无人机水文监测方案

1 无人机及无人机遥感技术

无人驾驶飞机简称无人机（Unmanned Aerial Vehicle，缩写UAV），是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器。无人机出现在1917年，早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机，应用范围主要是在军事上，后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。20世纪80年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，无人机的性能不断提高，应用范围和应用领域迅速拓展。无人机与遥感技术的结合，即无人机遥感，是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，具有自动化、智能化、专题化快速获取国土、资源、环境等的空间遥感信息，完成遥感数据处理、建模和应用分析能力的应用技术。

无人机遥感系统由于具有机动、快速、经济等优势,已经成为世界各国争相研究的热点课题,现已逐步从研究开发发展到实际应用阶段,成为未来的主要航空遥感技术之一。

 

　2 无人机及无人机遥感系统特征

无人机系统结构简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务，同时，由于具有成本低、损耗低、可重复使用、风险小等诸多优势，其应用领域越来越广。

无人机遥感技术作为一项空间数据获取的重要手段，具有高时效、高分辨率等性能，是卫星遥感与载人机航空遥感的有力补充，与卫星遥感和载人机航空遥感相比，更加方便、快捷，响应能力快，其生存力强，对气候条件要求低，对地形适应性强，同时摆脱了重访周期的限制，能实现影像数据的实时传输，满足紧急条件下工作要求。

无人机搭载的高精度数码成像设备，具备面积覆盖、垂直或倾斜成像的技术能力，获取图像的空间分辨率达到分米级， 适于1∶10 000或更大比例尺遥感应用的需求。无人机可按预定飞行航线自主飞行、拍摄， 航线控制精度高、操作简单，对起降的要求低，能实现遥控、半自主飞行和按预编航线全自动航行功能，便于掌握和培训。

 

　3 水文监测中无人机应用背景及需求

目前，水文事业面临新形势、新任务，肩负重大的历史责任。洪涝灾害、干旱缺水、水污染、水土流失等问题，已经严重制约着国民经济和社会发展。要解决好水的问题，就必须调整治水思路，转变治水方针，从工程水利向资源水利转变，从传统水利向现代水利、可持续发展水利转变。在这个历史转变过程中，要把水利信息化放在优先的位置。水文基础设施建设整体水平落后于经济社会发展需求，是水文建设发展过程中的突出矛盾。信息是水文决策的基础，是正确分析和判断水文形势、科学地制定水文发展方案的依据。由于无人机低空遥感的高机动性、高分辨率等特点，使其在水文行业中的应用有着得天独厚的优势，在洪涝灾害、干旱缺水、水环境污染、河道拥堵等相关领域上，无人机低空遥感都能发挥其巨大的作用。

 

　4 无人机水文监测应用及其解决方案

2004 年7月，暴雨引起广西桂平市蒙圩镇洪涝灾害，进行无人机遥感监测调查，第一时间得到了洪涝区、退水区、非洪涝区等信息的遥感图，创造国内首次利用自控微型无人驾驶飞机对洪涝灾害的遥感监测的纪录。

基于无人机携带方便、操作简单、反应迅速、载荷丰富、任务用途广泛、起飞降落对环境的要求低、自主飞行等特点，在传统的水资源调查、水域覆盖面积调查、水资源用地信息管理、水域警戒线分析、洪涝灾害、干旱缺水、水库蓄水水位监测、水资源工程动态监测、河流水文监测、水域排污、水面清洁监测、重要水利设备和设施安全监测、水库和坝区的周边环境监测水资源巡查成图等方面，均可以得到应用。

 

　4.1 水资源调查、水资源用地信息管理、水资源巡查成图

传统水资源调查、用地信息管理和水利巡查成图中，多用人工的方式进行调查，勘查人员携带相机从高处向河流拍照、乘船的方式对水资源面积调查。此种方法无法快速精确的执行勘测测量。

 

在进行这些工作的过程中，可以充分结合无人机的特点，利用无人机对所需监测对象进行航拍，巡视，通过大范围飞行快速巡查，第一时间掌握水利资源调查信息。通过航拍测绘掌握地面水资源用地信息以及水资源调查成果，地面工作站根据实时航拍监控数据可以清晰分析水资源的实时动态，后期制作电子版或相片成果图，生成水资源巡查成图。

 

提高了水资源调查小组户外调查办事效率，快速准确的为水资源面积、水资源地理信息和后期制作水资源巡查成图提供了不可代替的作用。

 

　4.2 洪涝灾害、干旱缺水、水域覆盖面积调查、水域警戒线分析

传统的洪涝灾害发生后，多利用直升飞机在受灾区域上空进行航拍监控以及拍摄洪水覆盖面积，当遇到大面积干旱缺水的灾害，定损工作一般采取人工定损方式，定损作业效率缓慢。

水域警戒的办法通常是以人工坐船的方式进行水深划分，没有鸟瞰图进行具体详细的划分。这些做法在洪涝灾害发生时无法快速应急，人工拍照角度没有鸟瞰图立体，同时因为定损面积大，人工作业缓慢。

此种情况下可利用无人机快速从空中俯视蓄滞洪区的地形、地貌、水库、堤防险工险段，遇到险情时，无人机可克服交通等不利因素，快速抵达受灾区域，并实时传递现场信息，监视险情发展，为防汛决策提供准确的信息。

无人机在抗旱监察工作中，可以避免人员深入田间地头，及时了解每个地区、每个灌区的水源储量，科学调度水库蓄水，做好蓄水抗旱工作，同时还充分掌握外河、外湖及内河水位变化情况。

无人机的使用，特别适用于突发事件应急管理，大大降低了防汛抗旱工作人员承担危险工作的风险概率、提高了工作效率。能快速的为大型水库进行航拍包括水域覆盖面积调查、水域警戒线分析，通过航拍实时监测可以清晰了解水域面盖面积、通过航拍成图划分水域警戒线，并找到对应点进行围栏划分。提高了处理紧急预警突发事件和灾害的办事效率，快速准确的为受灾地区进行航拍、定损，为救援人员提供宝贵的搜救信息。 　　

 

4.3 水库蓄水水位监测、河流水文监测、水资源工程动态监测

在传统的水库蓄水水位监测、河流水文监测、水资源工程动态监测中，勘查人员携带相机在大坝围栏上对水库浮标进行拍照取证来获得水位信息、人工乘船的方式对上下游河流水文情况进行监测。在监测过程中，若遇到大面积河流污染无法精确的执行水质监测，同时会因为作业面积广阔，人工监测调查缓慢。

此时，利用无人机则可以快速对所需监测对象进行实时监控，特别水库边缘区环境比较恶劣的地段，无人机可操控自如的完成监测任务。通过对上、下游河流快速巡查，第一时间掌握水文情况，特别是大面积的河流污染。

 

4.4 重要水资源设备、设施安全监测，水库、坝区周边环境监测

在传统的水资源设备、设施安全监测，以及水库坝区周边的环境监测中，也多是采用人工乘船、徒步的方式进行监测，监测人员携带相机、DV、望远镜对水利设备设施进行巡检，水库、坝区周边环境一般采取徒步的方式进行定期巡查。也同样存在调查缓慢、无法快速精确完成监测任务的问题。

利用无人机快速对重要的水资源设备进行监测，定点实时监控、巡视，特别水库边缘区环境比较恶劣的地段，可以方便的完成监测任务；当遇到水资源设施出现故障停止作业的情况，利用无人机能快速做出应急反应，对水资源设备进行实时监控，通过地面站发现可视故障问题。

通过无人机空中悬停实时监控掌握大坝进水区和出水区实时动态信息，地面工作站根据实时航拍监控数据可以清晰分析大坝在工作中的实时动态，能够快速准确的为水利设施设备进行实时监控，解决了人工作业缓慢和不能及的缺陷。