无人机在水文测验中的应用

张飞 曾文

1. 江西省水文监测中心 江西 南昌 330002；2. 修河水文水资源监测中心 江西 南昌 330002

引言

随着无人机应用空间的持续拓展，在不断的应用实践和深入研究中，我国的无人机技术也在不断地创新升级和优化发展，而今我国水利领域也积极顺应时代发展形势，进行了先进科学技术的合理引进和应用，因此无人机+水利应用模式应运而生，经实践发现，在发生水害期间，利用水文监测无人机开展水文应急监测和水文调查，会收到前所未有的理想效果，深入研究无人机在水文测验中的具体应用，探索无人机水文测流系统优化措施，有利于促进无人机技术应用在我国水利领域的进一步发展[1]。

1 无人机技术概况

中国科技近年来取得了巨大飞跃，在无人机领域取得了突破性进展，尤其是民用无人机方面在世界范围内处于领先地位。它的民用用途主要表现在政府层面的公共服务事务，占到总功能的八成。虽然中国的民用无人机研发应用已经大幅领先，在科技人员的不断努力下，近几年在民用和工业领域的发展更是速度惊人，在世界范围内的权重无可替代，可以说处于领跑者地位，行业最杰出的代表就是大疆无人机，在激烈的国际市场竞争中占尽优势[2]。

1.1 技术原理

民用无人机用于水文测验的机型大多数属于旋翼机，参照国家权威机构发布的相关标准可以界定为无人机系统的第三类型。民用无人机用于水文测验的实施方式有两种，一是测验全程由人工遥控，二是提前对无人机进行测验工作的技术设置。上述两种方法都可实现对江河湖海等水体水文方面的数据采集，包括水系深度、水位数据、水面宽度以及水流速度等相关信息，也可以可视化直观地呈现水系统的走势，无人机测量完成后向处理系统无线传输，处理系统绘出测验区域的形势图，实现对水系断面流量的精准计算，完成流速测量记录并生成流量计算图表。

1.2 系统构成

用于水文测验的民用旋翼无人机技术系统的构成部分包括多旋翼形式的飞行器、手动操作的遥控器、双余度传感器、雷达测高仪、测验软件、无线视频以及雷达波测验仪器等等，现场测验作业须2人同步完成，一个是专业飞行员，一个是测量作业人员。

1.3 技术特点

用于水文测验的无人机具有以下技术特点[3-4]：一是双冗余安全保障，无人机系统内部分别有两套全球定位系统和飞行控制系统以及磁罗盘，无论飞行还是测量都有安全保障；二是实时差分全球定位系统，对高程定位以及起点距的测量作业均可实现高精度完成；三是无人机构造设计中的八轴动力形式，可确保无人机损坏单桨以及未紧挨的双桨情况下不影响返航和降落的安全稳定性；四是即使测验作业区域海拔达到4500m，无人机的飞行安全仍然有充分保障；五是无人机的一键返航功能可确保出现危急时刻情况下飞行安全和自动悬停；六是无人机可确保风力6级恶劣天气正常起降；七是无人机包括起落架，机翼、机臂以及测验仪器在内的构件折叠或拆解方便快捷；八是无人机全部构件可实现运输箱放置，普通SUV汽车就可实现快捷运输；九是无人机的整机结构采用的设计方式为模块化且可迅速拆装，非常便于应急处理；十是操作维护简便易行，简单技术培训后即可上手；十一是飞机黑匣子可实现飞行数据的全程自动记录；十二是技术人员可提前对无人机进行飞行设置，飞机即可自主飞行；十三是无人机电量设有预警设置，地基站工作人员可对电流电量消耗在线监测。

2 无人机在水文测验中的应用

2.1 山洪监测

山洪多发于山区溪沟，来势快、涨势猛、危害大，同时极具不确定性，采集水位数据以及监测实时灾况难度极高，以往工作人员须深入灾害一线测量水位数据，排查人员转移情况和人员围困情况，这种常规做法非常危险且不易完成，把无人机用于山洪测量就可规避危险因素，可以最快速度抵达灾害现场，由雷达波和实时差分等仪器设备完成水位实时测量，系统配备的高清先进影像设备可迅速完成现场地形的模型构建，精准获得当前灾害程度，为现场抢险救灾提供准确的参考数据。

2.2 水库测量

湖泊或水库的监测任务主要包括水面面积、水位以及地形的数据采集，常规测量方式是采用全站仪，测量作业船只和标杆等人工完成，需要投入大量人力物力和时间才能完成，并且所得结果还无法保证准确度[5]。而无人机用于水文测验作业就可实时就湖泊或水库由系统相机快速实现现场实况模型构建，面积数据和地形情况立刻一目了然，同时精准测量实时水位，由此得出水库当前水量，这种测量方式快捷高效，还可大量节省各种资源。

2.3 堰塞湖监测

山体滑坡或地震等严重地质灾害极易给山区造成堰塞湖，堰塞湖一旦形成非常危险，它结构稳定性极差，受到冲刷或溶蚀极易顷刻瓦解，泥石流顺势而下造成严重的次生灾害，而且这种灾害具有持续性，一旦上游灾害天气带来的影响呈现连续性而抬升堰塞湖水位，严重洪涝灾害的发生几乎不可避免，这就是对堰塞湖进行实时监测的必要性和迫切性，而灾害天气和地质条件需要快速精准的测量数据，人工作业完全不具备可行性。

利用无人机水文测验方式可圆满解决这种困难，机体可实现远程测流拍摄任务，堰塞湖现场实况以照片形式被大量获取，灾害区域的模型构建据此生成只需一两个小时，这种作业不依赖网络和地面基站，现场指挥和技术人员可利用模型对堰塞湖及其裂口进行全方位数据测算，决策部门据此完成救援方针部署，为抗洪救灾赢得宝贵时间[6]。

2.4 水污染监测

要实现水污染情况的高效治理，须获得污染现场水体的全面信息，需要通过关键的水质采样才能达到目的，常规的水质采样作业有人工和自动两种，人工采样危险且低效，自动采样需固定位置，机动性差，两种方式局限性都不小。

利用无人机配置的测流系统就可实现轻松采样，它有广阔的覆盖面，强力的机动性，可实现大区域巡查且省略人工操作，即使有危险因素也能正常作业，目前已有针对水质采样作业开发的性能优良的专用无人机，与普通无人机有很大区别，它搭载的水质采样仪器可同时携带多个品质的采样瓶，区域和深度各异的水质采样均可自动完成，还有一种特制无人机，可借助飞行抵达作业水面，几乎不影响周围环境，可替代作业船只实施采样。

3 无人机在水文测验中应用的案例

3.1 无人机测验系统在黑龙江干流中游段水文监测中的应用

前文所述，用于水文测验的无人机多为旋翼式，它可搭载的测流设备是非接触式雷达多普勒仪器以及激光扫描仪器，由它们完成水文数据的采集作业，提前对无人机进行测验断面航线的设置，无人机依据设置的距离以近30m高度悬停且实施测验作业到设置航线完毕返航[7]。即使水系处于畅流期，无人机也可实施采样和测沙，比传统测量采样作业在作业成本方面实现了大幅压缩，工作质量和效率有了长足进步，这种方法也可以用于有较大洪水时的测量采样作业。开江和封江的关键节点，无人机可用于监测流冰密度，对上游和下游冰汛也可做到快速机动监测，让汛情预报更准确。

3.2 优化建议与效果

本文涉及的工业用无人机型能在8m/s的最大风速环境下正常作业，作业区域所在的河段水面较宽，在大风大浪天气无法实现测验断面的悬停和飞行测验，能否长时间续航存疑，研究结论认为，无人机测验作业天气风力不宜超过5级，且备用电池须准备充足，还需向当地部门咨询飞行限制，如有必要须提前报备。

4 无人机在水文测验中的应用问题及对策

4.1 无人机水文测流系统存在的问题

无人机用于水系的水文测流，需要严格验证测量效果，以闽江江段的水文监测为例，设置了多个水文监测点位，经同步无人机水文测流后对所得数据进行比对，对江面的表面江水流速进行测量，测量仪器为声学多普勒测速仪和手持雷达，比对结果显示无人机测流的难题如下：①抗振防抖能力不够：无人机用于水文测验的测流系统是以飞行方式由机体搭载的专业仪器实施测流，无人机的飞行途中外部环境会给机身带来较大影响，过大的风力以及气动效力等会让机体出现大幅振动而极不稳定，而雷达测速仪对水体流速的测算是通过水面反射过来的波频移量来完成的，需要机身有较高的稳定性，过大的振幅会导致数据采集达不到精确度，这种对防抖抗振的功能需求二者都不能满足；②定点悬停精度较低：作业人员提前为无人机设置沿测流流向的自动航线，听从系统指令定时定点悬停作业，但是设置悬停的定位准度很差，偏移和拉锯问题时有发生，作业数据采集无法保证准确度；③数据回传抗干扰能力较差：无人机实施水文测流时需搭载外置电台，它负责收集雷达测速仪传来的测量数据提供给计算机，这种单调的数据传递形式很难抵抗数据传输过程受到的干扰导致失真，对可靠性是一个很大考验；④测流操作不便：当前技术条件下无人机水文测流能采集到流速数据，却做不到测流自动化，飞行控制和作业软件是脱节的，给作业操作带来很大麻烦；⑤成果精度不符合相关要求：无人机用于水文测验的测流作业对采集江面的表面流速很拿手，数据传输和结果测算也能完成，但是飞行过程的振动，流量结果的误差以及系统兼容性差带来的误差都会让最终结果不准确，达不到技术标准要求的精准度。鉴于当前技术条件对上述问题尚不能有效解决，无人机的水流测速作业技术条件不成熟，限制了它的应用和推广。

4.2 无人机水文测流系统未来研究方向

无人机要实现在水文测验方面的大力推广还有以下几步要走：①对无人机实施包括作业设备，机身结构在内的升级改造，提升雷达测速仪的兼容性等性能，克服机身在水文测验作业时防抖抗振性能较差的缺陷；②对数据传输的单调方式缺陷进行优化，加强抗干扰性能，配置备用传输设施，做到准确可靠传输数据；③加强无人机的飞行控制，确保精确稳定悬停；④就无人机水文测验加快研制先进测控软件，实现预设航线，测流的定时定点自动化完成，数据的录入检索和查询，自动分析表面与断面在就是之间的关联性，能对断面进行流速以及流量的自动测算，绘制图表和传输等功能；⑤率定无人机水文测验系统参数，实施整机性能测试，结合传统方式进行大数据比对，完成系统参数率定，在实践中找到此类作业的客观规律。

5 结束语

总之无人机不受地形地势影响、机动灵活性强等优势，为无人机在各个领域的广泛应用奠定了基础，随着无人机在水利领域的应用，为水文应急监测和水文调查提供了几大便利，而且也大幅度降低了水文应急监测和水文调查的作业难度，为了进一步提高无人机在水文测验方面的应用价值，相关人员应继续进行无人机水文测流系统的深入研究。