无人机遥感技术在水利工程安全与灾害防治方面的应用

王 帅

（长春工程学院人事处，吉林 长春 130103）

1 无人机遥感技术发展背景

无人机是利用无线电遥控设备或机载计算机控制系统进行操控的不载人飞行器，英文缩写为“UAV”。我国无人机遥感技术从最初的军用发展到民用经历了30多年的时间，可分为以下三个时期：1）20世纪80年代之前，无人机大多是军用的，主要用于军事目的的科学实验和航拍测图。此时的无人机控制系统及航拍数据快速处理技术还不够成熟，使用成本较高，操作风险也较大。2）20世纪90年代至2005年，通过借鉴国外民用无人机遥感技术，我国对民用无人机技术积极展开应用探索，低端小型的民用专业级无人机得到了发展。3）2007年至今，无人机遥感技术进入快速发展阶段。不仅军用无人机取得突破性进展，屡立战功，民用无人机也在各行各业得到应用。尤其是民用消费级的无人机技术也趋向成熟，走进千家万户[1]。

2 水利工程安全与灾害防治发展现状

水灾是世界普遍和经常发生的一种自然灾害，据估算，世界上平均由于水灾造成的死亡人口和受灾人口约占各种自然灾害和受灾人口的3/4。

中国是世界上洪涝灾害最为严重的国家之一。据史料记载，自公元前206年至1840年的2046年中，我国共发生洪涝灾害2 397次，其中较大的灾害984次，平均每两年就有一次[2]。《中国灾情报告》的统计数据显示，我国由洪涝灾害造成的农作物受灾面积占各种自然灾害造成的农作物受灾面积的22%，成灾面积占28%，洪涝灾害是我国危害最为严重的自然灾害之一。以2019年为例，长江、黄河、淮河、珠江、松辽、太湖6个流域发生14次编号洪水，发生编号洪水次数为2013年有攻击以来最多，较2013—2018年平均多了一倍。全国有615条河流发生超警戒水位洪水，其中119条河流发生超保证水位洪水、35条河流发生超历史实测记录洪水。近年来，洪涝灾害问题不仅出现于流域附近，一些城市也发生较严重的暴雨内涝问题。我国是一个城市化问题十分突出的国家，全国一半的人口主要集中在650多座大中型城市。这些城市拥有全国4/5的经济总量，在国家政治生活和经济建设中起着举足轻重的作用，一旦发生洪涝灾害，将严重威胁人民的生命财产安全。

同时，随着极端天气突发、自然气候形势恶化，现有的水利防汛工程体系还需要进一步完善。近年来，山洪灾害频发、中小河流超标准洪水频现，对我国的防汛工程体系建设带来了不少新的压力。水利工程作为民生工程，与地区经济发展、生态环境、工农业生产有直接联系。科学安全的水利工程运行管理方式，特别在山洪灾害防治系统、中小河流防洪工程、中小水库安全管理、水毁工程修复等方面，需要结合无人机远程遥感与监测技术，为水利工程建设与维护提供基础数据。同时，在防汛中开展水文信息实时分析研判，为水旱灾害防御、应急抢险及水毁工程修复工作提供更好的决策支撑。

3 无人机遥感技术在水利工程安全与灾害防治方面的应用

无人机技术通过在飞行器上安装数字遥感设备，例如数码相机或数码摄录机等进行拍摄和记录，再将影像资料通过处理技术进行同步传输，以实现对地理信息的实时监控。无人机能通过低空飞行方式，航拍高分辨率的遥感影像，具有高机动性、高清晰度、低成本等特点。水利工程由于地形条件复杂、工程规模较大等特点，在很多方面可以利用无人机遥感技术提高工作效果[3]。

3.1 在水利工程安全方面的应用

3.1.1 开展河道巡查

利用无人机航摄技术，能有效弥补人力无法到达预定位置、时间有限等缺点，可以从宏观上、微观上在河道动态监督、巡查方面发挥极大用途。真正做到以点带线、巡线找点，细化督查，找问题、查责任、促履职，调动加强河湖管理保护工作。以某市为例，2017年，某市对倒木沟河进行管理保护，通过无人机遥感航拍技术、实地走访、监控拍摄等手段对河道现状进行监测。通过采用无人机巡河，低空安全范围排查，测出涉水建筑、水面漂浮物、岸坡损坏、湖泊围垦等情况。从高清图片和视频资料中可以清楚发现倒木沟现存跨河建筑物共6座，其中桥梁4座，涵洞2座。由于倒木沟沿河总人口2 778人，共有11家养殖户，存在生活用水污染和畜禽养殖污染隐患，需重点排查。因此，采用无人机低空飞行航拍高分辨率遥感影像，在位于倒木沟东桥处发现一处100 m3生活垃圾倾倒于河中，影响水质的畜禽粪便堆积点2处，需要修建垃圾收集点2处。通过无人机遥感技术，对当地制定“一河一策”提供了有力的依据，是河长制运行体系下的重要举措。通过该方法，可以更加全面地了解流域基本情况，为后续治理方法的制定提供理论依据。通过多方位的考察，无人机航拍对于全面了解河流状态，水域岸线现状，水污染尤其是畜禽养殖污染偷排问题，小型企业偷排污水问题，在河道管理范围内非法采砂、非法建筑物、滩地种植高秆作物，地方破损长度、位置能直接观察到，第一时间进行处理。

3.1.2 提供水利工程基础信息

无人机可以通过配置多个角度的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。无人机对水库、河流、湖泊的连续不断监测，可以获得监测水范围的实时变化情况，通过获得的一系列基础数据、影像资料，如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。还可以通过专业的软件分析研究逐步实现水域管理的信息化、智能化，从而满足社会经济发展的需要。

3.1.3 开展水质监测

关于水质环境监测，根据监测任务要求，无人机遥感系统可切换搭载多光谱成像仪、水质采样仪、夜视系统等模块，实现对水质情况的全方位巡查监测。目前的无人机多参数水质检测仪可短时间内生成高清晰数据图像和叶绿素、水体浊度、蓝绿藻等多种检测数据。另外，水污染事故发生后，无人机多参数水质检测仪可快速提供水体污染状况变化情况，用于环保部门快速响应和处置决策。

3.1.4 开展水利行政执法

在水利行政执法巡查中，无人机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。

3.1.5 拓宽监测检查范围

部分水利工作内容涉及的河流区域范围广、河段多，极端天气巡视任务重，甚至部分险情发生地区工作人员无法进入。在各水文监测、河道监测点配备无人机航拍设备，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。新冠肺炎疫情防控期间，车辆、人员均处于封闭隔离状态，管理人员通过无人机遥感系统进行巡查管理，系统搭载的摄像设备实时传输河道图像，确保管理不缺位。

3.1.6 降低管理成本

传统水利监测管理主要依靠人工观察、车船巡视、人力取证等方式，需安排专业人员，日常巡查所需车船、油料、设备、人力等投入较大。无人机遥感系统日常维护简单，人力投入较低，另外受特殊环境影响较小、适应性强。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。

3.2 在灾害防治方面的应用

无人机遥感技术在灾害防治领域发挥了重要作用，其特点是机动性好、数据精度高、成本低、数据实时性强等，已广泛应用到许多领域，主要包括灾情监测、高清数据采集、应急指挥支持等。

3.2.1 灾情监测和高清数据采集

无人机在防洪减灾领域可用于滑坡、山洪灾害、城市洪水、堤坝溃决、旱情监测以及地震、滑坡等引发的堰塞湖等方面的监测。早在2008—2009年黄河凌汛期间，利用无人机采集 CCD（Charge Coupled Device）高分辨率照片及视频，进行黄河宁蒙河段凌情监测；在全国山洪灾害调查工作中，无人机技术应用于获取复杂山丘区小流域基础信息资料；近年的无人机防汛应急指挥调度系统、无人机应急指挥车、空中测验报汛平台等，可在山洪或泥石流等灾害造成通信网络中断的情况下，建立前线与后方移动会商系统，为指挥决策提供支持[4]。在进行防汛检查时，无人机利用不受道路损坏、极端恶劣气候的影响，可以第一时间到达需要检测的区域进行360°的巡察，利用相关技术将检测数据实时传递，最大程度地规避风险的产生。发生险情后，无人机可以代替技术人员深入险情地带带回最新信息，为应急救援提供依据，还能更大程度地保障救援人员的安全。

3.2.2 应急救援指挥

无人机可通过配备无线高音喇叭进行高空巡航。在危险区域循环播放预警音频，疏散群众，也可实时喊话，对被困人员进行安抚。通过在无人机上挂载高空抛投器，根据实时传输回来的图像确定投放位置后，通过手持遥控器对投物器进行控制打开，将货物（头盔、急救包、救生衣、绳索等）准确抛投到所需区域。

4 存在的不足

无人机遥感技术水利工程安全与灾害防治方面中主要存在以下几个方面的问题：

1）缺少标准法规、规范，有一定技术门槛。在大力发展无人机应用的同时，安全与秩序也摆在从业者的面前。目前，国家各部门没出台涉及无人机管理的具体法律和法规，各部门的规章制度也滞后于产业的发展。但是，水利工程安全管理结合无人机遥感技术是趋势所向，因此研究制定遵照国家现有法律法规、适合水利行业特点的监管标准规范，是确保有序、安全、高效地发展水利无人机遥感技术的当务之急。无人机技术发展快，在应急监测流程、硬件指标等方面还未形成统一标准规范，且利用无人机遥感技术进行数据采集要求操作者具有一定的无人机操作技能，操作人员需要经过培训，考试合格后方可上岗。

2）监管方面需要完善。河湖资料为我国基本地质资料，是国家信息资源安全的重要组成部分。无人机遥感系统的资料处理存储为数字形式，在方便查询管理的同时，也易造成当地河湖资料的外泄，存在一定公共安全风险，需要对资料进行妥善管理。

3）覆盖面较小。在大风或气候条件恶劣等情况下，会造成数据精确度下降、巡航时间大大缩减。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[5]。此外，无人机可以搭载多个摄像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。

5 总结

随着我国水利信息化水平的不断提高，以无人机遥感技术为代表的新兴技术已经应用到水利行业的方方面面，特别是在水利工程安全与灾害防治方面发挥了重大的作用，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起到了举足轻重的作用。因此，如何将无人机遥感技术与水利行业更好地结合，是科研人员值得进一步研究和探讨的内容。