牛君瑜，孫超江

（1．中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2．水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170）

無人機(jī)是通過地面遠(yuǎn)距離無線遙控和機(jī)載計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)進(jìn)行操控的不載人飛行器，具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、飛行靈活、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。既可完成有人駕駛飛機(jī)的飛行任務(wù)，也能完成有人飛機(jī)不易執(zhí)行的特殊環(huán)境下的飛行任務(wù)，如抗洪搶險(xiǎn)、森林防火、地質(zhì)災(zāi)害等特定危險(xiǎn)區(qū)域的救災(zāi)、應(yīng)急搶險(xiǎn)、現(xiàn)場勘查以及空中救援指揮等。

1 無人機(jī)的發(fā)展

無人機(jī)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)無人機(jī)的研制和應(yīng)用主要用于軍事演習(xí)的空中目標(biāo)靶機(jī)，應(yīng)用范圍主要是在作戰(zhàn)演習(xí)和軍事偵察方面。后來隨著無線電通信、遙測、遙控技術(shù)以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，無人機(jī)技術(shù)得以快速發(fā)展和成熟，并逐漸開始用于民用項(xiàng)目中。從20世紀(jì)80年代以來，隨著通信和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)迅速發(fā)展以及各種新型高精度探測傳感器的面世，無人機(jī)的飛行和機(jī)動(dòng)性能以及應(yīng)用水平得以大大提高，其應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越寬。到目前為止，全世界范圍內(nèi)已有上百種類型和用途的無人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域投入運(yùn)行使用。一般無人機(jī)的續(xù)航能力可由數(shù)小時(shí)到數(shù)十個(gè)小時(shí)，執(zhí)行任務(wù)的載荷能力可多達(dá)幾百千克。這樣使得無人機(jī)具備了完成長時(shí)間、大范圍空中遙感和地面監(jiān)測的飛行任務(wù)的能力。同時(shí)，也為其搭載多種用途的傳感器和執(zhí)行多種飛行任務(wù)創(chuàng)造了有利條件，拓展了無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 無人機(jī)基本組成

無人機(jī)主要由機(jī)體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等部分組成，通過地面遙控完成空中飛行目標(biāo)任務(wù)。

無人機(jī)機(jī)體一般分為固定翼型無人機(jī)、螺旋槳無人直升機(jī)兩大類。固定翼型無人機(jī)起飛和降落時(shí)，都必須在動(dòng)力系統(tǒng)的作用下通過滑行跑道來完成。遙控和程控飛行均容易實(shí)現(xiàn)，機(jī)上可同時(shí)搭載多種遙感傳感器，同時(shí)完成多種飛行目標(biāo)任務(wù)。但要求有合適的飛行跑道，起降需要比較空曠的場地。所以，無人機(jī)在水利管理領(lǐng)域的抗洪搶險(xiǎn)、水資源調(diào)度、蓄滯洪區(qū)的管理和其他如林業(yè)、礦山資源、海洋環(huán)境、土地利用以及污染源監(jiān)測方面都有著廣泛的應(yīng)用。

無人機(jī)飛控系統(tǒng)又稱為飛行管理與控制系統(tǒng)，相當(dāng)于無人機(jī)系統(tǒng)的“大腦”部分，對(duì)其飛行的穩(wěn)定性、地空數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、飛控精度、實(shí)時(shí)性等飛行性能起決定性的作用。

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)完成地面遙控指令的準(zhǔn)確下達(dá)及無人機(jī)對(duì)信息的實(shí)時(shí)接收和發(fā)送，以保證信息反饋的及時(shí)有效性。

發(fā)射回收系統(tǒng)保證無人機(jī)順利升空達(dá)到安全的高度和速度飛行，并在執(zhí)行完任務(wù)后安全著陸返回地面。

無人駕駛直升機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢是能夠定點(diǎn)起飛、降落，對(duì)起降場地的條件要求不高，其飛行可通過無線遙控或機(jī)載計(jì)算機(jī)程控完成。但無人駕駛直升機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)來說比較復(fù)雜，操控難度也較大，所以機(jī)型較少。主要應(yīng)用于突發(fā)事件的調(diào)查，如山體滑坡勘查、火山環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

無人機(jī)作為空中信息采集傳輸?shù)墓ぷ髌脚_(tái)，通過遙感傳感器獲取信息，由計(jì)算機(jī)對(duì)圖像等遙感信息進(jìn)行處理，并按照一定精度要求制作成圖像文件。

3 無人機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)

無人機(jī)遙感航空技術(shù)以低速無人駕駛飛機(jī)為空中遙感平臺(tái)，用彩色、黑白、紅外等攝像技術(shù)拍攝地面影像數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)對(duì)圖像信息進(jìn)行加工處理。全系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和最優(yōu)化組合方面具有突出的特點(diǎn)，它是集飛行、遙感、遙測、遙控技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的新型綜合應(yīng)用技術(shù)。

目前的無人機(jī)遙感系統(tǒng)多使用光電或紅外傳感器，如光學(xué)照相機(jī)、熱成像儀等。光電設(shè)備如高精度小型數(shù)字相機(jī)等作為機(jī)載遙感設(shè)備。在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，通過地面或機(jī)上的計(jì)算機(jī)控制和圖像處理系統(tǒng)對(duì)其遙感影像以及相機(jī)定標(biāo)參數(shù)、拍攝或掃描時(shí)的姿態(tài)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，由相應(yīng)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互式的處理，或通過影像自動(dòng)識(shí)別和快速拼接軟件實(shí)現(xiàn)遙感影像質(zhì)量的檢查和數(shù)據(jù)信息的處理，從而滿足整個(gè)遙感信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)和快速處理的技術(shù)要求。

無人機(jī)遙感航空技術(shù)主要有以下特點(diǎn)：

3.1 精度高

無人機(jī)在民用領(lǐng)域中通常為低空飛行，飛行高度在50～1 000 m左右，屬于近景航空攝影測量，這樣的測量精度達(dá)到了亞米級(jí)，其精度范圍在0.1～0.5 m。但是，這樣的飛行對(duì)地面遙控操作有相當(dāng)高的要求。所以，建議進(jìn)一步研究提高無人機(jī)的飛控系統(tǒng)的性能，使其能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)探測飛行高度以及周圍障礙物情況，在機(jī)載程序控制下能夠自主飛行。

3.2 實(shí)時(shí)性和低成本

無人機(jī)具有靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，受空中管制和氣候的影響較小。無人機(jī)一般在云層下面作業(yè)，受天氣影響小，且飛行設(shè)備和攝影設(shè)備比較便宜。

3.3 靈活和安全性

不要求專用起降場地，升空準(zhǔn)備時(shí)間短、操作控制較容易；能夠在惡劣環(huán)境下直接進(jìn)行獲取影像作業(yè)，即便是系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障也可最大限度地避免人身傷害。

3.4 多角度拍攝和高分辨率

無人機(jī)通過攜帶的高精度數(shù)碼成像設(shè)備獲取地面影像。并且由于無人機(jī)的靈活性，又具備了垂直或傾斜攝影的技術(shù)能力。不但能進(jìn)行豎直拍攝獲取平面影像，對(duì)于地上建筑物復(fù)雜的區(qū)域還能低空多角度攝影獲取建筑物多面高分辨率紋理影像，這有效地解決了在衛(wèi)星遙感和普通航空攝影獲取城區(qū)地面影像時(shí)遇到的高層建筑遮擋的問題。

4 無人機(jī)在水利行業(yè)的應(yīng)用

無人機(jī)在水利行業(yè)的防洪搶險(xiǎn)、水文水資源監(jiān)測、水土保持監(jiān)測等方面有著更為廣泛的應(yīng)用前景。在日常防汛檢查中，可以立體地查看水利工程、水庫庫區(qū)的地形地貌、河道及堤防險(xiǎn)工險(xiǎn)段、蓄滯洪區(qū)的地形環(huán)境等。尤其在遇到洪水險(xiǎn)情的情況下，可克服交通不便等不利因素，及時(shí)趕到出險(xiǎn)空域，監(jiān)視險(xiǎn)情發(fā)展，實(shí)時(shí)傳遞現(xiàn)場影像數(shù)據(jù)等信息，為搶險(xiǎn)指揮決策提供準(zhǔn)確可靠的實(shí)時(shí)信息。

通過無人機(jī)的航空遙感技術(shù)來獲取空間或地面的各類數(shù)據(jù)信息，具有機(jī)動(dòng)靈活、續(xù)航時(shí)間長、影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)以及對(duì)于高危險(xiǎn)區(qū)域可進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場探測等一系列優(yōu)點(diǎn)，有效地彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感或有人駕駛飛機(jī)航空遙感作業(yè)的局限和不足。在水利管理領(lǐng)域尤其是在防洪搶險(xiǎn)以及抗旱減災(zāi)中,這一獨(dú)特的優(yōu)勢將得到普及應(yīng)用和發(fā)展。同時(shí)，無人機(jī)運(yùn)輸攜帶方便，其長時(shí)間的續(xù)航能力和遠(yuǎn)距離的遙控技術(shù)，可最大限度地滿足防洪搶險(xiǎn)、蓄滯洪區(qū)運(yùn)用等水利管理的一些特殊環(huán)境下的需要。在需要實(shí)時(shí)了解運(yùn)用的蓄滯洪區(qū)范圍或是干旱區(qū)域面積時(shí)，使用無人機(jī)可非常有效地完成監(jiān)測任務(wù)。比如，2009年長江中下游地區(qū)湖北、湖南、江西、安徽、江蘇五省正面臨著嚴(yán)重的旱情，全國耕地受旱面積達(dá)7萬km2，而這五省就占了40%以上。洪湖濕地自然保護(hù)區(qū)管理局粗略統(tǒng)計(jì)，洪湖水面約為353 km2，由于持續(xù)干旱，當(dāng)時(shí)有水面積已不足267 km2，1/4的湖區(qū)干裂。旱情嚴(yán)重地困擾著防汛抗旱各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)部門，急需全面及時(shí)地了解情況。在這樣特殊而緊迫的情況下，除衛(wèi)星遙測外，無人機(jī)系統(tǒng)無疑是最佳的選擇。

中國河流眾多，水資源豐富，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民財(cái)產(chǎn)安全影響重大，利用無人機(jī)獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢，不但能隨時(shí)掌握水利管理區(qū)域的情況和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為水利管理和執(zhí)法提供依據(jù)；而且在處理應(yīng)急災(zāi)害情況下，可以全面及時(shí)地了解和掌握實(shí)時(shí)水情信息及災(zāi)害情況，為進(jìn)行正確決策提供可靠的依據(jù)。

我國是世界上水土流失比較嚴(yán)重的國家之一，進(jìn)行水土保持監(jiān)測和普查是一項(xiàng)十分艱巨而重要的基礎(chǔ)性工作，無人機(jī)遙感系統(tǒng)可完成對(duì)水土流失的成因、強(qiáng)度、影響范圍及其防治成效等的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。主要包括：區(qū)域地形地貌、自然植被、氣候條件等；工程項(xiàng)目挖填取棄土量，建設(shè)項(xiàng)目水土流失對(duì)周邊及下游環(huán)境造成的影響等。運(yùn)用傳統(tǒng)的方法需要大量的人力、物力和時(shí)間，而利用無人機(jī)系統(tǒng)可迅速掌握情況，減少人員工作量，縮短巡檢周期，大大提高信息的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

隨著我國水利現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，怎樣加快水利信息化建設(shè)，有力支撐水利規(guī)劃、建設(shè)、監(jiān)測和管理等各項(xiàng)工作，特別是應(yīng)對(duì)頻繁發(fā)生的水澇干旱、森林火災(zāi)、冬雨冬雪等災(zāi)害影響，已成為擺在我們面前的重要問題。無人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)靈活、續(xù)航時(shí)間長、視頻影像的實(shí)時(shí)傳輸和不受地形地貌等區(qū)域環(huán)境影響的優(yōu)勢和特點(diǎn)，使無人機(jī)系統(tǒng)在水利管理領(lǐng)域中有更加廣泛的應(yīng)用前景。

[1]魏瑞軒，李學(xué)仁.無人機(jī)系統(tǒng)及作戰(zhàn)使用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2]沈懷榮.無人機(jī)氣象探測技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[3]全國勘察設(shè)計(jì)注冊(cè)工程師水利水電工程專業(yè)管理委員會(huì)，中國水利水電勘測設(shè)計(jì)協(xié)會(huì).水利水電工程專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)[M].鄭州：黃河水利出版社，2007.