2022年辽宁省绕阳河溃口无人机应急监测分析

张芸硕 关青松 宋文龙 刘宏洁

（1.辽宁省防汛抗旱保障中心，沈阳 110003；
2.辽宁省河库管理服务中心（辽宁省水文局），沈阳 110003；
3.中国水利水电科学研究院，北京 100038；
4.水利部遥感技术应用中心，北京 100038）

2022年汛期，辽宁省共出现19次暴雨过程，平均降雨量672.4 mm，比常年同期多48.4%。其中，绕阳河杜家水文站持续超警戒水位达57 d，韩家杖子水文站、东白城子水文站均出现1951年有实测资料以来的最大洪水。8月1日，绕阳河左岸曙四联段发生溃口险情，溃口宽度从20 m发展到52 m，通过应急抢险队伍昼夜努力，最终于8 月6 日18 时20分溃口成功合龙。

（1）机型。执行溃口险情监测任务的无人机包括多旋翼无人机和垂直起降固定翼无人机。

（2）载荷无人机挂载载荷类型包括可见光相机和热成像相机。

（3）执行任务情况。经过6 天5 夜抢险，绕阳河左岸曙四联段溃口顺利封堵。无人机在前线指挥调度和封堵作业中发挥了重要作用，无人机执行任务情况如表1所示。

表1 无人机执行任务情况表

2.1 溃口应急测量

2.1.1 图像中心点距离差方法应急测量

（1）现场环境情况。8月1—2日属于溃口高速发展期，在2日白天，封堵应急方案尚未确定的情况下，亟须溃口现场资料。8月2日16时，由于受淹区的水面高程超过溃口北岸原有的堤防高度，且水位在不断上涨，对现场人员安全构成威胁。因此无人机团队车辆停留在距离溃口1 400 m左右的位置，徒步进场至距离北岸溃口600 m处的位置开展无人机航飞。由于现场无通信信号，给无人机航飞带来一定困难，同时也造成无人机软件中的地图无法缓存显示。溃口情况如图1所示。

图1 溃口情况

（2）测量情况。根据图像中心点距离差方法，对溃口执行应急测量任务。根据无人机应用程序显示的高度和水平距离数据，利用直角三角形边长公式测算出溃口距离差，最终估算出溃口长度。方法步骤如下：

第1 步：利用无人机镜头向下90°并利用遥控器平台上的中心点显示确定溃口两端位置，同时记录两端距离。第2步：调整无人机角度，以溃口两端确定点位做延长线，利用遥控器中的地图中的辅助线确定直角点，记录无人机距离。第3步：无人机返回，利用直角三角形边长公式计算出溃口数量差，得出溃口距离。

（3）校核与成果分析。8月2日上午在条件尚可的情况下，另一只无人机队伍通过无人机免像控应急航测，得出溃口距离为38 m。8月2日下午，此项飞行任务最终估算出溃口距离为38.8 m，并提供给前方指挥部。

虽然有其他测量方法可以替代，比如利用无人机打点确定航测范围、单张影像分析法等，但是由于溃口现场通信信号不稳定、不能长时间停留等因素影响，故选用图像中心点距离差方法进行测量。在测量过程中，需要通过无人机飞手的飞行经验和视觉确定，存在小范围误差，但此方法适用于所有无人机。因此在应急情况下需要确定距离时，图像中心点距离差方法可作为一种简便的应急测量手段使用。

2.1.2 免像控无人机应急测量

（1）执行任务机型及数量情况。机型：2 架大疆精灵4 RTK四旋翼无人机；
1架大疆御2行业版四旋翼无人机。配件：10 块精灵4 无人机电池，6 块遥控器电池；
5 块大疆御2 电池；
1 台测绘合成及图像工作站；
1 台电小二移动充电站（由于车辆无法进入现场，需要乘坐运输石料工程车辆进入现场，不携带较大的移动充电站）。

（2）现场具体环境情况。8 月3 日，前方指挥部确定封堵方案，工程机械和运输石料车辆从溃口两端同时进场，拓宽堤顶道路；
8 月4 日，溃口下游进场封堵，下午直升机抛投5个沉箱；
8月5日夜间，溃口上下游同时封堵，同时加高北侧堤防高度；
8 月6 日，封堵完成。溃口现场部署有联通应急便携式卫星网络Wi-Fi设备，无人机设备可以进行联网。由于非工程车辆不能进入溃口作业现场，进入现场时需要结合步行和搭乘工程车辆的方式到达溃口附近。

（3）测量情况。基于成熟的无人机免像控测绘技术，对溃口进行测量。测量步骤如下：

下面根据式(20)仿真分析n、min{intervali} 、S对asp的影响.因为在入侵者单条入侵路径上利用的脆弱性数量一般不超过10[16]，所以下文的分析中取n∈[2,10].图5(a)中min{intervali}= 500τ,700τ,1000τ，S=1000，n=[2,10]；
图5(b)中S=100,1000,10000，n=5，min{intervali}=[10τ,50000τ]；
图5(c)中min{intervali}=100τ,150τ,200τ，n=5，S=[50,10000].

第1步：考虑现场网络环境差、无充电环境等因素，在上堤防前将无人机地图进行缓存和导入。第2 步：综合考虑电池携带量、航测效果、航飞任务等因素进行航线规划（图2），确定飞行范围、飞行高度以及航测重叠度等。第3 步：除8月4日外，其他时间无人机均顺利完成航飞任务。8月4日下午溃口现场风力达到6级以上，御系列无人机无法起飞执行飞行任务，精灵4 RTK 不能正常原地自主起飞，2 架次起飞时都发生侧翻，后调整起飞方式，在工程车辆背风侧以手持的方式起飞和降落无人机。第4步：完成任务后，在现场对成果数据进行处理，利用测绘处理软件得出溃口宽度和堤防内外水位差等数据。

图2 无人机航线规划及拍照点

8月4日，无人机进行了两次航测，共计获取航测影像913 幅，平均飞行高度66 m，重叠度均为80%，覆盖面积1.51万m2，利用制图软件处理图像时间为38 min。8月5日，经过对前1 d 的航飞范围和高度进行调整优化，共计获取航测影像221幅，平均飞行高度85 m，重叠度均为80%，覆盖面积1.42万m2，利用制图软件处理图像时间为14 min。

（4）成果应用。8 月4 日，无人机航测后得到进场作业前溃口宽度为50.95 m，堤防内外水位高差为0.32 m，与新华社公布数据有差异，原因为新华社引用中国安能建设集团有限公司（以下简称安能集团）无人船测量数据，无人船搭载多波束雷达设备对溃口进行测量得出52 m；
同时，测量方位和测量点不同造成溃口测量长度不同（图3）。8 月5 日，测量溃口宽度为40.79 m，堤防内外水位高差为0.03 m。溃口距离缩小了10.16 m。

图3 8月4日测量成果

通过两次无人机航测成果数据，得出综合单侧封堵施工进度为1 m/h。8月6日，根据安能集团上午6时报告溃口宽度还剩27 m和中午12时报告溃口宽度还剩18 m的数据分析，结合封堵难度减少、双向施工进度不断增快等因素，推算封堵合龙时间为19时左右，最终合龙时间为18时20分。

2.2 夜间巡堤查险

（1）执行任务机型及装备数量情况。机型：1 架大疆御2 行业版四旋翼无人机；
挂载：热成像仪、可见光相机；
配件：5块大疆御2电池。

图4 堤防热成像与可见光成果对比图

2.3 前线无人机航拍直播

（1）执行任务机型及装备数量情况。机型：1 架大疆御1 Pro 四旋翼无人机、1 架垂直起降固定翼无人机。配件：1 辆央视卫星通信视频转播车，多屏幕显示器，消防卫星视频转播车，无人机信号中继站。

（2）执行任务情况。央视实时直播：多旋翼无人机作为拍摄机位之一，对堵口情况进行拍摄，获取的影像面向全国观众直播。8 月6 日，专门拍摄溃口合龙的影像，并在各平台进行实时网络直播，直播时长近4 h，直播观众超过400万人。现场画面实时回传：前方指挥部距溃口直线距离15 km，为不影响前方溃口封堵施工，利用垂直起降固定翼无人机在溃口区域盘旋拍摄的方式进行航拍，随时掌握溃口前方动态信息，前方指挥部可及时调整决策命令。

3.1 提高无人机使用率，选择合适的机型及挂载

通过本次溃口封堵情况可知，虽然市县级水利、应急等部门已经配备多架无人机，但是挂载单一，全部为可见光相机，并且只会执行航拍任务。受到基层防汛工作人员少等因素影响，水利部门在应急情况下难以抽调专人去执行无人机航飞任务。

8 月1 日夜间至2 日凌晨，由于堤防不稳定，人员全部撤离至安全地带。因为使用的无人机缺乏夜间观测能力，夜间视觉受到影响，无法准确评估溃口宽度，造成现场有两种宽度说法。如果使用无人机挂载热成像仪的方式，通过图像中心点距离测量方法测量出溃口的大致宽度并观察堤防周边情况，可为指挥决策起到重要作用。同时，建议有关部门部署无人机时，考虑搭载差异化传感器，使无人机可全天时执行任务。

3.2 飞行安全及信息共享问题亟待解决

8 月2 日，应急管理部门的2 架米171 救援直升机、翼龙空中应急通信平台无人机、2 架垂直起降固定翼无人机进场后，同区域多数量的航空飞行器相互之间造成巨大的飞行隐患。8月2日直升机执行沉箱任务时，溃口上空一切前方指挥部部署的无人机都已停飞，如果不明情况的无人机在此上空飞行，将会对直升机安全造成严重威胁。8 月6 日，溃口合龙时，空中执行任务的无人机更是多达10 余架，多部门在同一地点使用无人机，各自为战，数据不能共享，此情况造成一定的安全隐患。

建议建立无人机信息共享机制，不同部门间密切配合，避免无人机的过度使用。同时，现有无人机制造商可开发空域提醒及强制避让功能，降低航空器飞行风险。

3.3 无人机与卫星遥感综合使用

无人机相比传统的测量和监控手段更为高效，具有图像成果清晰度高、使用方便、技术要求不高等优势，但是在紧急情况时，受到遥控距离、飞行高度、飞行速度等因素影响，无法利用无人机进行大范围观测。卫星遥感动态监测具有数据获取范围广、数据成果丰富等优点，也存在易受天气影响、空间分辨率比无人机低等缺点。

建议无人机和卫星遥感综合使用，可以得到微观具体和宏观变化情况，获取更全面的监测成果数据。指挥部门可依托更翔实的信息、更准确的数据制定更科学的决策。

3.4 加强小型化、多功能化无人机研发

此次溃口险情监测中，单人携带的装备有2 架精灵4 RTK 无人机（用于航拍航测）、1架御2行业版无人机（用于夜间观测）、15 块无人机电池、1 台图像工作站（处理图像）、4个背包、饮用水、食品等。在保证完成任务的情况下，最大程度精简设备，但是携带物品总重量依然超过25 kg。又因距离溃口20 km处所有非工程车辆不能进入，平均每天单程徒步距离在5～10 km，搭乘至少3 辆工程车，耗时3～5 h才能到达溃口，完成任务后也需要同样方式和耗时回到后方，极大地消耗了体力和精力。

所以有必要加强适用于极端汛情条件的无人机研发，减小无人机体积和重量，提高抗风能力，加强防尘防水性，丰富无人机功能，增长续航时间和遥控距离，兼容不同转播平台及设备。

无人机应用技术已经日趋成熟，成为各类险情监测的重要手段，更是抢险指挥机构获取前方数据信息的重要来源。本文通过大疆精灵4 RTK、御系列等多种型号四旋翼无人机在盘锦市绕阳河曙四联段堤防溃口险情的实际应用，对抢险3个应用场景进行了详细阐述，说明了图像中心点距离差方法测量和免像控无人机应急测量的简便方法，为前方指挥部提供测量数据；
简要介绍了如何在夜间使用无人机，为河道发生险情时无人机选择挂载提供参考；
充分说明了航拍直播中无人机的使用，考虑多旋翼无人机与垂直起降固定翼的差异化使用，在应急环境下发挥出最大作用。

在未来应急抢险监测中，需要进一步加强数字孪生流域与智慧化相结合，结合多种前端感知手段，利用统一的空管平台和监测平台，让无人机应急监测更加简单、方便、快捷，获取的监测数据更加准确、及时。

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