基于无人机技术的防汛抗旱减灾应用探讨

曾令炜 李 睿 刘 强

近年来，无人机因其机动性好、应用成本低、拍摄范围广以及数据实时性强等特点，已广泛应用到许多研究领域。当自然灾害发生时，如山洪、洪水和泥石流等，传统通信网络将会受到严重损坏，造成通信中断，由于受灾现场环境通常十分恶劣，勘测人员无法轻易到达重灾区，现场灾情的数据信息获取困难，给应急救援带来极大阻碍。为提高防汛抗旱减灾工作效率、信息搜集质量和抢险救灾成功率，更好地解决灾害环境下通信系统快速恢复的问题，本文在梳理我国民用无人机技术和应用特点的基础上，探究无人机技术在防汛抗旱减灾工作中空中遥感图像信息采集和应急通信保障两个领域的优势特点和应用前景，以期对水利信息化、智能化发展，以及防汛抗旱减灾工作中的通信保障和科学决策提供借鉴。

一、无人机技术的应用特点

无人机是无人驾驶飞机的简称，英文缩写为“UAV”，通过搭载不同种类的设备，以完成不同种类的飞行目标任务。根据不同的平台结构，无人机一般分为三种类型：一种是固定翼无人机，一种是无人直升机，还有一种是多旋翼无人机。固定翼无人机起降时，必须在动力系统的作用下通过滑行跑道进行。固定翼无人机载荷大，飞行速度快，续航能力强，飞行效率高，但不能悬停。无人直升机和多旋翼无人机几乎对起降场地没有要求，可垂直起降和定点悬停，缺点是耗电量大、飞行效率稍低。多旋翼型无人机相比于无人直升机，其结构相对简单，操作上容易上手，运行相对稳定，并且成本较低。本文主要以多旋翼无人机作为飞行平台进行研究和分析。

多旋翼无人机本身具有低成本、携带方便、易于控制和机动灵活等特点，通过搭载不同种类的采集和传输设备，可以完成不同类型的任务。在防汛抗旱减灾应用方面，多旋翼无人机低空摄影系统具有成本低、操作方便的特点，对操作者的训练周期短，且系统易于保养和维护，可为防汛抗旱减灾工作节省大量人力物力。

（1）机动灵活、安全性高。多旋翼无人机具有机动灵活的特点，不需要特殊的机场着陆，它可以在阴天、低雾等环境下获得合格的图像，从而可以将大量的野外作业转移到室内，不仅能够降低劳动强度，提高作业效率和精度，又能增加操作人员的安全性，即使出现了故障，也可最大限度地避免人员伤亡，具有较高的安全性。其机动灵活和安全的特点符合防汛抗旱减灾对突发性事件的处置要求。

（2）航拍图像分辨率高、实时性好。多旋翼无人机通过携带高精度数字成像设备获取的地面图像具有清晰度高的优点，并且可实时传输航测数据和现场情况，有利于防汛抗旱减灾的及时决策。

（3）兼容性、扩展性好。航拍所获取的素材资源经过其他软件的处理之后，不仅可以进行多个图像的合成和三维立体建模等多项操作，还能够根据特定需求，进一步拓展功能。

二、无人机技术在防汛抗旱减灾中的应用

图1 无人机与应急卫星通信系统的协同配合组网图

1.遥感图像信息采集

水利管理部门的工作重点之一是防汛抗旱。实时、快速、高分辨率的图像数据将直接关系到防汛抗旱的正确决策，也关系到人民生命财产的安全和损失程度。同时，水利相关的项目通常环境较复杂、交通不方便，传统的工作方法效率偏低，具有一定的危险性。利用多旋翼无人机在指定区域进行遥感图像信息采集，可以克服远距离和人员不足等不利因素，快速到达指定区域，对蓄滞洪区地形、地貌，水库、堤防危险断面进行快速观测，快速获取大量清晰易读的遥感图像数据，提高现场勘查效率，为水利管理部门的防汛抗旱决策提供支持。无人机遥感图像在防汛抗旱减灾中的应用包括：

（1）检查重点水利设施。在常规防汛工作中，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，使维修人员能够及时了解水利设施的状态和情况，大大方便了施工，简化了水利设施的维护和检查。

（2）提高预警监测水平。在测量区域航空正射影像数据的基础上，利用相关的图像处理软件，生成DOM和DEM数据，建立相关的减灾救灾预警数据库，通过数据的对比分析，有利于提高灾害预警的准确性。

（3）评估灾害的损失。利用无人机遥感图像获取灾害前后的影像数据，并进行对比分析，可以对灾害情况进行准确的评估和判断。

（4）提供实时灾害信息。与现有通信网络配合使用，能够实时回传航空遥感图像，指挥中心可以直观地了解洪、涝、旱灾的情况、强度和分布，为减灾和救灾提供科学依据，避免灾害救助的盲目性。无人机遥感图像与应急卫星通信系统的协同配合应用组网方式见图1。

图2 无线传播通视距离示意图

表1 不同天线高度下通视距离

图3 系留式多旋翼无人机应急通信保障组网图

图4 系留式多旋翼无人机应急通信保障（中继方式）组网图

无人机采集的图像数据通过无线的方式实时传输至地面遥控站，地面遥控站通过线缆将数据接入现场指挥部，再经过原有的车载卫星通信系统传回后方指挥中心。指挥人员可根据航拍图像多角度、立体式实时观测现场情况，提升了应急指挥的科技水平。

相比于传统的技术人员携带单兵及摄像设备进行图像的采集和传输，无人机的应用不仅有效解决了技术人员受到山丘、河流、乱石等环境条件限制活动范围的问题，明显拓展了险情现场图像采集的范围，而且还保障了救援人员的安全，通过航拍的形式，能够极大限度地避免可能存在危险的地带，这对于争分夺秒的抢险救灾工作来说，意义重大。

2.应急通信网络保障

无线电波可以看作是线性传播，受地球表面曲率的影响，无线电波的传输距离受视距影响。天线的高度是影响无线通信覆盖范围的一个重要因素，尤其是在地形复杂的环境中，如山地、城市和密集森林，天线的高度将直接影响通信质量。通过提高天线高度，可以提高和改善无线通信的覆盖范围和通信质量。天线高度的提升可以减少地形对无线电波传输的影响，甚至可以改善超视距通信，显著提高通信链路的质量。利用空中平台携带通信设备在任务区域空中建立范围更大、更加可靠的通信覆盖，这是一个理论上可行的解决方案。无线传播通视距离示意图见图2。

如图2所示，地球半径为R0，两个无线通信设备在A点、B点的高度分别为H1和H2，可以通过勾股定理的计算得出A、B两点通视传输距离D 约为。因此，在不考虑其他因素影响的理想环境中，一侧无线通信设备天线高度H2维持不变时，随着另一侧无线通信设备天线高度H1的升高，两个无线通信设备之间的通信距离得到延伸。不同天线高度下的通视距离如表1所示。

系留式多旋翼无人机有着自动化程度高、可快速部署、操作使用方便、起降环境要求低等特点，通过系留式电缆从地面供电，其续航时间一般不低于8h（如气象条件允许，可长期飞行），且有效载荷不小于10kg，有效飞行高度通常在100m左右。

因此，当通信基础设施受到损坏，以系留式多旋翼无人机为升空平台搭载无线基站设备及发射天线，能够实现更大覆盖范围内快速、可靠的宽带通信，在突发自然灾害的环境中突显其应急通信能力。系留式多旋翼无人机应急通信保障的组网方式如图3所示。

通信指挥车作为地面基站通过有线光缆与系留式多旋翼无人机连接，再通过机载发射天线在空中接收单兵和无线智能终端等设备的数据，快速建立大区域覆盖的无线应急通信网络。如果需要传输覆盖的区域更远，可在空中架设无人机基站作为信号中继，通过空中接力实现更远距离、更大范围的信号传输和应急通信网络的覆盖，见图4。

在救援现场参与无线空中组网时，由于受覆盖范围、地理环境及天气条件等自然因素影响较大，应根据现场情况，灵活选择组网模式，力争采用最快捷方便的方式组建通信网络，做好通信保障。

三、结论与展望

无人机技术以其机动灵活、效率高、成本低、可多角度拍摄高分辨率图像的独特优势，在防汛抗旱工作中，弥补了以往人员消耗大、运行周期长、时效性差、保证率低的缺点，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、遥感、遥控、遥测、计算机和通信等技术的不断发展和成熟，无人机在防汛抗旱减灾、水文水资源监测、水土保持监测、河道监测与监管、水利工程监测等水利各个领域的应用会更加广泛，在水利现代化、信息化、智能化工作中将会提供更加强大和完善的技术支撑■