無人機水質檢測應用方案

背景

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(歐陽）

我國河流眾多，水資源豐富，對國民經濟發展與人民財產安全影響重大。同時也是世界上水土流失比較嚴重的國家之一，進行水土保持監測和普查是一項十分艱巨而重要的基礎性工作。

 展望新世紀，水利事業面臨新形勢、新任務，肩負重大的歷史責任。洪澇災害、干旱缺水、水環境污染三大水問題已經嚴重制約著國民經濟和社會發展。要解決好新世紀水的問題，就必須調整治水思路，轉變治水方針，從工程水利向資源水利轉變，從傳統水利向現代水利、可持續發展水利轉變。在這個歷史轉變過程中，要把水利信息化放在優先的位置。

水文監測中無人機應用背景及需求

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目前，水文事業面臨新形勢、新任務，肩負重大的歷史責任。洪澇災害、干旱缺水、水污染、水土流失等問題，已經嚴重制約著國民經濟和社會發展。要解決好水的問題，就必須調整治水思路，轉變治水方針，從工程水利向資源水利轉變，從傳統水利向現代水利、可持續發展水利轉變。在這個歷史轉變過程中，要把水利信息化放在優先的位置。水文基礎設施建設整體水平落后于經濟社會發展需求，是水文建設發展過程中的突出矛盾。信息是水文決策的基礎，是正確分析和判斷水文形勢、科學地制定水文發展方案的依據。由于無人機低空遙感的高機動性、高分辨率等特點，使其在水文行業中的應用有著得天獨厚的優勢，在洪澇災害、干旱缺水、水環境污染、河道擁堵等相關領域上，無人機低空遙感都能發揮其巨大的作用。

  無人機因其機動靈活的起降方式、低空循跡的自主飛行方式、 快速響應的多數據獲取能力，在水利管理上具有巨大的應用前景，包括水域規劃、水利監測與水利管理。無人機還能完成水情監測、河道走向、水庫監測、洪 域檢查等，還能查看水毀橋梁、淹沒區域等情況。無人機可以搭載高分辨率數碼相機進行快速測圖，也可以搭載視頻采集設備，實時的采集并回傳即時的影像數據，體現出分辨率高、實效性好等優勢，還可以搭載合成孔徑雷達設備，在云霧天氣獲得高清晰度圖像。事實證明，無人機技術將在我國及*數字水利領域得到迅速而廣泛的應用。無人機遙感系統可完成對水土流失的成因、強度、影響范圍及其防治成效等的實時動態監測。主要包括：區域地形地貌、自然植被、氣候條件等；工程項目挖填取棄土量，建設項目水土流失對周邊及下游環境造成的影響等。運用傳統的方法需要大量的人力、物力和時間，而利用無人機系統可迅速掌握情況，減少人員工作量，縮短巡檢周期，大大提高信息的實時性和準確性。

具體應用

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     1. 水資源調查、水資源用地信息管理、水資源巡查成圖

     傳統水資源調查、用地信息管理和水利巡查成圖中，多用人工的方式進行調查，勘查人員攜帶相機從高處向河流拍照、乘船的方式對水資源面積調查。此種方法無法快速的執行勘測測量。在進行這些工作的過程中，可以充分結合無人機的特點，利用無人機對所需監測對象進行航拍，巡視，通過大范圍飛行快速巡查，*時間掌握水利資源調查信息。通過航拍測繪掌握地面水資源用地信息以及水資源調查成果，地面工作站根據實時航拍監控數據可以清晰分析水資源的實時動態，后期制作電子版或相片成果圖，生成水資源巡查成圖。提高了水資源調查小組戶外調查辦事效率，快速準確的為水資源面積、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. 洪澇災害、干旱缺水、水域覆蓋面積調查、水域警戒線分析
    傳統的洪澇災害發生后，多利用直升飛機在受 域上空進行航拍監控以及拍攝洪水覆蓋面積，當遇到大面積干旱缺水的災害，定損工作一般采取人工定損方式，定損作業效率緩慢。水域警戒的辦法通常是以人工坐船的方式進行水深劃分，沒有鳥瞰圖進行具體詳細的劃分。這些做法在洪澇災害發生時無法快速應急，人工拍照角度沒有鳥瞰圖立體，同時因為定損面積大，人工作業緩慢。此種情況下可利用無人機快速從空中俯視蓄滯洪區的地形、地貌、水庫、堤防險工險段，遇到險情時，無人機可克服交通等不利因素，快速抵達受 域，并實時傳遞現場信息，監視險情發展，為防汛決策提供準確的信息。無人機在抗旱監察工作中，可以避免人員深入田間地頭，及時了解每個地區、每個灌區的水源儲量，科學調度水庫蓄水，做好蓄水抗旱工作，同時還充分掌握外河、外湖及內河水位變化情況。無人機的使用，特別適用于突發事件應急管理，大大降低了防汛抗旱工作人員承擔危險工作的風險概率、提高了工作效率。能快速的為大型水庫進行航拍包括水域覆蓋面積調查、水域警戒線分析，通過航拍實時監測可以清晰了解水域面蓋面積、通過航拍成圖劃分水域警戒線，并找到對應點進行圍欄劃分。提高了處理緊急預警突發事件和災害的辦事效率，快速準確的為受災地區進行航拍、定損，為救援人員提供寶貴的搜救信息。 　　

     3. 水庫蓄水水位監測、河流水文監測、水資源工程動態監測

 在傳統的水庫蓄水水位監測、河流水文監測、水資源工程動態監測中，勘查人員攜帶相機在大壩圍欄上對水庫浮標進行拍照取證來獲得水位信息、人工乘船的方式對上下游河流水文情況進行監測。在監測過程中，若遇到大面積河流污染無法的執行水質監測，同時會因為作業面積廣闊，人工監測調查緩慢。此時，利用無人機則可以快速對所需監測對象進行實時監控，特別水庫邊緣區環境比較惡劣的地段，無人機可操控自如的完成監測任務。通過對上、下游河流快速巡查，*時間掌握水文情況，特別是大面積的河流污染。
    4. 重要水資源設備、設施安全監測，水庫、壩區周邊環境監測
    在傳統的水資源設備、設施安全監測，以及水庫壩區周邊的環境監測中，也多是采用人工乘船、徒步的方式進行監測，監測人員攜帶相機、DV、望遠鏡對水利設備設施進行巡檢，水庫、壩區周邊環境一般采取徒步的方式進行定期巡查。也同樣存在調查緩慢、無法快速完成監測任務的問題。利用無人機快速對重要的水資源設備進行監測，定點實時監控、巡視，特別水庫邊緣區環境比較惡劣的地段，可以方便的完成監測任務；當遇到水資源設施出現故障停止作業的情況，利用無人機能快速做出應急反應，對水資源設備進行實時監控，通過地面站發現可視故障問題。通過無人機空中懸停實時監控掌握大壩進水區和出水區實時動態信息，地面工作站根據實時航拍監控數據可以清晰分析大壩在工作中的實時動態，能夠快速準確的為水利設施設備進行實時監控，解決了人工作業緩慢和不能及的缺陷。

     5. 用于堰塞湖等應急監測

    堰塞湖大多發生在交通困難的地區，給人們進行監測帶來了許多不便。由于無人機具有機動快速、使用成本低、維護操作簡單等技術特點，可對堰塞湖的分布狀況與動態變化等情況進行監測， 為救援、及時消除隱患提供了*手的信息和科學決策依據。

     6. 冰凌應急監測

目前，我國排除凌汛的方法主要是利用 轟炸機，用重型 對黃河凌汛地段阻塞河道的冰壩進行破除。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 落點十分危險。為了及時、準確地掌握黃河內蒙古段凌情、冰壩位置和轟炸效果，采用無人機進行應急監測，可以為排除黃河凌汛險情提供。無人機對黃河河道冰凌航拍，具有穩定性好、起降靈活、 安全性高、實效性強等優勢， 同時利用無人機遙感影像進行凌汛險情調查與堤防病害識別，具有人力成本低，時間快，復查周期短，可以迅速發現或更新凌汛險情及堤防病害的發生、發展和變化情況等優點。

優勢

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  無人機自身優勢：攜帶方便、操作簡單、反應迅速、載荷豐富、任務用途廣泛、起飛降落對環境的要求低、自主飛行。

無人機水文監測優勢：

1. 提高了處理緊急預警突發事件和災害的辦事效率，快速準確地為受災地區進行航拍、定損；為救援人員提供寶貴的搜救信息。

2. 提高了水利資源調查小組戶外調查辦事效率，快速準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. 快速準確的測量水庫蓄水狀況、準確監測上下游河流水質情況、和加強對水庫、壩區作業實時監控。

4. 能夠快速準確地為水利設施設備提供實時監控，解決了人工作業緩慢和不能力及的缺陷。

應用前景

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  無人機在水利行業的防洪搶險、水文水資源監測、水土保持監測等方面有著更為廣泛的應用前景。在日常防汛檢查中，可以立體地查看水利工程、水庫庫區的地形地貌、河道及堤防險工險段、蓄滯洪區的地形環境等。尤其在遇到洪水險情的情況下，可克服交通不便等不利因素，及時趕到出險空域，監視險情發展，實時傳遞現場影像數據等信息，為搶險指揮決策提供準確可靠的實時信息。通過無人機的航空遙感技術來獲取空間或地面的各類數據信息，具有機動靈活、續航時間長、影像數據實時性強以及對于高危險區域可進行實時現場探測等一系列優點，有效地彌補了衛星遙感或有人駕駛飛機航空遙感作業的局限和不足。在水利管理領域尤其是在防洪搶險以及抗旱減災中，這一*的優勢將得到普及應用和發展。同時，無人機運輸攜帶方便，其長時間的續航能力和遠距離的遙控技術，可大限度地滿足防洪搶險、蓄滯洪區運用等水利管理的一些特殊環境下的需要。在需要實時了解運用的蓄滯洪區范圍或是干旱區域面積時，使用無人機可非常有效地完成監測任務。

我國是世界上水土流失比較嚴重的國家之一，進行水土保持監測和普查是一項十分艱巨而重要的基礎性工作，無人機遙感系統可完成對水土流失的成因、強度、影響范圍及其防治成效等的實時動態監測。主要包括：區域地形地貌、自然植被、氣候條件等；工程項目挖填取棄土量，建設項目水土流失對周邊及下游環境造成的影響等。運用傳統的方法需要大量的人力、物力和時間，而利用無人機系統可迅速掌握情況，減少人員工作量，縮短巡檢周期，大大提高信息的實時性和準確性。隨著我國水利現代化建設的不斷發展和進步， 怎樣加快水利信息化建設，有力支撐水利規劃、建設、監測和管理等各項工作，特別是應對頻繁發生的水澇干旱、森林火災、冬雨冬雪等災害影響，已成為擺在我們面前的重要問題。無人機系統的機動靈活、 續航時間長、視頻影像的實時傳輸和不受地形地貌等區域環境影響的優勢和特點，使無人機系統在水利管理領域中有更加廣泛的應用前景。