空中数字化？在使用中,无人机利用GPS定位系统、避障系统、红外温控模组、航摄飞行平台、数据采集模块、存储及缓存终端进行运转,通过无线电遥控装置或者机载计算机程序进行远程操作,利用云平台实时回传数据,打破地域限制,可指挥中心远程指导,全盘布局。目前市面上民用无人机（固定翼、多旋翼）基本具备以上功能,部分品牌无人机可利用云平台进行高效存储、地形构建等操作,实现对数据的建设、管理和共享,为水利行业人员提供数据参考[1]。其主要特点体现在以下几个方面：（1）具有较低的操作成本；（2）具备较高的拍摄及测量测绘精度；（3）具有较好的避障能力和安全灵活性；（4）具有较强的扩展和兼容能力。

2 无人机技术在当前水利行业应用的优势

2.1 较高的时效性和性价比

相对于传统巡河及河湖监测手段,无人机优势在于可段时间高效完成作业任务,且执行成本低,重复使用率高,效率突出。一般民用无人机几千元不等,即可实现高分辨率图传、越障碍飞行,搭载不同焦段镜头,可操作性更高。

2.2 安全性和灵活性更强

无人机同其他载人飞机、皮划艇及复杂地形河势资料收集相比,不需要指定降落地和起始点,能够第一时间快速响应作业需要,触达速度快,防水无人机在恶劣天气也可执行任务。受地形影像较小,降低人员风险,提高业务应用的安全性。

2.3 信息支撑能力和云计算能力突出

无人机借助各类传感设施,实时传回现场画面,更可对重点区域进行全景标注、二维、三维建模,比对河流前后发展情况,为水利防汛、河湖治理等指挥决策提供有效的数据支撑。工业级无人机利用AI测算,高效预估水情变化,为防汛人员提供数据参考[2]。

3 无人机在水利防汛和河湖治理的应用场景

3.1 巡河建图,构筑水资源空中数字化

面对河道、坝体等面积广阔、地形复杂的水利巡查对象,巡护人员可以借助无人机（如经纬M30系列）快速获取态势情况,记录河道及滩区关键点位的全景信息,相比于传统人巡作业方式,作业效率提升了三倍以上。同时,无人机在夜间利用红外相机,可清晰获取河道安全状况,不仅效率成倍提升,人员安全也得到充分保障。无人机获取的影像可借助云平台进行快速同步防汛指挥中心随时随地开展汛情研判。基于二维正射模型可以制作电子指战图,助力指挥中心合理部署应急救援力量。基于三维实景模型,还可提前预判洪水冲击方向、易受灾区域、测算圩堤内外的水位差值、进行淹没分析等,协助风险评估,撤离路线标注。更可利用大数据平台、经纬定位、海拔地形信息构建数字化水域岸线平台,为水利业务工作提供重要数据支撑。

3.2 水利防汛和应急抢险

在汛期,需要实时防范有无漫堤风险,可运用无人机在空中快速排查堤坝工程情况,检查防汛物资是否完好,对比不同时期时段影像,高效处置险情,一线巡查人员可2小时完成十多公里的滩区工程巡护任务。在汛情突发区域,无人机可以高效机动,灵活协助水文部门测量水体流速、流量,帮助评估汛情状况,辅助防汛指挥决策。部分区域防汛工作时间长、面积广,传统人工徒步巡检效率低,且存在较大的安全风险,无人机利用其轻巧便携的特点能够轻松应对多区域转场作业的场景,同时,高质量远距离图传也为抵近侦察、大范围巡检提供了技术支撑,从而实现险情及时发现、及时处置。汛情期间,无人机还可快速建立重点区域二维正射影像,帮助防汛人员进行前、中、后期汛情摸清比对,配合卫星摇杆影像监测水利工程运行情况及河势变化。汛期经常伴随降雨,拥有IP55防水的无人机在雨天依然可以开展相关工作。在搜救过程中,作业人员可利用无人机精确研判、排查被困人员,利用牵引绳紧急跨河、跨江布放光缆,快速完成传输及基站任务,第一时间帮助解救被困人员。汛情期间,水位持续上升,流速加快,对湖堤构筑、土基等会产生较大冲击,因此汛情期间对于堤坝的巡检是十分重要的,相比传统人工巡检,无人机具备视角灵活、航速较快、全天候作业、航线复飞等优势,能够对重点区域进行多次、多角度巡检。

3.3 工业级无人机的应急维修作业

伴随着新媒体的推广及5G、AI相关技术的不断发展,无人机功能更加丰富、操作性能日益增强。伴随着工业级无人机的出现,为水利防汛应急通讯保障带来了新的策略思路。一方面,作业人员可利用无人机,从空中更大范围的对受损水文设施进行巡检和处理,这不仅能提升传统维修效率和准确度,更能降低对人力的依赖成本。参与防汛搜救的无人机,具有长航时、远距离、大载量、大范围高空巡查能力,可随时应对各类突发情况。部分工业级无人机具备对高海拔、高温、严寒等恶劣天气的应对能力,进一步扩大了无人机水利防汛的应用范围。

3.4 协同搜救及隔空对话

无人机不受地面和水下障碍物的限制,降低了冲锋舟搜索遇险的风险。在救援中,对于人力无法迅速到达救援的地方,利用无人机可携带救生设备或救灾物资,进行可视投送,并可实时回传图像到指挥部,实现应急救灾物资或救援装具的精确投放, 为被困人员争取等待救援时间。在2023年8月上旬河北暴雨造成的城市内涝、河流水位上涨、汛情危机时刻,无人机救援为人民群众挽回生机。面临内涝严重的涿州市,城市路面受阻严重,通讯中断,紧急救援队伍及时运用无人机在半空中搜索受困工作人员的详细位置。在定位具体的受困工作人员的具体位置后,运用无人机的高音喇叭将紧急救援的方式通知受困工作人员,并与受困工作人员深入开展即时隔空对话,这对快捷稳定局势,抚慰受困工作人员的心情有良好意义。在夜间利用无人机搜救被困群众时,还可以搭载探照灯给救援人员进行指引和辅助照明,不受地形的限制,提供移动的光源；夜间发现管涌、溃堤等险情时,临时搭建输电线路效率低,特殊地区受地形限制,地面光源受限,可以利用无人机搭载照明设备为抢险救援人员提供高空应急光源。

3.5 河湖治理及动态巡检

河湖治理方面,可利用无人机进行自动河道巡检,从传统高成本低效率发展成高效智能化。自2018年来,水利部对河湖四乱问题开展集中整治,一批长期侵占破坏河湖问题得到彻底解决,被非法侵占破坏的水域岸线、滩地植被、生态环境逐步得到修复,河湖行洪和蓄洪能力得到大幅提高,水环境、水资源、水生态状况持续向好。2023年陕西评选出15条幸福河湖,生态文明建设成果突出,无人机的数据应用起到一定作用。小组人员利用无人机对乱建（庵棚、临时场地、违建房屋）、乱占（围圩养殖、围网养殖、阻水林木）、乱堆（建筑垃圾、倾倒淤泥）、乱采（违法采砂）可进行自动化取证、自动化派发、自动化上传,远程控制拍照录像,对取证记录、飞行资料进行留档,实现数据实时、精准决策。

3.6 山洪灾害评估调查

山洪灾害的调查研究对开展水域保护、生态治理具有重要的意义,以人工探测的方式,具有极大的局限性。以渭南市华州区为例,其南依秦岭、北临渭河,华州区南部地区受南山支流影响,山洪灾害高发,每年汛期前后需开展多次的灾害评估和调查研究[3]。在此情况下,可利用无人机航测系统,完成对象区域的地形、地貌等地理信息的收集,利用大数据对比,快速评估灾害发生概率,对灾害应对、受灾救援等工作提供高效的技术指导。

4 结语

综上,无人机已在河湖巡查、渔政执法、水利防汛、河道确权、山洪灾害探测、值守巡检等方面得到广泛应用,且对比传统技术具有较大优势,在未来将和水利行业已有的业务信息系统深度结合,尝试应用于极端天气条件下的防灾减灾工作,守好绿水青山和生态文明,水资源空中数字化和无人机技术将得到广泛应用。