浅谈小型无人机在重庆市河流管护工作中的应用

邢乔

重庆市河道事务中心 重庆 401147

引言

中共中央办公厅、国务院办公厅于2016年联合印发的《关于全面推行河长制的实施意见》明确要求加大河湖管理保护监管力度，实行河湖动态监管。水利部印发的《加强水利行业监督工作的指导意见》也明确要求科学运用监督检查方式，大力推行“线索核查法”和“四不两直”暗查暗访工作方式，确保监督检查工作成果可靠。为全面贯彻重庆市第1、2、3、4号总河长令精神，落实市委市政府常态化开展暗查暗访的工作要求，切实推进全市各流域“三排”“三乱”“三率”等问题全覆盖排查整改，加快筑牢长江上游重要生态屏障，不断引入新技术助力河流管护突击检查、流动排查、暗访巡查，推动河道管护数字化和信息化建设正逐渐成为主流。近年来，小型无人机在我市河流管护及监督检查工作中逐步普及，在一定程度上满足了各级河长以及相关部门对动态的、海量的河道信息及时更新的迫切需求，是河流管理模式的创新。

1 巡河现状

目前，很多地方仍在采取人工徒步的方式巡河，在投入大量人力和物力之后发现巡河效果不佳，尤其对于一些流域面积较大、地形复杂的河段，不仅无法保证巡河查河质量，更不能实现巡查的全覆盖。传统的暗访巡查也基本依靠人工沿着河边、在桥上或者是坐船进行观察、取证、拍摄，工作环境复杂、交通不便导致暗访巡查耗费时间长、效率低、人财物耗费高，工作成果与预期目标存在差距，还存在安全风险。

利用卫星遥感影像进行河道巡查检查，具有效率高、覆盖全面等特点，但由于河道流经范围广，卫星遥感影像获取成本高导致影像更新速率较低、费用偏高，在实际应用中受到较大限制，不适合常态化巡查监督工作。小型无人机便于携带，操作简单方便且机动性强，可清晰、直观展示河道管理范围内的地物地貌，利用无人机开展巡河可有效解决上述问题，与卫星遥感监测形成良好互补，确保巡查不留盲区，有效地提高了暗访巡查工作的效率和质量。

2 常用机型

在重庆市的河流管护中较为普遍使用起飞重量小于4kg的微型、小型无人机，主要型号有大疆精灵4RTK、御2行业版两款。

2.1 大疆精灵4RTK

该型无人机配置1英寸2000万像素传感器捕捉高清影像，在100m飞行高度拍摄图像的分辨率可达到厘米级；支持连接DRK2高精度GNss移动站，可通过4G无线网卡或Wi-Fi热点与NTRP连接，同时支持自行架设RTK基站。该机型可提供摄影测量和航点飞行两种航线规划模式。在航线规划模式下，可自行选择无人机的飞行航线，自由调整重叠率、高度、速度、拍摄参数等，作业流程自动化。可提供一体化、高时效性、高精度的正射影像生成解决方案，即飞即用，实现数据快速上传处理。

2.2 御2行业双光版

御2行业双光版采用折叠机翼，机型较小便于携带，支持2倍光学变焦和3倍数码变焦，可拍摄4K/1080p视频，1200万像素静态照片；可搭载探照灯、喊话器、夜航灯等专用配件，满足不同任务与应用场景的需求；支持关闭所有LED灯，在隐蔽模式下执行特殊任务，保障飞行安全。

3 工作优势

无人机作为遥感影像获取设备，结合外业调查，可以有效提高河道管理保护工作效率。通过前期的使用，小型无人机体现出了高机动性、高时效性、高分辨率等特点。

3.1 响应能力强

垂直起降的多旋翼小型无人机，方便携带、操作简便，对起降场地要求较低，基本可以做到即拿即飞，可以快速抵达特定的目标地区，可满足随机性强和时效性要求高的暗访巡查工作。突发事件中无人机的应用，更能体现其在复杂地形和危险区域拥有较强快速响应能力的特点，通过无人机搭载的各类遥感设备可以快速采集数据，有利于指挥系统快速分析、处理问题，远程协同及联席会商。

3.2 影像质量高

利用无人机在100m的飞行高度进行航拍，单张照片覆盖面积约2000m2。航拍图像能够清晰辨别目标对象与河流、周边环境的位置关系，有助于检查人员快速判断有关行为是否违规违法；也能够全面、直观反映河道“四乱”问题现状，快速对侵占河道岸线、非法采砂以及污水偷排直排等问题进行精准、高质量取证。针对高风险任务，执法人员和无人机驾驶员可以在相对安全的范围内开展监控、取证作业，将信息数据及时、连续、高质量回传。特别是对车船无法抵达或有毒有害区域的监控以及灾区的监测、救援[1]，使用无人机具有明显的优势。

3.3 使用低成本

日常使用中，多旋翼小型无人机维修养护频次少，损耗较多的配件主要是机翼和电池，整体维保成本低。随着无人机机身财产险、第三方责任险、飞手责任险等保险的引入，因自然灾害或意外事故造成无人机机身及挂载设备的财产损失，因无人机或无人机上坠落的物品造成第三者的人身伤亡和财产损失，因被保险人操作无人机发生意外事故导致第三方遭受人身伤亡或财产损失，都能得到有效保障，对无人机、第三方以及操作人员的保障大大提高，在一定程度上也降低了运行成本。低使用成本对人财物相对拮据的偏远落后地区常态化开展河流巡查也起着重要的促进作用。

3.4 数据功能强

通过无人机自身装备以及搭载的不同数据采集设备，借助专业数据软件对获取的高分辨率正射影像数据进行处理，可提供二、三维影像和地形、矢量、正射影像以及实景模型，实现数据共享以及人工模型数据展示、空间分析、多时相对比、测量、信息标绘等功能，可为河道管理部门的快速决策、防灾减灾提供参考依据，为智慧水利建设提供数据支撑。对缺少大比例尺地形图或高分辨率影像资料的区域，此项优势更为明显。

4 存在不足

通过前期在全市各地的探索使用，目前常用的几款小型无人机也暴露出不足之处，使用过程中积累的庞大数据资料，对河流管护队伍信息化水平建设也提出了更高的要求。

4.1 受天气影响大

天气状况对小型无人机的信号接收、飞行安全、数据质量都有较大影响。小型无人机在晴朗的天气能够发挥其最优性能，但在风速超过10m/s（五级风）的天气或者雷雨天气基本无法正常使用；在雾霾天，会因能见度较低导致飞行存在一定的安全隐患，拍摄效果不佳。

4.2 飞行距离受限

理论状态下小型无人机水平飞行距离可达7000m，但实际操作中，受电池电量、周边建筑物、电力设施、植被及地形等因素影响，考虑到返航，单向飞行时间一般不超过25min，飞行半径大多在1500m以内。在高山峡谷地区，因信号接收、峡谷风场等因素影响，飞行半径会更短。实际飞行距离与理论飞行距离存在差距。

4.3 使用范围受限

按照相关安全要求，受飞控系统限制，无人机在飞行密集区、人口稠密区、重点特殊地区、机场周边的使用都会受到限制。用户通过电子围栏系统能够实时获取相关受限资讯，可提前查询部分因突发状况造成的临时限飞区域及一些长期禁止飞

行的区域，做好使用前准备工作。随着社会经济的快速发展，无人机的限制使用区域也将会进一步扩展。

4.4 数据工作量大

由于重庆市实行的是扁平化管理结构，市级部门直接联系、指导区县一级，并进行具体事务的管理，市级要采集、存储、处理、综合应用全市河流的数据资料，工作量非常庞大，对人员、设备、管理模式以及整个河流管护队伍信息化水平建设都提出了更高的要求。我市的河流管护数字化工作起步较晚，其在水利行业的应用，特别是“强监管”背景下的河流监管还处于探索阶段，对数据的高效、高质量运用任重道远。

5 应用拓展

随着社会的快速发展，河流管护需求越来越大，河流管护技术水平与需求之间的差距也越来越明显。科技的不断进步，使得无人机设备在河流管护中的应用也将不断延伸拓展。

5.1 重点对象监测

针对重点河流、重点河段或者水网密集区域，可以通过部署多台套5G网联全自动无人机场，预设航线实现全面覆盖，发挥网格化管理优势。基于图像视频比对、识别技术，可以精准识别运输车辆、船只、排污口、漂浮物等常见主体，发现侵占河道岸线、水质污染、非法采砂等违法行为，并且在客户端上自动弹出报警提示，生成问题报告，助力河道精细化管理落地见效。

5.2 水污染光谱监测

卫星遥感影像受空间分辨率、时间、气象等因素的影响，无法针对小范围城市河流、水库的排水口进行实时监测。基于高光谱数据波段数量多、光谱分辨率高等优势以及图谱合一等特点，利用无人机搭载高光谱成像仪获取河流的光谱图像信息，可实时观察水体总氮、总磷、叶绿素、悬浮物、浊度等参数的变化，在一定程度上反映出河流的富营养和受污染程度，对污染源实现精确定位，判断出水体富营养的原因。利用无人机搭载高光谱仪进行水体监测，具有迅速、准确、范围广、时效性强等优点，可以做到常规巡检和应急监测一体化，提供更高效、便捷的河道水环境监测方式。

5.3 数字化河道管理

通过无人机低空摄影测量可以完成目标河流或流域1∶500至1∶2000比例尺的地形图和正射影像图测绘，结合行政区划建立包含河道名称、里程编号、起终点高程、比降、平均比降、长度、流域面积、侵占河道面积、污染源、建（构）筑物等信息数据的地理信息数据库[2]。相较人工测绘，无人机航测可以大大节约勘测时间。数据库可为制定、修改“一河一策”方案提供基础资料，进一步明确各级河长的管治范围，完善治理措施；可辅助河道治理工程设计，优化工程总体布置，应用于施工、运维过程中的动态实时监控；可对涉河审批事项的相关数据信息适时开展复核，及时处置违规行为，实现动态可视监管。

5.4 可视化岸线管理

通过无人机采集岸线的正射影像、全景图及全景视频，并结合VR技术实现对涉水要素叠加展示、交互查询、实时监测、远程控制、模拟仿真等功能[3]，可以对重点河段、重点区域构建用于水域岸线监管的数字孪生系统。将河道划界成果和岸线保护利用规划等成果导入河道数字孪生系统，可清晰、直观展示河道管理范围和两线四区（临水边界线、外缘控制线，岸线保护区、岸线保留区、岸线控制利用区、岸线开发利用区）内的最新状态，实时反馈河道管理范围内及周边的各类涉河行为，实现可视化岸线管理。

6 结束语

在社会经济快速发展的同时，涉河项目已涉及多领域、多行业，我市河流管理基础工作薄弱，基础数据不全，无法动态、实时掌握情况。在国家不断加强水环境治理工作，深入推进河湖“清四乱”常态化、规范化的背景下，利用日新月异的技术手段来促推河流管理保护工作数字化发展已是大势所趋。无人机设备作为完善监测监控体系，打造“天、空、地、人”立体化监管网络的重要手段之一，在及时掌握河湖水环境、水质、水生态和水域面积变化情况、岸线开发利用状况、河道采砂管理情况、强化信息互联互通等方面将发挥重要作用。由此可见，无人机在我市河流管护工作中的深入应用，是落实河长制各项任务的需要，是提升河道管理信息化程度的必然选择，将进一步为河道保护、水环境治理、涵养水源提供有效的数据支撑，助力“河长制”打造水清岸绿的良好生态。