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无人机航拍在水土保持中的应用

  摘要:使用无人机进行航拍和监控,最早应用于军事目的。随着科学技术的不断进步发展,因无人机费用低廉、使用灵活性好以及环境适应能力强等诸多优势,已经广泛地被非军事领域运用。水土保持是利国利民,可持续发展的重要方面,有其科学的内涵。在使用无人机进行水土保持相关工作中,目的是进行水土保持方面的调查,使用的主要工具是无人机。因此,必须弄清水土保持的基本理论和无人机的基本知识。

  一、水土保持基本理论体系

  当前,全球人口膨胀与消费水平提高的双重压力,以及自然因素与人类不合理的利用造成了全球土地退化日渐严重,其中水土流失首当其冲。据统计全球入海泥沙比人类出现前多3倍。每年世界上约有700~900万hm2农田因水土流失而丧失生产力,相当于过去3个世纪水土流失速率的两倍以上。全球人口膨胀引起的水土流失多发生于发展中国家,而因消费水平的提高引发的水土流失主要在发达国家。美国每年流失的土壤达10亿t以上,每年约有1.2万km2的土地因水土流失而退化。印度每年流失的肥沃土壤约80亿t,养分多达600万t以上,比施于耕地上的化肥还多[1]。据水利部遥感中心1990年调查统计全国土壤侵蚀面积达492万km2,占国土面积的51%,其中水蚀面积179万km2,风蚀面积188万km2,冻融侵蚀面积125万km2[2]。近50年来,我国在水土保持、综合治理水土流失方面有了明显的成果,探索出了一条独特的具有中国特色的治理道路。但是,目前形势仍十分严峻,保护生态环境控制人为水土流失的问题还很多:总面积为79.5万km2的黄河流域,其水土流失面积就达43.4万km2。四川省水土流失面积有19.8万km2,占全省总面积41.8%。洞庭湖因淤积抬高,失去了调蓄长江来水的功能,已成了十分危险的“地上湖”。长期的水土流失已造成了极大危害:(1)土地破坏,威胁人类生存;(2)土地退化,加剧了干旱造成的危害;(3)河湖淤积加剧了洪涝灾害,多种水利工程综合效益功能迅速丧失。由此产生了水土流失与区域贫困间的恶性循环,水土流失已成为我国第一位的环境问题。国务院批准实施的《全国生态环境建设规划》中明确提出了我国水土保持生态环境建设的目标,目标要求:从现在到2010年坚决控制住因人为因素产生的新的水土流失,新增加治理水土流失面积60万km2,2011~2030年使全国60%以上适宜治理水土流失的地区要得到不同程度的整治,力争使全国生态环境明显改观。2031~2050年使全国适宜治理的水土流失地区基本得到整治,生态环境有很大改观。要完成这一重大任务,科技工作的指导任务更是迫不急待。这就促进了水土保持学科理论体系形成和完善。本文就以下几方面的问题,对其进行探索:水土资源的属性和水土保持概念、实质;水土保持科学的由来、发展和研究意义;水土保持学科研究的主要内容。

  1.1水土资源的属性和水土保持的概念及其实质

  土地是人类生存与发展最基本的一种综合性自然资源。科学、合理的使用,可保持其再生和恢复生产力的能力。反之掠夺性使用,土地生产力下降,土地退化,可直接影响人类生存与发展,恶化人类生存的环境。有效地利用土地必须因时、因地制宜。土地的面积是固定的、有限的,某类用地面积增加,它类用地面积则相应减少。当全球人口增加,人类为生存与发展,应更合理、集约地利用和保护土地,提高其生产力,以使有限的土地资源能持续地满足人类生活、生产不断提高的需求。水资源是地球上一切生命的发生、存在的最基础的物质资源。是生命第一需要的物质保障。全球14亿km3水中陆地淡水资源仅占3%,而且其中77.3%被储于极地高原的冰川水中,其余22.4%为地下水、土壤水,0.35%储于地表湖沼,0.01%于河水之中。全球陆地平均年降水量为800mm,扣除蒸发形成径流折合水深为485mm,年径流总量470000亿m3,其中地表径流总量447000亿m3。80年代统计全球人均水量9560m3,我国人均水资源占有量仅为247m3,为全球人均年水资源的1ö4。淡水资源是一种有限的资源,同时也是一种可循环流动的资源。三种陆地淡水资源关系密切,均具流动性并可以相互转化,形成了陆地水循环系统。它们又与大气水、海洋水构成了一个完整的全球水循环的体系。海洋水蒸发,形成大气降水,作为陆地的水源,使其不断的更新达到新的动态平衡。而土地资源似乎没有经常性的流动(除急剧地壳破坏)。然而,事实上土地资源也有着潜移默化的、不易为人所觉察的长尺度上的一种流动;随水流缓慢地流动,迁移和被改造迁移。暴雨溅击坡地造成水流对地表土层的片状冲刷和侵蚀;低处汇集的水流对土地进行着线状侵蚀;使坡面水土大量流失,被填入河、湖、沟、坑。水土保持学是指防止水土流失、保护改良与合理利用水土资源、维护和提高土地生产力的综合科学技术。其实质就是维护与提高水土资源的生产力使社会经济得到持续发展。这就要求人类立足于可持续发展战略的高度,控制易流失的水土,包括自然因素、人类活动造成的水土流失,以多学科和高科技保护、改良与合理利用水土资源,保护与增强土地的生产力,并建设和协调生态环境。最大程度的满足人类生存和发展的需要。

  1.2水土保持学科理论体系研究的主要内容

  水土保持学科理论体系是研究地球表层水土流失规律,水土保持的生态系统控制和系统工程技术的科学。水土保持学科涉及到多种自然科学学科与社会经济人文科学方面的理论和应用,内容十分广泛,相互渗透、紧密联系,是一个较庞大的体系。

  1.2.1水土流失规律研究地表水土的流失与地球表层在受到风化后在重力、水、风、冰冻等外营力的侵蚀、搬运和堆积运动有关。地表的地貌体是水土资源的载体,因而水土的运行规律,也将遵循地貌体的发生发展演化规律。我们知道,地貌学是研究地表形态特征、结构及其演化分布规律的科学[4]。作为地貌体表层的水土,必定按其规律发生、发展和分布。因此可以说,地貌学理论与应用是防治水土流失,进行水土保持的重要理论基础之一。

  水土流失的地貌学成因理论研究内容是根据水土所遭受的不同营力的作用过程来划分的,它们主要有以下几个方面:

  1.2.2坡地重力侵蚀作用其往往产生于坡地边缘尤其是陡峻的坡地边缘。其侵蚀方式一般有以下几类:

  (1)撒落。即分布于崖坡边缘的松散颗粒或碎屑在重力作用下坠落。

  (2)块体的崩落或错落。因崖边坡块体与基体间有裂隙,使块体不稳定而崩落或错落。以上两类重力侵蚀往往是经常的普遍的发生于陡崖多松散风化物或崖边多张裂隙的崖壁。其显示的地貌特征是产生崩塌崖壁和其下的崩积堆(或称倒石堆)。可以通过其上的生物特征、风化程度和规模判别其流动性、流动量的时间和范围。护坡围崖用生物工程围堆,大面积严重崩落地区一般应避绕,中小型一般用钢筋混凝土固基。长江链子崖即一例。

  (3)滑坡。是坡地块体在重力与水共同参与下,在滑坡与基座之间形成了滑动面的瞬间,坡地大块岩土下滑往往造成大量水土流失及人民生命财产的损失。由于滑坡产生往往有其发育过程:蠕动形变、瞬间滑移和停息三个阶段,经历了一个相当时间,并在每阶段都有其地貌特征表现,是可以量测判断的。大的滑坡灾害的产生可以预测预报,也是可以避绕的。长江新滩滑坡的提前预报,无一人伤亡是一典范。而较小滑坡体可以通过长期建设生物工程、排水工程、拦挡土石的混凝土墙坝等保护人民生命财产。

  (4)泥石流。是山地中含有大量松散固体碎屑的洪流,是一种两相流体。只要定性、定量的把握住固体泥石流物质所处的临界状态,泥石流水体集中暴雨、快速冰雪融化和冰湖溃坝的量级和时间,形成泥石流的沟谷临界坡度,以及控制住人类自身可能引发的泥石流因素,泥石流的防治与预测预报是有可能的。

  1.2.3坡地沟谷水流侵蚀作用坡面水流使部分颗粒从土中分离出来,并随水流搬运。由于大气降水于坡地,雨水的溅击,使片状水流在平缓坡地携带细小土粒向坡下流失,形成的初始浅缓、深度<10cm的V形称纹沟,可以为犁耕填平,此时坡面用生物固水土即可行。汇水继续集中下切深度大于10~20cm的V形称细沟,此难以用犁耕填平时,可用土堰谷坊等固水土。流水于沟内进一步集中,形成沟谷切深达>50cm宽度1m的V形称切沟,水土流失加大,此时以灌草丛并与建坝地结合固水土。多支细切沟的汇集,沟谷深切达1~2m以上,宽2~3m时,形成冲沟,可切入地下潜水区,增加流量,沟谷的侵蚀基准低于沟底,使沟谷除下蚀,同时有侧蚀、塑源侵蚀。坡地流水汇集,切割地表,形成分水岭集水线,由此产生不同类型、级别的水系和流域[6],此时流域内坡面需生态与土木工程同时并举,排水沟、淤坝地、蓄水池、堤坝、挡墙同时运作,坡边、坡顶立体生物工程以保护生态环境。在黄土地区物质松散,更有必要,在陕甘一带的黄土沟壑纵横地区已初见成效。实践证明,在坡地水流由片状逐渐转为线状水流为主时,严格把握沟谷的侵蚀基准面,保证其稳定,水保措施往往是成功的有效的。

  1.2.4河流侵蚀作用暂时性河流与经常性河流之间,山地河流与平原河流之间都存在着不同的侵蚀方式、速度。但是,河流在侵蚀—搬运—堆积之间都有着相对的平衡,也就是说都有着各自的自动调节能力。但自动调节的能力是有一定限度的,干预因素远远超过了该系统的阈值时,自动调节的能力受到破坏。集中表现为河流的水沙运动失调。水流的剧烈冲蚀包括下蚀、侧蚀和朔源侵蚀,使大量河岸土地被毁。而上游沟谷大量泥沙进入河流,使河床淤高,同时水库、湖泊的淤积,使调蓄综合功能顿然消失。从河流的侵蚀堆积(即冲淤)的理论分析看,归根结底还是河流流域的侵蚀基准面的调整问题,当其调整到适当位置,使河流的纵剖面达到相对平衡时,河流的水沙也就相应达到平衡,相反,则出现冲刷淤积。河流侵蚀基准面的调整,直接或间接影响到水流、水流速度及其切割河谷的深度、宽度、长度、谷坡的坡降、水流所携带泥沙粒径和数量等,它集中敏锐地反映在河谷中泥沙与水能平衡问题中。近几十年来,人们集中于研究如何在一定时期内使河流水沙相对平衡的问题。我国政府和联合国教科文组织共同建立的国际泥沙中心,在15年内已取得不少研究成果。尤其是在对黄河的水库清淤和引黄提灌工程及黄河流域的沟渠内泥沙冲淤保持平衡方面突破性进展。长江的上、中、下游各段都存在同样的问题。

  1.2.5岩溶地区的侵蚀作用由于可溶性的水作用于可溶岩地区,使区内水土流失产生。根据可溶岩分布状态和范围以及其侵蚀性水流的流动速度、状态和规律,可以预计可能因溶蚀作用产生的水土流失灾害的程度和危险程度。其中最为重要的基础理论就是要把握区域内的溶蚀基准面位置及性状特征。地下的溶蚀作用引起的水土流失灾害要比地上的溶蚀作用引发的水土流失灾害隐蔽得多,危险性更大。溶蚀基准面的变化,决定了该范围内溶蚀作用特性,决定了因溶蚀作用产生的漏斗、溶洞、地面崩塌、地下暗河、地下湖等溶蚀地貌的形式、分布和破坏速度,进而可预测区域内岩溶灾害的分布范围和发展方向与速度。

  1.2.6风沙作用使土地退化目前世界存在严重的荒漠化环境问题,即在半干旱湿润区由于不合理的人类活动,如盲目垦荒、过度樵采放牧等破坏的建设,使土地退化,生产力下降以致完全丧失。世界直接受荒漠化灾害的人口在2.5亿以上。由于风蚀作用,产生了许多不同类型的荒漠地貌,根据它们的不同类型、迁移方式、地貌的特征及其发育分布,可判别风力侵蚀的范围、方向、灾害程度和预测其发展趋势。世界和我国诸多的著名生态防风林带工程就是在这种理论体系指导下建立的,榆林地区即是一例。

  1.2.7高山、高纬度寒冷地区的冰雪冻融作用其往往使土地和工矿道路遭致破坏。现代冰川的进退和古冰川分布遗迹直接影响人们生存的空间范围和土地的利用,雪崩和雪蚀作用以及广阔的冻土地域内的冻融作用形成复杂的土地类型,土地质量低劣,生产力下降。尤其是在全球变暖趋势下,应当充分估计与解决可能带来的冻土融化,海水进侵,使沿海或内陆地区的土地盐碱化、潜育化面积扩展的问题。我国源于西部冰雪地区的河流,因冰川退缩,而人类开发流动增强,使水源供给量减少而产生断流的危机。因此探求冰雪、冻融作用及其地貌发育的规律是该区当务之急。

  1.2.8海岸带风暴潮及波浪、潮汐作用对土地吞噬与破坏不能低估全球变暖,世界海面普通上升,沿岸带的大规模土地开发已使许多地区海水进侵,土地丧失,海洋生物资源破坏并造成了严重的环境问题。海岸带受海陆各类动力的综合作用;陆地上河流以及人类活动的作用,海洋的波浪作用,突然的风暴作用,受月引力下的潮汐进退流以及洋流作用等。海岸带有着自身的地貌发育规律,从沿岸地貌的发展演化,可为人们提供区域泥沙的古代、现代和未来的冲淤动态规律,其中现代沉积动力地貌的特征、结构、发育演化与分布的规律,提供人们了解过去,把握今天的发展,展望未来的信息。

  1.2.9活动构造是引发水土流失的不可忽视的内动力要素新生代以来的构造活动,一般称之为新构造活动。活动构造是其中对人类生存发展影响最大的活的现代构造活动,它往往以断裂升降褶皱活动,地震、火山活动出现,可以改变现行一切内外营力形成的地表发育状态和过程,可以使土地破碎,改变一个区域的相对高度,起伏程度和切割密度,改变流域的侵蚀基准面,造就新的地貌类型的组合,形成新的土地类型的结构。

  二、无人机的种类

  无人飞行器是一种由动力驱动、机上无人驶、可重复使用的航空器。可从动力、控制、系统、高度、航程、制作几个方面分类。

  动力驱动:电动驱动、汽油驱动。控制方式:遥控式、半自主式、程控式或三者兼备。飞行高度:高原型-4000m以上。普通型-50m~4000m。飞行航程:远程:1000km以上、航程远、飞机大。中程:800km、近程:200km、超近程:50km以下(军用靶机)。制作材料:木制、碳纤维、玻璃钢。

  三、无人机航拍在水土保持应用的优势

  ——航空摄影的的作业现场许多是载人飞行器无法到达的空域、高度或危险地区。

  ——飞行费用只相当于大型载人飞行器的几分之一。有些时候,花钱也未必能办到。

  ——无人飞行器审批手续简单。例如,利用最大的遥控飞艇在城市上空航拍,按规定也只需到气象部门报批,在城市外飞行,基本不用审批(机场、特殊地区除外)。遥控直升机等其他飞行器由于尺寸很小,不需审批。

  ——机动灵活,选择最佳的视角得心应手;对起降场地要求较低。

  ——载人动力三角翼由于只有两人在空中飞行,飞行器较小,且起降场地也容易解决。在需要审批航线时由于它属于航空运动器材,比较容易。

  四、在水土保持航拍应用中无人机的基本设置

  无人机航拍飞控是一个集单片机技术、航拍传感器技术、GPS导航航拍技术、通讯航拍服务技术、飞行控制技术、任务控制技术、编程技术等多技术并依托于硬件的高科技产物,因此要能设计好一个飞控,缺少上面所述的任何一项技术都是不可能的。

  4.1航拍硬件方面

  航拍飞控需要硬件,如ARM、DSP、FPGA,以及UP10和UP20等,能满足功能需要,编程使用方便,功能接口全为首选。例如:UP10仅仅使用AVR单片机就完成了所有的功能,内置eeprom除了能完成各种设置以外,存航点数据也戳戳有余。内部的ram也能满足使用需求(不要考虑使用操作系统)。这样单片化能解决很多硬件间通讯、接口问题,增强了可靠性和易编程能力,也能使得飞控做的很小巧。

  功能齐全的Timer能够通过程序实现获取接收机信号和输出舵机信号的能力。大部分自制飞控的朋友都采用将自控舵机信号和接收机信号通过多路2选一开关芯片实现遥自控的切换,但是UP飞控直接获取各路接收机信号,其目的是可以将来自遥控器的信号转换为命令值,也就是使用遥控器实现指令控制,即RPV控制模式。

  另外还有多余的Timer可以用作计数器,比如获取发动机的转速信息。总共的计时器很有限,必须合理分配和使用它们,有的还同时发挥多个作用。

  单片机通常都自带AD,但基本上最多到10位,并且顶多8~16通道,很多管腿的复用功能,使得你顾此失彼,无法直接用来获取传感器的信号,所以仅用空余的AD通道采集飞控和舵机的电池电池电压是很合适的。

  飞控的传感器的采用:

  (1)AD公司的MEMS角速率传感器ADXRS150或者ADXRS300,价格一样,量程分别为150和300度/秒,目前国际上流行的小型飞控的首选陀螺,其精度能满足小型无人机的飞行控制。数量上需要3个,分别对应3轴。

  (2)AD公司的MEMS加速度传感器ADXL202或者ADXL210,价格也一样,量程分别为+-2g和+-10g,也是小型飞控的首选。数量需要2个,每个2轴,总共4轴,但是有一轴是重复的。

  (3)气压高度传感器和气压空速传感器。两个传感器虽然都是气压传感器,但是量程是有所区别的,作为高度传感器的量程通常选用:15kpa~115Kpa。空速传感器是差压传感器,其量程通常选用0~4Kpa,从而获得比较高的分辨率。

  (4)如果要控制直升机、旋翼机等能悬停的飞机,还需要磁传感器以获取悬停或者低速运动时的机头指向,固定翼飞机有一定飞行速度,这个传感器不是必须的。

  (5)如果要做自动降落功能,还必须有超声波传感器等测量对地高度的传感器。因为气压高度传感器跟气压场有关系,所以经过一段时间气压场变化后,绝对高度将会不再准确,因此飞机在自动滑跑降落时必须在离地0.5米至1米的平飘需要测量相对地面高度的传感器来完成。

  作为固定翼飞机,不需要自动降落的情况下,只需要前3种传感器,共8路电压数据需要采集。为了获得高精度,可以采用8路16位的AD芯片来采数据,将AD和传感器一起做成一个组件,便于以后升级处理时,只需要更换底板(这就是UP10到UP20升级的思路)。根据AD的输出接口选择和CPU连接,可以是UART、SPI、I2C。

  GPS通常都是串口通讯的,因此可以将它和CPU的一个串口连接,而CPU的另外一个串口通常与数传电台或者直接与地面站计算机连接,以便飞控和地面站双向通讯,传递设置参数、航线数据等给飞控,而飞控将飞行数据向地面站传输。

  CPU再富余的IO口可以用作一些任务操作,比如停发动机,照相控制,任务设备电平监控,任务设备控制等。

  如果嫌CPU的eeprom存取速度慢,存储量小,可以外扩flash、eeprom等存储器,也可以通过SPI、I2c等接口。这些外部存储器可以用来存储飞行数据,也可以存储一些诸如照片POS数据类型的任务数据。

  在PCB的设计过程中,一定要把高频部分、低频部分分开,尽量减少电磁干扰等情况的出现,采用多层板也对解决电磁兼容性问题带来帮助。

  4.2软件方面

  软件包括飞控内部的软件和地面站的软件。

  飞控内部软件是飞控的灵魂。ucos、linux等等的操作系统都不错。其实作为飞行控制这种实时性要求很强的控制系统,不一定要采用操作系统。使用操作系统对硬件和时序的控制能力降低,CPU的有效使用率降低,对内存的需求增加。在UP10和UP20中都没有采用操作系统。

  UP10完成了传感器数据采集,GPS信息获取,接收机信号获取,舵机控制,与地面站通讯,飞行控制率计算,导航控制,任务控制等所有功能。其中舵机控制和接收机信号获取拥有最高的优先级,与地面站的通讯优先级最低,合理处理CPU的优先级问题能够避免CPU控制时序的混乱和相互的干涉问题。

  对于飞行控制方法问题上取决于获取的数据。如果只是简单获得了飞机的角速率和加速度计信号等原始数据,控制方法只能采取某些飞控采取的间接姿态控制方法,也就是说在俯仰控制上采用控制空速的方法,角速率只用于阻尼增稳作用;在方向控制上采用转弯角速率控制方式。控制外环是高度和GPS导航航向。这种控制方法得到的飞机控制精度不算很好,特别是高度容易出现波动。但是控制了飞机的稳定的最核心,所以飞行还算是安全的。

  如果能够采取一些计算方法获取飞机的姿态角,pitch,roll,heading,那么控制方法就变为姿态控制了。采用姿态控制时,内环变成了副翼控制飞机的转弯坡度和升降舵控制飞机的俯仰角度(加一定的限制)。这种控制是飞机最正确的控制方式,因此其控制精度是相当高的,稳定性也增强很多。但是这种计算方法很复杂,都是浮点数矩阵运算,对CPU的运算能力要求很高,所以需要引入ARM、DSP等32位浮点运算能力很强的处理器。UP20中增加了ARM专门用于飞行姿态计算,并将计算出来的姿态数据交给UP10,而UP10原来的功能丝毫不受影响。如果全新设计飞控则UP10前面所进行的所有飞行试验就白费了。

  PID控制内环通常采用20Hz以上就足够了,外环通常4~6Hz就足够了,再快已经没有多大的意义。对于PID参数最好能够通过与地面站的无线通讯实现,这对于飞行时的PID参数调整会带来极大的方便,尽量减少飞机的起落次数。

  在编制与地面站的通讯程序部分,一定要考虑到无线通讯的误码率问题,所有上下行数据必须都要加以校验,特别是飞行航点数据这些重要数据要反复校验,一旦错误将会将飞机导航到不可知的方向。

  导航逻辑一定要严谨,对于可能出现的一些问题要提前考虑到。对于可能出现的GPS丢星,发动机停车,飞机机体解体,遥控失灵等问题要考虑补救措施。

  舵机的反舵设置,不同布局的混控设置等最好在飞控中都能实现。

  4.3地面站的基本设置

  对于地面站软件,要考虑到方便、实用、可靠,美观是其次的。其实要设计一个好的地面站也是需要经验来支持的。这个地面站软件应该考虑到如下功能:

  •地面站软件集成化

  •可以支持多种地图:电子地图,扫描配准地图,自定义地图

  •飞行仪表(空速,地平仪,高度,转速,罗盘,升降率)

  •传感器数据监测

  •飞行中实时PID调节:地面站实时监控飞行数据,并动态显示数据曲线,实时修改PID增益参数

  •飞行中可以设定目标航点

  •可以实时操作任务舵机位置,操作和显示任务IO口

  •可使用地面站远程控制飞机飞行

  •图形化方便灵活的航点编辑方式(包括制式航线):可以直接在地图上使用鼠标增加、删除航点,可以直接拖动编辑所选择的批量航点,可以手动修改航点数据。支持单点和所有航点上传和下载。

  •调整舵机旋转方向和中立值

  •记录遥测数据

  •显示飞机的飞行轨迹和姿态

  •危险告警(电压、温度、GPS状况、发动机转速、高度、爬升率等)

  •回放飞行数据

  数传电台的选择不要一味的追求发射功率,可以通过好的增益天线来获得远距离的传输,飞机上数传的安装要避免对舵机、遥控接收机、飞控内部的传感器造成干扰。

  试飞前的准备工作要做充分,遥自控切换要切实可靠(调试初期出现任何问题要能及时切换到遥控状态),准备好试飞计划,做好飞行前检查,做好飞行后总结,由简到难,逐步实现自动控制。

  无人机在水土保持中的应用虽然已经日渐成熟,但在很多方面还有待于探索和完善,使之更好地为国民经济服务。

  

2021年1月21日 16:57
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