水文監(jiān)測(cè)中無(wú)人機(jī)應(yīng)用背景及需求分析研究

背景我國(guó)河流眾多，水資源豐富，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民財(cái)產(chǎn)安全影響重大。同時(shí)也是世界上水土流失比較嚴(yán)重的國(guó)家之一，進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)和普查是一項(xiàng)十分艱巨而重要的基礎(chǔ)性工作。展望新世紀(jì)，水利事業(yè)面臨新形勢(shì)、新任務(wù)，肩負(fù)重大的歷史責(zé)任。洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水環(huán)境污染三大水問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。要解決好新世紀(jì)水的問(wèn)題，就必須調(diào)整治水思路，轉(zhuǎn)變治水方針，從工程水利向資源水利轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利、可持續(xù)發(fā)展水利轉(zhuǎn)變。在這個(gè)歷史轉(zhuǎn)變過(guò)程中，要把水利信息化放在優(yōu)先的位置。水文監(jiān)測(cè)中無(wú)人機(jī)應(yīng)用背景及需求目前，水文事業(yè)面臨新形勢(shì)、新任務(wù)，肩負(fù)重大的歷史責(zé)任。洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水污染、水土流失等問(wèn)題，已經(jīng)嚴(yán)重制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。要解決好水的問(wèn)題，就必須調(diào)整治水思路，轉(zhuǎn)變治水方針，從工程水利向資源水利轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利、可持續(xù)發(fā)展水利轉(zhuǎn)變。在這個(gè)歷史轉(zhuǎn)變過(guò)程中，要把水利信息化放在優(yōu)先的位置。水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)整體水平落后于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，是水文建設(shè)發(fā)展過(guò)程中的突出矛盾。信息是水文決策的基礎(chǔ)，是正確分析和判斷水文形勢(shì)、科學(xué)地制定水文發(fā)展方案的依據(jù)。由于無(wú)人機(jī)低空遙感的高機(jī)動(dòng)性、高分辨率等特點(diǎn)，使其在水文行業(yè)中的應(yīng)用有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，在洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水環(huán)境污染、河道擁堵等相關(guān)領(lǐng)域上，無(wú)人機(jī)低空遙感都能發(fā)揮其巨大的作用。無(wú)人機(jī)因其機(jī)動(dòng)靈活的起降方式、低空循跡的自主飛行方式、快速響應(yīng)的多數(shù)據(jù)獲取能力，在水利管理上具有巨大的應(yīng)用前景，包括水域規(guī)劃、水利監(jiān)測(cè)與水利管理。無(wú)人機(jī)還能完成水情監(jiān)測(cè)、河道走向、水庫(kù)監(jiān)測(cè)、洪災(zāi)區(qū)域檢查等，還能查看水毀橋梁、淹沒(méi)區(qū)域等情況。無(wú)人機(jī)可以搭載高分辨率數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行快速測(cè)圖，也可以搭載視頻采集設(shè)備，實(shí)時(shí)的采集并回傳即時(shí)的影像數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出分辨率高、實(shí)效性好等優(yōu)勢(shì)，還可以搭載合成孔徑雷達(dá)設(shè)備，在云霧天氣獲得高清晰度圖像。事實(shí)證明，無(wú)人機(jī)技術(shù)將在我國(guó)及全世界數(shù)字水利領(lǐng)域得到迅速而廣泛的應(yīng)用。無(wú)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(cè)。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(wú)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。

具體應(yīng)用1.水資源調(diào)查、水資源用地信息管理、水資源巡查成圖

傳統(tǒng)水資源調(diào)查、用地信息管理和水利巡查成圖中，多用人工的方式進(jìn)行調(diào)查，勘查人員攜帶相機(jī)從高處向河流拍照、乘船的方式對(duì)水資源面積調(diào)查。此種方法無(wú)法快速精確的執(zhí)行勘測(cè)測(cè)量。在進(jìn)行這些工作的過(guò)程中，可以充分結(jié)合無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，利用無(wú)人機(jī)對(duì)所需監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行航拍，巡視，通過(guò)大范圍飛行快速巡查，第一時(shí)間掌握水利資源調(diào)查信息。通過(guò)航拍測(cè)繪掌握地面水資源用地信息以及水資源調(diào)查成果，地面工作站根據(jù)實(shí)時(shí)航拍監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以清晰分析水資源的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，后期制作電子版或相片成果圖，生成水資源巡查成圖。提高了水資源調(diào)查小組戶外調(diào)查辦事效率，快速準(zhǔn)確的為水資源面積、水資源地理信息和后期制作水資源巡查成圖提供了不可代替的作用。2.洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水域覆蓋面積調(diào)查、水域警戒線分析

傳統(tǒng)的洪澇災(zāi)害發(fā)生后，多利用直升飛機(jī)在受災(zāi)區(qū)域上空進(jìn)行航拍監(jiān)控以及拍攝洪水覆蓋面積，當(dāng)遇到大面積干旱缺水的災(zāi)害，定損工作一般采取人工定損方式，定損作業(yè)效率緩慢。水域警戒的辦法通常是以人工坐船的方式進(jìn)行水深劃分，沒(méi)有鳥(niǎo)瞰圖進(jìn)行具體詳細(xì)的劃分。這些做法在洪澇災(zāi)害發(fā)生時(shí)無(wú)法快速應(yīng)急，人工拍照角度沒(méi)有鳥(niǎo)瞰圖立體，同時(shí)因?yàn)槎〒p面積大，人工作業(yè)緩慢。此種情況下可利用無(wú)人機(jī)快速?gòu)目罩懈┮曅顪閰^(qū)的地形、地貌、水庫(kù)、堤防險(xiǎn)工險(xiǎn)段，遇到險(xiǎn)情時(shí)，無(wú)人機(jī)可克服交通等不利因素，快速抵達(dá)受災(zāi)區(qū)域，并實(shí)時(shí)傳遞現(xiàn)場(chǎng)信息，監(jiān)視險(xiǎn)情發(fā)展，為防汛決策提供準(zhǔn)確的信息。無(wú)人機(jī)在抗旱監(jiān)察工作中，可以避免人員深入田間地頭，及時(shí)了解每個(gè)地區(qū)、每個(gè)灌區(qū)的水源儲(chǔ)量，科學(xué)調(diào)度水庫(kù)蓄水，做好蓄水抗旱工作，同時(shí)還充分掌握外河、外湖及內(nèi)河水位變化情況。無(wú)人機(jī)的使用，特別適用于突發(fā)事件應(yīng)急管理，大大降低了防汛抗旱工作人員承擔(dān)危險(xiǎn)工作的風(fēng)險(xiǎn)概率、提高了工作效率。能快速的為大型水庫(kù)進(jìn)行航拍包括水域覆蓋面積調(diào)查、水域警戒線分析，通過(guò)航拍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以清晰了解水域面蓋面積、通過(guò)航拍成圖劃分水域警戒線，并找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行圍欄劃分。提高了處理緊急預(yù)警突發(fā)事件和災(zāi)害的辦事效率，快速準(zhǔn)確的為受災(zāi)地區(qū)進(jìn)行航拍、定損，為救援人員提供寶貴的搜救信息。

3.水庫(kù)蓄水水位監(jiān)測(cè)、河流水文監(jiān)測(cè)、水資源工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)在傳統(tǒng)的水庫(kù)蓄水水位監(jiān)測(cè)、河流水文監(jiān)測(cè)、水資源工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，勘查人員攜帶相機(jī)在大壩圍欄上對(duì)水庫(kù)浮標(biāo)進(jìn)行拍照取證來(lái)獲得水位信息、人工乘船的方式對(duì)上下游河流水文情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，若遇到大面積河流污染無(wú)法精確的執(zhí)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，同時(shí)會(huì)因?yàn)樽鳂I(yè)面積廣闊，人工監(jiān)測(cè)調(diào)查緩慢。此時(shí)，利用無(wú)人機(jī)則可以快速對(duì)所需監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，特別水庫(kù)邊緣區(qū)環(huán)境比較惡劣的地段，無(wú)人機(jī)可操控自如的完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。通過(guò)對(duì)上、下游河流快速巡查，第一時(shí)間掌握水文情況，特別是大面積的河流污染。

4.重要水資源設(shè)備、設(shè)施安全監(jiān)測(cè)，水庫(kù)、壩區(qū)周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)

在傳統(tǒng)的水資源設(shè)備、設(shè)施安全監(jiān)測(cè)，以及水庫(kù)壩區(qū)周邊的環(huán)境監(jiān)測(cè)中，也多是采用人工乘船、徒步的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)人員攜帶相機(jī)、DV、望遠(yuǎn)鏡對(duì)水利設(shè)備設(shè)施進(jìn)行巡檢，水庫(kù)、壩區(qū)周邊環(huán)境一般采取徒步的方式進(jìn)行定期巡查。也同樣存在調(diào)查緩慢、無(wú)法快速精確完成監(jiān)測(cè)任務(wù)的問(wèn)題。利用無(wú)人機(jī)快速對(duì)重要的水資源設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，定點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、巡視，特別水庫(kù)邊緣區(qū)環(huán)境比較惡劣的地段，可以方便的完成監(jiān)測(cè)任務(wù)；當(dāng)遇到水資源設(shè)施出現(xiàn)故障停止作業(yè)的情況，利用無(wú)人機(jī)能快速做出應(yīng)急反應(yīng)，對(duì)水資源設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)地面站發(fā)現(xiàn)可視故障問(wèn)題。通過(guò)無(wú)人機(jī)空中懸停實(shí)時(shí)監(jiān)控掌握大壩進(jìn)水區(qū)和出水區(qū)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，地面工作站根據(jù)實(shí)時(shí)航拍監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以清晰分析大壩在工作中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，能夠快速準(zhǔn)確的為水利設(shè)施設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決了人工作業(yè)緩慢和不能及的缺陷。5.用于堰塞湖等應(yīng)急監(jiān)測(cè)堰塞湖大多發(fā)生在交通困難的地區(qū)，給人們進(jìn)行監(jiān)測(cè)帶來(lái)了許多不便。由于無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)快速、使用成本低、維護(hù)操作簡(jiǎn)單等技術(shù)特點(diǎn)，可對(duì)堰塞湖的分布狀況與動(dòng)態(tài)變化等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為救援、及時(shí)消除隱患提供了第一手的信息和科學(xué)決策依據(jù)。6.冰凌應(yīng)急監(jiān)測(cè)目前，我國(guó)排除凌汛的方法主要是利用空軍轟炸機(jī)，用重型炸彈對(duì)黃河凌汛地段阻塞河道的冰壩進(jìn)行破除。由于轟炸后的河段冰層大面積破裂，河道水流迅速加快，利用人工上冰探查炸彈落點(diǎn)十分危險(xiǎn)。為了及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握黃河內(nèi)蒙古段凌情、冰壩位置和轟炸效果，采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)，可以為排除黃河凌汛險(xiǎn)情提供技術(shù)支持。無(wú)人機(jī)對(duì)黃河河道冰凌航拍，具有穩(wěn)定性好、起降靈活、安全性高、實(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用無(wú)人機(jī)遙感影像進(jìn)行凌汛險(xiǎn)情調(diào)查與堤防病害識(shí)別，具有人力成本低，時(shí)間快，復(fù)查周期短，可以迅速發(fā)現(xiàn)或更新凌汛險(xiǎn)情及堤防病害的發(fā)生、發(fā)展和變化情況等優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)勢(shì)無(wú)人機(jī)自身優(yōu)勢(shì)：攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)迅速、載荷豐富、任務(wù)用途廣泛、起飛降落對(duì)環(huán)境的要求低、自主飛行。無(wú)人機(jī)水文監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)：1.提高了處理緊急預(yù)警突發(fā)事件和災(zāi)害的辦事效率，快速準(zhǔn)確地為受災(zāi)地區(qū)進(jìn)行航拍、定損；為救援人員提供寶貴的搜救信息。2.提高了水利資源調(diào)查小組戶外調(diào)查辦事效率，快速準(zhǔn)確地為水利資源面積、水利地理信息、后期制作水利巡查成圖提供了不可代替的作用。3.快速準(zhǔn)確的測(cè)量水庫(kù)蓄水狀況、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)上下游河流水質(zhì)情況、和加強(qiáng)對(duì)水庫(kù)、壩區(qū)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控。4.能夠快速準(zhǔn)確地為水利設(shè)施設(shè)備提供實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決了人工作業(yè)緩慢和不能力及的缺陷。應(yīng)用前景無(wú)人機(jī)在水利行業(yè)的防洪搶險(xiǎn)、水文水資源監(jiān)測(cè)、水土保持監(jiān)測(cè)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(kù)庫(kù)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(chǎng)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(guò)無(wú)人機(jī)的航空遙感技術(shù)來(lái)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(zhǎng)、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(chǎng)探測(cè)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(shì)將得到普及應(yīng)用和發(fā)展。同時(shí)，無(wú)人機(jī)運(yùn)輸攜帶方便，其長(zhǎng)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(wú)人機(jī)可非常有效地完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。我國(guó)是世界上水土流失比較嚴(yán)重的國(guó)家之一，進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)和普查是一項(xiàng)十分艱巨而重要的基礎(chǔ)性工作，無(wú)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(cè)。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(wú)人機(jī)系統(tǒng)可迅速掌握情況，減少人員工