無人機監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用研究

莊 杰，經(jīng)正彤

(江蘇省水文水資源勘測局揚州分局，江蘇 揚州 225001)

1 無人機應(yīng)用于河流水文應(yīng)急監(jiān)測的必要性分析

自從2011年起我國逐步加大了水文管理的投入力度，據(jù)水利部所提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截止到2018年年底我國新增的水文站、雨量站已經(jīng)突破1.8萬個，同比增長8.6%，但總體監(jiān)測人員編制卻并未同步增加，這就要求水文監(jiān)測必須要加大新技術(shù)的應(yīng)用，按時按量地完成河流水文監(jiān)測的所有任務(wù)。其次，隨著我國生態(tài)環(huán)境的逐步惡化，在夏季容易出現(xiàn)爆發(fā)性的洪澇災(zāi)害，尤其是在南方地區(qū)河流水文情況往往會在短時間內(nèi)發(fā)生顯著變化，同時也會伴隨泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，河流水流傳播機制以及周邊環(huán)境將會出現(xiàn)顯著變化，若采用傳統(tǒng)常規(guī)手段開展水文應(yīng)急監(jiān)測不僅在時效性方面存在問題，同時也會對工作人員的人身安全造成嚴重的威脅[1]。

針對已經(jīng)發(fā)生了險情征兆的河流，可以利用無人機快速搜集河流水文情況，在ADCP、流速儀等應(yīng)急監(jiān)測方法失效或者因自然地質(zhì)災(zāi)害所導(dǎo)致的斷面測流去作業(yè)條件之下，可以采用無人機以非接觸式方法測算出河流的水面流速情況，并將其換算成全斷面流量。而無人機監(jiān)測系統(tǒng)則在簡單無人機監(jiān)測的基礎(chǔ)之上增設(shè)了非常規(guī)應(yīng)急測流技術(shù)方法，對于無攬道以及無測速船的河流斷面測速，可以直接利用裝備了雷達微波測速的無人機監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測[2]。

2 無人機應(yīng)急測流方案設(shè)計

無人機應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)是一種以無人機為測速系統(tǒng)，用于野外河道斷面測流的應(yīng)急測速解決方法，此種方法在測速現(xiàn)場并不需要固定的輔助類水文固定設(shè)施。該系統(tǒng)的測流方案主要包含以下幾個方面的內(nèi)容。

(1)機動主體。該系統(tǒng)雖然并不需要固定地面設(shè)施，但也需要地面設(shè)備支撐，一般情況下可以選擇越野巡測車為機動主體，車載若干架無人機，巡測車配置一體化的地面控制站、計算機通訊設(shè)施、視頻監(jiān)控、導(dǎo)航以及電源等設(shè)備，無人機可以采用現(xiàn)場組裝[3]。整體系統(tǒng)在現(xiàn)場的運行測流共計需要兩名工作人員，一名工作人員負責地面設(shè)備的控制，對無人機的航向以及水文測流進行操作，另一人則主要負責無人機的野外放飛以及回收。

(2)懸停測速。應(yīng)在所需測速的河道附近停車組裝無人機，但同一斷面的流速測量需要重復(fù)多次，一般情況下無人機應(yīng)按照預(yù)先設(shè)定的航跡穿越河道，按照每20 m左右的距離懸停測速一次，懸停的高度一般控制在30 m左右，通過測速雷達對河道流速進行測量，懸停測速如圖1所示[4]。

(3)在緊急監(jiān)測情況下，若因道路阻塞、時間緊急，工作人員無法及時到達測量現(xiàn)場，此外，還存在現(xiàn)場通視條件差等情況。針對此種情況，無人機監(jiān)測系統(tǒng)也推出了兩種不同的工作模式：①遙控飛行測速模式，該模式能夠直接通過地面計算機控制設(shè)備經(jīng)無人機所配置的攝像頭控制航線、完成懸停測速等一系列操作，從而滿足一人操作需求；②自動測速工作模式，在通視條件相對較好的環(huán)境中，可以激活地面計算機控制設(shè)備中內(nèi)置的飛行控制軟件，無人機將按照既定航線飛行并完成相關(guān)數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸。

3 無人機監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文監(jiān)測中的作業(yè)流程

以大疆AR200型無人直升機水文監(jiān)測系統(tǒng)為例對無人機監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文監(jiān)測中的作業(yè)流程進行分析，具體作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 無人機監(jiān)測系統(tǒng)河流水文監(jiān)測流程

針對不同情況下河流水文應(yīng)急監(jiān)測的任務(wù)要求，在數(shù)字地圖的指引之下，無人機監(jiān)測系統(tǒng)能根據(jù)航線實時完成監(jiān)測規(guī)劃，具體來說其所遵循的作業(yè)流程主要包含以下幾個方面的內(nèi)容。

(1)分析作業(yè)地點地形條件，對地形作業(yè)航跡進行全面規(guī)劃。在河流水文監(jiān)測中監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準性至關(guān)重要。為此，無人機監(jiān)測系統(tǒng)在進行緊急監(jiān)測探查之前必須要結(jié)合數(shù)字地圖對所需監(jiān)測地區(qū)的地形條件進行全面的系統(tǒng)調(diào)查分析，合理制定無人機飛行航線，從而獲得更加精準的資料[5]。

(2)選擇合適的飛行模式，指引無人機按照既定航線進行飛行并完成監(jiān)測任務(wù)。由于河流水文應(yīng)急監(jiān)測在不同地形條件、氣候條件下所采用的監(jiān)測模式存在顯著差異，在進行飛行監(jiān)測之前應(yīng)通過計算機控制軟件選擇合適的飛行模式，從而有效簡化監(jiān)測流程，完成監(jiān)測目標。

(3)自動控制作業(yè)監(jiān)測。盡管選擇了不同的飛行模式，但都必須要完成定點懸停、水流速度監(jiān)測以及水流量分析等多種不同類型的任務(wù)工作模式。這些任務(wù)均有無人機系統(tǒng)控制自動完成。

(4)設(shè)備控制與故障處理。由于河流水文應(yīng)急監(jiān)測的不確定性，無人機監(jiān)測系統(tǒng)的工作環(huán)境相對較為惡劣，這就必須要做好設(shè)備的控制工作，同時關(guān)注系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)，必要時要及時對相關(guān)故障進行處理，并指引無人機返航。

(5)監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)出與分析。無人機監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的自動化監(jiān)測，但相關(guān)數(shù)據(jù)必須要經(jīng)過軟件系統(tǒng)的分析才能得出可以直接應(yīng)用的數(shù)據(jù)。因此，還需要通過地面控制設(shè)備將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿恼局鳈C之中，以便相關(guān)人員及時對相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行處理分析。

4 無人機監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于河流水文應(yīng)急監(jiān)測的注意事項分析

4.1 建立合適的測流模型

無人機監(jiān)測系統(tǒng)是基于特定數(shù)學模型來獲得河流水文信息的，因此選擇合適的測流模型對水文監(jiān)測的精準性有直接的影響。實際上由于河流地理位置、水質(zhì)等因素都存在顯著差異，所采用的模型往往也存在一定差異?；诖朔N情況，在利用無人機系統(tǒng)進行監(jiān)測之前需要先參考當?shù)厮恼舅@得的相關(guān)水文監(jiān)測資料，尋求合適的相同水面條件下的流速分布函數(shù)，如拋物線形、橢圓形以及對數(shù)型等[6]。此外，還應(yīng)根據(jù)所選擇的測流模型選擇合適的測流位置，從而獲得更精準的監(jiān)測分析結(jié)果。

4.2 穩(wěn)定飛行控制系統(tǒng)

由于無人機監(jiān)測系統(tǒng)是基于微波雷達來進行河流水文監(jiān)測的，這就使得無人機飛行要具有較高的穩(wěn)定性，否則必然會導(dǎo)致河流速度等指標會受到無人機自身飛行速度的影響，從而產(chǎn)生較大的誤差。一般來說在河流水文監(jiān)測當中無人機飛行控制應(yīng)注意以下幾個階段的控制：(1)加速/減速控制。加速與減速應(yīng)盡量平穩(wěn)，盡量將加速度控制在較小的范圍之內(nèi)；(2)爬升/下降控制。爬升與下降也應(yīng)盡量平穩(wěn)，既要注意通視條件，也要注意速度控制；(3)懸?？刂?。懸停階段是無人機測速的重要階段，這一階段的穩(wěn)定性控制至關(guān)重要，一般情況下應(yīng)注意觀察風向條件，必要時采用回轉(zhuǎn)或盤旋方式來改變航向。

4.3 加強地面控制與指揮

無人機監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用有效提升了監(jiān)測的自動化與智能化程度，但依然需要依賴于人的全面控制。因此，在具體監(jiān)測過程中還必須要加強地面控制與指揮，進一步提升監(jiān)測效率與精準性。具體而言地面工作人員必須要對監(jiān)測的全過程進行有效動態(tài)控制，完成對無人機、任務(wù)載荷以及數(shù)據(jù)鏈的監(jiān)視，此外還應(yīng)同步完成相關(guān)操作控制[7]。

5 結(jié) 語

無人機監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用是一種新型河流水文監(jiān)測方法，解決了傳統(tǒng)應(yīng)急監(jiān)測受地形條件、水文地質(zhì)條件限制大的問題，加強無人機監(jiān)測系統(tǒng)在河流水文應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用也是大勢所趨。本文的研究對無人機水文應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方案設(shè)計、流程以及注意事項等問題都進行了詳細的研究與分析，旨在促進現(xiàn)階段我國河流水文應(yīng)急監(jiān)測工作的進一步發(fā)展。