无人机遥感技术在水利工程中的应用

　　摘要: 以无人机遥感技术在水利行业的应用为核心，简述了无人机技术的类型、系统组成和应用特点。在此基础上，结合相关应用实例论述了无人机遥感技术在应急救援、水利行政执法、水工建筑物病害巡查等水利行业的应用现状，以证明无人机技术在水利行业中的应用优势和应用前景，以期可以为水利工作者提供一定借鉴。

　　本文源自蒋涛， 农业与技术 发表时间：2021-07-15

　　关键词: 无人机; 遥感技术; 应用研究

　　随着信息化概念的不断推广与普及，人们逐渐认识到远程传输和无线遥感技术在日常生活中所扮演的重要角色，远程传输和无线遥感技术可以极大地提高工作效率，尤其在条件艰苦的工作岗位上。无人机是近些年来辅助遥感技术重要支撑平台，是未来航空器的主流发展方向之一，已成为世界各国研究的热点。目前，无人机技术经过几十年的发展，具有机动性高、适用性强、分辨率高、成本低廉等优势，在水利管理行业中正逐渐崭露头角。随着 “十四五”计划中水利信息化建设的不断推进，采用先进技术手段提高水利行业工作效率是现今水利工作者的研究重点[1]。为此，本文通过总结无人机遥感技术在水利行业中管理、应急救灾、国土资源监察、水利行政执法、水工建筑物病害巡查等领域的应用与实践，论述无人机技术在水利行业中的应用优势和应用前景。

　　1 无人机系统简介

　　无人机是利用无线电遥控设备操控，可以搭载相关传感器的无人驾驶飞机，可以通过自动化、智能化、专用化等相关技术快速获取国土、资源和环境等空间遥感信息，并实时上传到数据处理系统，通过专业人士进行数据分析和整理，以供相关单位工作者进行实际应用。常见无人机控制系统主要由空中控制系统、地面控制系统和数据后处理系统 3 部分组成。空中控制系统主要包括通讯模块和地表影像采集模块。地面控制系统主要引导和制定无人机航行航摄路线。高级地面控制系统可以对预定航摄地区提前规划好无人机的飞行路线等有关飞行，同时记录并保存所有导航数据。数据处理系统主要根据各单位的实际需要通过软件对图像或视频进行分析。国内外常见的主流软件有 PixelGrid、ERDAS、ENVI、ER mapper 等。

　　常见无人机种类主要包括固定翼式、多旋翼式和无人直升机等。固定翼式起降方式多采用跑道滑行、弹射等; 抗风能力较强，可长时间续航，但无法进行定点悬停拍摄工作，因此一般适用于监控辐射范围广或应急响应情况下的航测任务。多旋翼式和无人直升机无需跑道和弹射器，对于起降场地要求低，可在复杂地势条件下快速起降，具有飞行灵活性强、可随时悬停等优点[2]。其中，无人直升机具有结构复杂、载荷量大、续航时间长、操作复杂等特点; 多旋翼式无人机具有结构简单、操作简单等优点，但载荷量较小，续航时间多数为 30min 左右。

　　2 无人机技术的特点

　　搭载各种传感器和遥感相机的无人机可以对近地表实现多角度、高分辨率的连续图像或视频采集工作。所获得实时信息内容丰富，尤其适用于对重点区域和监管难度大的区域的监测工作。目前无人机技术主要具备以下特点。

　　2. 1 运行成本低，工作效率高

　　与其它方法相比，无人机的造价和后期维护成本低。各地区可以根据自己需要选择相应类别的无人机，对本辖区重点区域、气候条件较恶劣的地区、高危地区等进行监测，从而显著减少外界条件干扰带来的人员伤亡的可能，提高工作人员的工作效率和准确度。

　　2. 2 监测精度高

　　无人机可以根据任务需要随时起降飞行，也可以预设航线进行定期巡航以获取待测地区的相关图像和视频，交由专业人士进行数据分析。与其它方法相比，无人机测量精度为亚米级，获得有关数据成本低、耗时短，可为有关单位科学决策和统计工作提供有力的数据支撑。

　　2. 3 操作灵活，可以对建筑物进行多角度监测

　　无人机体积较小，重量较轻，飞行角度容易操控，可在险峻地势和各种水工建筑物之间穿梭，易获取不同点位的图像和视频记录。此外，无人机可以通过挂载不同角度摄像头对水工建筑物进行拍摄，为后期构建高精度等比例水工模型和水工建筑物的病险监测提供有力的参考数据。

　　2. 4 飞行易受低温、大风等天气干扰

　　目前无人机多由电池供电，易受到外界低温的影响，导致续航时间急速下降。因此，在日常使用中，应注意外界天气条件对无人机续航时间的影响。此外，因无人机体积小、重量轻，易受大风天气干扰，导致无人机飞行不稳定，增加人为操控难度。严重时易造成无人机失控，出现坠毁现象[3]。

　　2. 5 数据处理的特殊性

　　无人机执行数据采集任务主要分为外业飞行和内业数据处理工作。完整的数据采集工作是获得高质量数据的基本保证，因此无人机在操控时必须经过培训后方可上岗。此外，无人机执行任务后获得数据量较大，对相关软件和技术人员要求高，尤其是建筑物的病害分析，均需要大量的科研准备工作才可以正常进行。

　　3 无人机遥感技术在水利行业中应用

　　3. 1 在应急救援工作中的应用

　　无人机具有操作灵活、反应迅速等优点。在洪涝灾害频发的地区，无人机可以深入高危地区进行实时影像传输，为地面工作人员及时提供灾区现状，便于应急救援单位协调救援工作，降低抢险救灾的难度，同时也保证了救援人员的安全。在河流汛期时，无人机可以迅速到达出现险情的上空，及时为有关单位实时监控汛情走向，为防汛指挥部作出决策提供较为客观真实的信息，降低因对险情数据获取较少而造成的损失。如，2018 年 8 月，黑龙江省某河道突然遭遇上游强降雨，河床水位迅速上涨，部分地区堤防和河道均出现险情; 为快速解决该险情，有关工作人员及时调用无人机在洪涝区进行高空作业，通过实时影像传输功能为地面指挥人员第一时间提供险情水情数据，便于确定来水方向和各堤防的泄洪强度，为防汛指挥决策提供准确依据，显著提高了防汛指挥部门的运行效率[4]。

　　3. 2 在水利行政执法巡查中的应用

　　无人机具有视角广阔、实时传输不受地形地貌影响等优势。在水利行政执法巡查中可以代替巡查人员定期对垃圾倾倒、河道采砂、非法占河等违法行为进行巡查，辅助监察提取位置和范围等信息，显著提高了巡查人员的巡查效率和针对相关违法案件证据收集工作效率。如，2015 年在广佛肇高速公路修建期间，施工单位为减少成本，在很多隐蔽地方非法堆弃建筑材料，给生态环境造成严重的破坏。为此，广东省水利厅在日常巡查中发现问题后，采用无人机直接对施工单位正在违法作业行为和违法弃渣场进行现场拍照和录像取证，而后整理成材料提交到法院作为核心证据，显著提高了水利行政执法的工作效率。

　　新疆乌鲁木齐经济技术开发区 ( 头屯河区) 率先使用无人机对所在辖区进行网格监督检查，协助执法部门进行拍摄取证，同时进行地理信息数据采集，建立实景三维模型等，极大地提升水利行政执法巡查工作效率。

　　3. 3 提高水利基础数据更新速度

　　在众多水利基建地区和河道流经地区，常存在人力不能及时或难以达到的现场。目前多采用卫星远程数据记录功能进行数据存档工作。这些存档数据多数均存在明显的滞后性，在实际应用中的时效性和可信度对水利管理部门决策容易造成影响。此外，水利部门属于艰苦行业，各部门负责河流区域范围广、河段多，基层人员工作量负荷大，人才流失现象严重。为此，可以利用无人机在河道沿线进行低空定点巡航，以获得大量高清晰、可解读的复杂区域的遥感影像数据，及时了解各地水库库区水域面积变化、淹没范围、泄洪冲击范围、河道变化走向及辖区内水土流失情况，减少基层人员工作压力。如，常德市红旗水库近些年来采用航测无人机对库区流域面积、淹没调查、防护区以及坝址等进行定期监测。所获得资料在在效率、精度、质量等层面上均满足要求，极大地减轻了红旗水库流域管理局日常工作压力。

　　3. 4 在日常巡查水工建筑物及其相关构筑物病害中的应用

　　无人机作业效率高、作业成本低，可以搭载摄影及其它检测设备对水工建筑物及其相关构筑物进行快速检查，及时巡查获取水工建筑物运行现状、大坝变形、基层沉降、库区水位变幅，核查岸坡是否存在地基变形、滑坡、垮塌等灾害发生前的详细迹象，便于水利工作者对水利工程现状进行评价。如，湖南省应急管理厅为提高辖区内水库病险诊断效率，利用无人机对江华瑶族自治县病险水库进行三维立体模型，为后期水库除险加固工作和开展防汛提供必要的基础数据资料和科学依据[5]。

　　对于灌区渠道巡查效率低等问题，使用无人机可以快速针对各干、支渠和水闸进行检测，减轻渠系维护人员巡查压力，及时发现渠系破损或淤积部分，提高渠系建筑物使用寿命和养护效率。

　　4 无人机遥感技术在水利行业应用展望

　　4. 1 制定无人机行业有关规范

　　无人机遥感属于新兴智能化监测与巡查技术，但限于该技术的推广和使用时间较短，相关法律体系和行业规范存在一定程度上的缺失，有关人员在日常使用时易出现安全与秩序问题，引发一些不必要的麻烦。因此，建议地方政府和有关单位尽快遵照国家现有法律法规，根据水利行业的特点制定和规范无人机应用和监管标准，建立无人机空中交通管理模式，确保相关人员在无人机的日常使用中有法可依。

　　4. 2 加强水利行业无人机应用人才培养和管理

　　随着无人机行业的迅速发展，一些普通高校和职业院校正在加紧设立与无人机相关专业。但现今社会处于多学科交叉融合阶段，单纯对无人机理论知识和实际操作的职业教育已经无法满足社会需求。对于水利行业而言，相关法律法规和水利类基础知识是相关从业人员必备条件。因此，建议无人机行业的人才培养应根据各行业需求，加大各学科专业知识的融会贯通，培育出适应各行业的综合型人才。此外，在基层人员眼中无人机属于高端仪器，相关配件和传感器价格过高，即使经过系统的培训，也易出现不会使用和不敢使用等问题。因此，在推广无人机使用时，应注意定期对一线操作人员的专业培训，提升基层人员综合素质。同时，构建维修、保养、答疑等综合服务体系，减轻一线人员对无人机使用的压力。

　　4. 3 强化无人机行业的技术攻坚

　　无人机遥感技术作为新兴智能化监测与巡查技术，在水利行业中具备较强的应用优势。但在日常使用时，仍存在一些问题，如大风或气候条件恶劣等造成数据精确度下降、巡航时间大大缩减; 无人机操作复杂，对专业人士技术要求较高等。因此，亟需对此进行技术攻坚，在提高无人机恶劣天气适用性的同时简化无人机操作强度。此外，无人机可以搭载多个探头对基建设施和场地进行监测，如何通过传感器采集的数据扩大无人机技术的应用领域也是现阶段研究人员关注的重点。技术攻坚仍是无人机行业发展的重中之重。

　　5 结论

　　随着我国水利信息化水平的不断提升，以无人机为代表的最新技术已经逐渐应用到水利行业的方方面面，尤其在应急救援、水利行政执法和水利工程建筑物日常维护等方面均起到了举足轻重的作用。因此，无人机技术在水利工程中的应用对水利工程具有重要的意义与广大的应用前景。未来无人机技术的发展潜力巨大，其与水利行业如何更好的结合值得进一步研究和探讨。