浅谈小型无人机在基层水务工作中的应用

吴丽芳 狄义刚

常熟市东南水利管理服务站

1 前言

近年来，全球气候的极端变化不仅严重影响了人们的生活和生产，而且给水利管理工作带来了巨大挑战。与水利相关领域的管理和控制受到全国和地方政府的重视，这也为无人机在水利管理工作中的利用带来了难得的发展机遇。由于其体积小，机动性强，获得低空资源的多种能力，无人机已逐渐被开发并应用于与水利有关的管理中。无人机搭载的低空遥感技术以低空无人机为载体，配备高分辨率图像采集系统、热成像系统和其他信息采集系统，以识别和揭示探测目标的几何形状、物理性质和相互关系。无人机低空遥感技术可以应用于与水利相关的业务，如防灾减灾、水动态监测、水利工程管理以及水土保持监测。本文主要以无人机低空遥感技术为指导，探讨遥感技术在水利、防洪抗旱中的应用，凸显无人机在水利建设中的推广和示范及领导意义。

2 无人机遥感技术概述

无人机是配备有各种摄像头传感器的飞机，这些摄像头传感器由无线电遥感设备和自备的程序控制设备操作。它不仅使用无人飞行技术，而且还使用许多现代技术，例如GPS 定位、无人机通信、遥测和远程控制。在自动化和专业智能技术的协助下，完成对环境、资源和其他空间的信息感知，然后完成信息数据的收集和处理建模。此外，在无人机技术中，数据处理、地面控制和空中控制是最重要的组织结构，分别承担无人机的所有功能，并可以帮助空间信息获取领域的许多工作，并完成空间信息数据的收集、处理和分析。

3 无人机系统原理与特点

3.1 实时监控能力强

无人机的最大特点是，它们可以在收集信息样本期间完成实时监控。当前，在水利行业实施监督工作中，由于卫星数据主要用于归档，因此经常出现信息和数据滞后的情况。在水利管理中，最重要的是实时决策能力。例如，在水利工程建设中，由于工作量大，必须进行全面的监测和管理工作。卫星数据采样的使用在监督和管理方面是单方面的，这将不可避免地影响管理人员在防洪抗旱方面的有效决策。但是，借助无人机技术，可以在关键河段进行实时动态拍摄，并将数据发送到管理中心，这将为水利管理者提供更科学的管理决策支持。

3.2 高清影像与精准定位的数据收集能力

无人机携带的图像采集系统可以捕获清晰的区域图像数据，并具有精确的定位功能。此外，它还可以在监视区域中对特殊目标进行全色、单波、多波和其他多角度拍摄。整个低空遥感系统具有快速响应、快速处理数据、分析和分类数据以及与其他系统进行交互的能力。对于某些复杂的地形，可以获得更清晰的图像数据，从而为后续工作提供第一手准确的信息。

3.3 灵活安全

无人机对起降点没有特殊要求，操作准备时间很短。操作和控制人员经过简单的培训即可入门，并且可以在恶劣的天气和地质条件下直接获取图像信息。

3.4 不受地域使用限制

由于无人机体积小并且可以在低空飞行，因此无人机不受地理区域的限制，并且可以在各种空间中实现数据和图像收集。此外，水利工程涉及的空间管理范围比较大，河段有很多管理段。因此，使用无人机完成信息和图像的收集也可以满足我国现阶段水利管理的基本需求。通过无人机低空遥感摄影，重点关注关键河段，可以确保水利管理中心能够完成不同时期、不同规模的水利工程管理。清晰的图像数据和实时动态信息传输将大大改善水利管理项目决策的科学性。

3.5 多种任务设备的应用拓展能力

除了无人机处理机体的低空遥感系统外，它还携带许多不同类型的小型遥感系统，例如高清摄像机、雷达系统和热成像监视器。不同类型的遥感系统可以扩展监视功能，以满足多种监视需求。它可以实现多种扩展功能，例如高清成像、红外热成像和雷达监视。

4 无人机遥感技术的水利管理应用

4.1 在灾害处置和防汛抗旱应急指挥方面

4.1.1 现场监督与取证

水是社会发展和人民生活的物质基础。因此，非常有必要加强水利管理。我国地貌特征多变，许多地区水土流失问题十分严重，影响复杂。根据不同地区的特点，使用无人机技术进行监视可以实现更好的信息和数据收集。例如，通过现场监督，可以了解当地的水土流失问题和现状特征。

4.1.2 汛情预警

无人机系统可以利用无线大区域网络提供实时的汛情信息，包括汛情评估、水毁核查、以及汛情趋势预估等信息，方便决策者做出合理的安排。

4.1.3 防灾减灾

（1）定期监测重要的水利设施，例如高风险和过旧的设施。在正常的防洪工作中，无人机可以通过高风险区域并到达交通不便的区域，全面监视水利工程的危险区域以及河道堤岸现状等。它使维护人员可以及时维修水利设施，从而减少了人工检查的时间和精力，极大地方便了水利设备的维护和检查。（2）提供客观及时的灾害信息。根据无人机的航测和遥感图像，可以直观地了解灾害的情况、强度和分布，并实时传输回指挥中心，可以准确地给出灾害现场的实时情况，避免因主观因素而做出不同意见的决策，确保能够及时有效地制定救灾指挥措施，避免救灾盲目性。（3）评估灾害损失并监督灾后重建的进度。通过比较灾难前后的图像数据，无人机遥感技术可以准确地评估和判断灾难程度，同时遥感影像也可以作为灾区灾后重建规划的基础。

4.2 水土保持监测

我国是世界上水土流失较为严重的国家之一，而水土保持是水利工程的一个重要功能。利用无人机技术定量研究水土流失，可以完成水土保持研究。由于土壤侵蚀的复杂原因和过程，会受到各种自然环境和人为因素的影响。无人机系统能够实时监测区域水域内水土流失的强度和影响范围，实现控制效果的实时动态监测，主要包括区域地形、自然植被、气候条件、工程项目用土量，以及建设项目对土壤侵蚀造成的周围和下游环境的影响。相比传统方法而言，无人机系统减少了人员工作量和资金投入，不仅提高了信息的实时性和准确性，也提高了水土流失治理策略的针对性和有效性。

4.3 水环境监测

近年来，水污染变得越来越严重。目前，我国的水质监测主要依靠人工监测和无人船监测。手动监控需要现场采样，这需要很长时间，并且会消耗大量的人力和物力。基于无人机技术的水质监测能够有效弥补传统技术方法的缺陷，为水质监测的效率和精度做出贡献，提高水质监测的信息水平，最终实现水质监测的自动化和信息化。

4.3.1 水质抽样检测

过去，水质测试是人工进行的。划船到湖中去取水样，不仅花费大量的人力和物力，而且费时、工作效率低。多旋翼无人机具有良好的稳定性和机动性，定位准确，起降灵活，安全性高。它可以配置一个水容器和一个抽水装置，并根据匹配的位置信息飞到湖泊的中心，在湖泊上方两米的空中取水。这样有利于节约成本，而且工作效率高，可以迅速及时地发现湖泊水质问题。

4.3.2 水域环境动态监测

利用无人机技术对水域进行动态监测，可以发现范围内水域的变化，并通过水域的基本数据建立水情调查和水务统计等管理系统，逐步实现水利管理信息化，满足经济发展和水资源管理的需求。利用水域动态监测结果来建立水域变化和非法水域占用数据，为水利管理提供依据。

4.4 水域动态监测的应用

随着自然经济发展，以前收集的许多水务系统数据和流域状况已无法准确反映水系现状。使用无人机遥感技术重新监控和收集当前水域的数据，可以快速、准确、方便地监控流域状况，节省大量的人力和物力。无人机遥感技术用于更新现有水域数据，通过后续数据处理，全面测量水域使用情况和边界划分等，以生成数字图像水域地形图。建立一定辖区范围内的联合控制体系，建立有效地河流类型、面积、水量、河道所有权信息的共享机制，以实现水域的动态监测数据库和管理体系的建立。此外，有必要监测河堤变化以及非法占用水域等情况，以提供有效地图像数据，增强河流水域的安全健康发展。

4.4.1 水流流速检测

无人机可以配备流量计以测量水体的流速。当无人驾驶飞机飞过水面时，把流量计带到水面以下约三米的深度以测量水体的流速，并将测量的数据存储在流速仪中。几分钟后测量数据逐渐稳定后无人机就可飞回，地面人员可以通过存储的数据进行检查。

4.4.2 河底地形勘测

配备声呐检测设备的无人机可以快速到达指定位置进行水下地形的扫描，能够更好地了解水下地形和结构的相对位置。测量的最大水深可达100m，最大宽度为300m。

4.5 遥感测绘

由于现有的普通航空摄影缺乏灵活性，难以在云下获取图像；卫星遥感的时效性不高，并且分辨率低，不能满足重复测量或监视水利工程的要求。无人机具备遥感飞行能力，机身上装有数据遥感装置和一体化数据处理分析系统用作技术支持，并且集成了“3S”技术以满足对监测水体的实时观测和即时数据分析。经过初步检查和测试，可以根据项目需要获取大范围的航拍图像数据，并可以完成数字化高程模型图和数字正射影像图，为项目建设提供必要的信息。

另外，使用无人机遥感手段，把水务工程区域内不同时期的监测影像做假色合成处理，可以获取该时期中水体的淹没规模、水流方向和流度；使用红外波段的水域辐射不同于其他地面物体的辐射，因此适合的红外波段辐射处理能够确定监测水域的水体阈值，以此阈值范围来定义监测流域中的水体和非水体，阈值在该范围内为水体，高于此阈值的即为非水体。根据这一理论，能够推断出水务工程区内一系列水文特点，为水利项目的落实以及推广创造合理基础。

5 结语

随着无人机航测技术的发展，航测结果的高分辨率和良好效果的优势将越来越明显，使用高分辨率的数码相机进行快速制图将成为现实。如使用视频拍摄设备实时收集并返回实时图像数据；在多云和大雾的天气中使用合成孔径雷达设备获取高分辨率图像等。无人机航测技术在水务领域具有广阔的应用前景，将被广泛快速地使用。