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【中国水利报】监测更精准 抢险更及时——看水文应急监测装备“百宝箱”

来源:中国水利报 时间:2024-07-11 作者:记者:陈思杰;通讯员:余可文、杨雁飞 编辑:郑力

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编者按:坚持创新驱动,加快水文现代化建设,是发展水文新质生产力的重要举措,是推动水文高质量发展的催化剂。前瞻、及时、准确的雨水情监测预报信息,是防洪调度和指挥决策的重要依据。在应急监测现场,在防汛抢险一线,气象卫星、天气雷达、测雨雷达、航空遥感、智能传感等一系列先进技术设备的应用,为雨水情监测预报提供了先进的感知手段。本期专题带领读者了解水文应急监测装备“百宝箱”里的先进仪器设备。


连日来,湖南华容县团洲垸洞庭湖一线堤防处置情况牵动人心,受到全社会的高度关注。水文应急监测为险情处置决策提供了强有力的数据支撑。一系列先进仪器设备的应用为水文人高效率、高精度采集数据提供了坚实保障。

跟随水文人,我们一起看看应急监测的“百宝箱”里都有哪些装备。


自主研发水位一体机发挥关键作用

险情就是命令,时间就是生命。“请速到现场开展水文监测!”7月5日18时30分,水利部、长江水利委员会指令下达后,长江委水文局党组书记、局长程海云,党组副书记、副局长官学文当即决定组建水文应急监测队和内业分析组。应急监测队兵分多路,从岳阳和武汉直奔现场;内业分析组与前方联动,开展成果分析。

7月5日团洲垸发生决口后,水文应急监测队携带无人机测流平台系统、无人船测流系统、无人机激光雷达地形测量系统、三维影像全站仪等先进仪器设备,在现场开展水文应急监测,快速获取水位、流速、地形、口门宽度等水文要素。团洲垸决口堤内、堤外两处关键地点,同时安装了长江委水文局自主研发的YAC9900便携式水位一体机,实时监测决口现场水位情况,第一时间获取决口口门上下游水位。

与时间赛跑的水文应急监测战,伴随着洞庭湖的滔滔水声和抢险救灾的铮铮号角,骤然打响!5日23时,三个关键数据报出——决口处堤外水位31.27米、堤内水位29.53米、水位差1.74米,为决策部门制定应急预案和指挥调度提供了科学依据。

7月6日零时30分,“流量5080立方米每秒”——第一份宝贵的决口处流量测验成果报出。


多种测验方式获取三维几何信息

流速测验是决口处水文应急监测的难点和重点。水文应急监测队采用巡测快艇和无人船测流系统进行走航式ADCP(声学多普勒流速剖面仪)测验,以用于测验水面流速的无人机搭载雷达波测流系统进行验证,将非接触式和接触式流量测验方式相结合,实现了决口处流速、流量的快速、准确测量。

“嗡……”一架无人机发出强劲的轰鸣声,从团洲垸决口处上方飞过。与常规无人机主要搭载摄像头不同,该机还负载了热红外和激光雷达传感器,能够在白天和黑夜对堤防进行快速扫描。

无人机激光雷达地形测量系统将无人机、航空摄影、三维激光扫描及GNSS(全球导航卫星系统)技术结合起来,可快速获取低空高分辨率影像数据、点云数据及倾斜模型等。

在团洲垸决口处的地形测量中,水文应急监测依托无人机激光雷达测量系统,收集了决口演变期间的地物影像数据,利用计算机视觉、空三解算等原理,对决口上下游影像数据进行处理,解算出地物的几何坐标。激光雷达实时采集地物的三维点云,通过数据处理获取地物的三维几何信息,构建了完整的水陆一体三维模型,为抢险决策提供了精确科学数据支撑。

应急监测队员连续多天作战,在现代化水文设备的辅助下全力开展水文应急监测工作。“经过处理和计算,无人机能在第一时间把测量到的水位、流速、三维坐标等水文要素信息发送给监测人员。”长江委水文局长江中游水文水资源勘测局副局长、水文应急监测队长罗兴介绍,这一系统可快速准确地获取低空高分辨率影像数据、点云数据及倾斜模型等。

在此次应急监测中,技术人员使用了国产自主研发的水文测验无人船,结合北斗高精度全球定位系统与自适应水流等先进技术,安全、快速、精准的施测水下地形,节省了数据采集所需的时间和人力成本,大大提高了应急监测的效率和准确性。


运用卫星雷达预测产汇流过程

由气象卫星和测雨雷达系统,共同构成的“天基”和“空基”监测预报防线,可实时监测和预报预警,在降雨前对可能发生的洪水作出预报,为实现延长预见期、提高精准度双重目标,提供了有力有效的情报信息支撑。

根据天气分析和数值预报模式等资料,水文人可提前预判长江流域短中期天气与降雨形势发展,采用卫星、雷达实时跟踪当前的天气实况和未来几小时内的短临预报预警,实现多尺度降雨预测。

“长江流域内3万多个雨量站点信息,可监视流域内降雨实况。在全流域降雨径流模拟体系的基础上,借助落地雨雨量监测,我们能准确预测长江干支流,尤其是洞庭湖水系和三峡水库产汇流过程。”官学文介绍。

长江水文情报预报中心会商室的大屏幕上,“垸内水位、实测流量、进垸流量(计算)”红绿蓝三条过程线在系统界面里交织,结合团洲垸决口处大断面宽度等数据,团洲垸水位容积曲线图也随之自动生成。

通过内外业联动,在及时收集现场应急监测数据的基础上,融合水文、地形、遥感等多源数据底板,基于长江中下游干流及洞庭湖区水文水动力洪水预报模型,搭建了团洲垸堤内外水位、垸内蓄量预测体系。根据监测数据实时率定、动态优化模型参数,水文人可精准预测长江中下游干流及洞庭湖区水位,滚动开展团洲垸堤内外水位和蓄量的应急分析。

当前,洞庭湖一线堤防决口完成封堵后,已调集排涝设备对垸内洪水进行抽排。抽排洪水过程中,水文应急监测仍在持续开展。


——无人机激光雷达地形测量系统

该系统采用自主研发的新一代国产长距1800米高精度激光雷达测量系统结合正射相机和五镜头倾斜相机,实现点云和影像的联合建模,提高建模效率及精度,共同搭配在四旋翼无人机上,可应用于水上地形高精度快速大范围测绘。同时配套的数据解算处理软件,采用机器学习技术,具有智能分类、自动生成DEM(数字高程模型)、断面图等自动化功能,解决常规数据处理过程复杂、精度难以保证等问题。

该系统适合天气多变以及地形植被覆盖等复杂场景下水上地形高精度三维测绘场景;机载长测程激光扫描测量解决方案,具有强穿透、高精度、多平台、高效率、高性价比等特点。

——无人机测流平台系统

该系统具备水位、表面流速测量和断面流量自动计算功能;可按规划的航迹自动飞行,并在飞行中同时传输搭载在无人机上的图传、流速和测距传感器数据;可通过无人机平台搭载雷达测速仪和雷达测距仪,在河道断面指定位置开展非接触式测流,自动计算断面流量。

无人机测流平台具备2个任务载荷通用挂载接口,适配多种任务载荷,支持双任务载荷同时挂载作业;无人机测流平台配备飞控软件和多种流量计算模型;通过同步挂载视觉监测、水文等专业设备,可实现水文监测、水文调查、水质采样、应急监测、堤防巡查等;通过宽带通信和快速呈现算法,实现实时飞行线路模拟现实和数据传输。

——水下地形多波束三维测量系统

该系统基于无人船平台集成了高精度的姿态及定位系统、声速测量系统超小型多波束测深系统,通过发射多波束结合航向、倾角等数据获取水下三维地形。有着灵活的工作频率、高效率条带覆盖、数据高更新率、窄小波束和60千赫的宽带调频信号处理等技术优势;配置高精度姿态仪,具备兼顾性能与便携性;配置轻巧便携的声速测量仪器,实时修正声速值。

系统工作频率从200千赫至450千赫,可升级700千赫超高频,应对不同水域环境可传回高质量数据;可满足不同水深的扫宽要求,并解决了浅水多波束测量作业提高质量的数据输出问题,具备超便携、低成本等特点。

——水文多要素应急监测装备

该装备采用轻量化便携式支架,实现多要素感知测控设备一体化安装集成;利用有线或无线方式设置参数,读取监测数据,并可通过配置的4G或北斗三代通信接口将数据发送到指定接收平台,是集数据采集、处理、存储、查询、传输为一体的新型水文应急监测装备,能有效解决防汛抗旱、抗灾抢险的水文应急监测中一系列问题。

装备采用一体化环境适应性设计,集成化程度高,具有防水、耐高温的特性;运输采用高强度模块化箱体封装,支架采用可伸缩折式,使设备安装快捷、运输方便、便捷性强;可监测水位、雨量、流速、气象(风速风向、气压、温湿度、光照度)等多参数水文要素;数据传输采用双信道,并可在现地组局域网短距离通讯。


责任编辑:郑力
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