一种利用无人机编队的山洪预警监测系统及方法与流程

本发明涉及山洪灾害防治技术领域，具体是一种利用无人机编队的山洪预警监测系统及方法。

背景技术：

在山区中，由于天气、地形等多种因素的影响，时常会爆发山洪。山洪具有突发性且破坏强，因此需要对山洪进行预警，避免造成人员和财产的损失。

现有的山洪预警方法有卫星预警，现场布置设备和人力预警等等。卫星预警一般获取信息量比较少，误差比较大；现场布置设备需要损耗大量人力部署，设备损耗比较大；人力预警方式需要损耗大量人力资源，关键区域经常缺乏人力，预警效果低下。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种利用无人机编队的山洪预警监测系统及方法，利用机载设备能获取精确丰富的水文信息，预警并监测山洪风险；利用无人机机动力强的特点，可以快速部署，精确部署，节约大量人力资源；利用无人机编队的优势，可以有效覆盖预警监测盲区，提高预警效率。

本发明通过以下技术方案实现：

一种利用无人机编队的山洪预警监测系统，包括控制中心及与控制中心无线通信连接的多个无人机设备，所述无人机设备包括无人机主机、与无人机主机连接的声音监测装置、图像监测装置、定位装置、振动监测装置、通信模块、激光雷达装置；所述激光雷达装置用于获得地面数字高程模型，以确定河道断面、河道长度、河道两侧山体面积、绿化率、河道两侧最大蓄水量、河道两侧山体当前蓄水量参数，所述控制中心用于控制无人机设备按照勘测路线对河道及两侧山区进行水文资料采集，进行山洪风险分析，并确定无人机设备巡航路线和固定监测点，当有山洪暴发风险时，无人机设备用于按照确定的巡航路线自动巡逻，并降落在固定监测点，使用声音监测装置、图像监测装置、定位装置、振动监测装置分别进行声音、图像和振动数据的采集，并将采集结果通过通信模块传送回控制中心，控制中心对采集的声音、图像和振动数据进行分析，监控山洪暴发的实时动态，当测定山洪暴发时，控制中心及时发出山洪暴发预警。

进一步的，所述声音监测装置包括麦克风。

进一步的，所述定位装置为gps或者北斗定位设备。

进一步的，所述振动监测装置包括加速度传感器。

进一步的，所述激光雷达装置采用lidar系统。

一种利用无人机编队的山洪预警监测方法，采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一、构建地面数字高程模型，确定河道断面、河道长度、河道两侧山体面积、绿化率、河道两侧最大蓄水量、河道两侧山体当前蓄水量参数；

步骤二、控制中心派出多个无人机设备组成无人机编队，对河道进行定时巡逻，监测河道水量，更新河道两侧山体的当前蓄水量参数；

步骤三、控制中心通过气象站接收到大雨预警情报时，根据预计降水量以及河道两侧山体最大蓄水量、当前蓄水量参数，计算山洪暴发概率和强度，提前发出预警信息；

步骤四、控制中心通过气象站接收到大雨预警情报后，控制中心派出无人机编队对河道进行固定监测和预警。

进一步的，所述步骤四具体包括：

控制中心控制无人机设备沿着规划好的巡航路线巡逻，降落在预先设定的无人机设备固定监测点，对周边区域通过声音监测装置、图像监测装置、振动监测装置分别进行声音、图像和振动数据的采集，并将采集结果通过通信模块传送回控制中心；

控制中心对采集的声音、图像和振动数据进行分析，监控山洪暴发的实时动态，当测定山洪暴发时，控制中心及时发出山洪暴发预警。

进一步的，无人机设备中的通信模块包括移动通信设备和wlan设备，移动通信设备用于无人机设备和移动通信基站之间的通信，wlan设备用于无人机设备之间的通信，无人机设备的各通信模块之间组成无线自组网网络，当某个无人机设备的通信模块无法连接控制中心时，以其他无人机设备的通信模块为中继节点与控制中心连接。

进一步的，相邻的无人机设备通过监测山洪到达的时间，得到山洪的流速，然后利用与下游的距离信息，获得山洪达到下游的预计时间，控制中心将山洪到达下游的预计时间及时通知给下游相关区域以提高预警效率和质量。

进一步的，所述步骤四中的山洪预警方式，包括控制中心以无线通信方式通知相关区域人员，或者控制无人机设备顺着河谷或到指定区域，以声音或灯光的方式提醒相关区域人员，注意躲避和防范山洪。

本发明利用机载设备能获取精确丰富的振动、图像和声音等水文信息，预警并监测山洪风险，同时提供了固定监测点，自动巡航和手动控制三种模式进行自动监测，既利用无人机机动力强的特点，可以快速部署，精确部署，又可以固定部署，节省功耗，提高监测时间和效率；利用无人机编队的优势，可以有效覆盖预警监测盲区，提高预警效率；采用移动通信和wlanmesh自组网技术相结合，提高通信质量。

附图说明

图1是本发明利用无人机编队的山洪预警监测系统的结构示意图；

图2是本发明进行预警监测时的监测点布置示意图。

图中：10—无人机设备，11—无人机主机，12—声音监测装置，13—图像监测装置，14—定位装置，15—振动监测装置，16—通信模块，17—激光雷达装置，20—控制中心。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1，本发明实施例提供一种利用无人机编队的山洪预警监测系统，包括控制中心20及与控制中心20无线通信连接的多个无人机设备10。所述控制中心20位于没有山洪风险的安全地带或高地，用于管理、维护和控制无人机设备10。

所述无人机设备10包括无人机主机11、与无人机主机11连接的声音监测装置12、图像监测装置13、定位装置14、振动监测装置15、通信模块16、激光雷达装置17。

所述控制中心20用于控制无人机设备10按照勘测路线对河道及两侧山区进行水文资料采集，进行山洪风险分析(具体的，根据预计降水量以及河道两侧山体最大蓄水量、当前蓄水量参数，计算山洪暴发概率和强度，提前发出预警信息)，并确定无人机设备巡航路线和固定监测点；当有山洪暴发风险时，无人机设备10用于按照确定的巡航路线自动巡逻，并降落在固定监测点，所述声音监测装置12、图像监测装置13、振动监测装置15分别用于进行声音、图像和振动数据的采集，并将采集结果通过通信模块16传送回控制中心20。

所述声音监测装置12可以采用麦克风等收音设备，所述图像监测装置13以采用摄像头等主流商用图像采集设备，所述定位装置14采用目前比较成熟的gps或者北斗定位设备，所述振动监测装置15可以采用加速度传感器，加速度传感器具有体积小、质量轻等特点，适合细小和质量较轻部件的振动测试，可以用来监测当山洪暴发时的振动，所述通通信模块16可以采用主流商用的移动上网设备，所述激光雷达装置17可以选用现在比较流行的lidar系统，其集激光、全球定位系统和惯性导航系统于一身，可以方便的获得地面数字高程模型。

在天气良好情况下控制中心20通过控制无人机设备10或现场勘测按照勘测路线对河道及两侧山区进行水文资料采集，进行山洪风险分析，并确定无人机设备巡航路线和固定监测点(如图2所示)。所述的无人机设备10或现场勘测路线，包括对山区的整体勘测以及山谷路线的勘测。

所述水文资料包括山区的地理信息(比如海拔，面积等)、山谷分布(比如山谷长度、两岸植被分布、水痕高程等)、植被信息、历年的水文气象资料等。

所述无人机设备巡航路线，是指有山洪暴发风险的河流和山谷沿线，可通过无人机设备10中的定位装置14定位确定。当有山洪暴发风险时，无人机设备10可以沿着规划好的巡航路线自动巡逻，自动监测风险。

所述无人机设备固定监测点用于在有山洪暴发风险时，无人机设备降落在固定监测点，方便对关键区域和重点区域进行长时间的监测。固定监测点可沿着河流设置多个。固定监测点应设置在河流旁边，可以使用钢筋混凝土修建一个高台，避免山洪淹没风险。固定监测点的大小1～2平方米即可，用于在山洪监测的时候停放无人机设备。固定监测点之间的距离不宜太远，尽量减少监测盲区，一般设置在500m到1000m左右；也不宜太近，避免浪费；对重点和关键区域可以设置多个。

本发明实施例还提供一种利用无人机编队的山洪预警监测方法，其采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一、构建地面数字高程模型，确定河道断面、河道长度、河道两侧山体面积、绿化率、河道两侧最大蓄水量、河道两侧山体当前蓄水量等参数；地面数字高程模型中可以假设河道两侧为虚拟水库，水库有最大蓄水量和当前蓄水量、面积等参数。每隔一段距离，虚拟水库的参数都有不同，河道是由若干个虚拟水库串联而成。如果河道两侧山体面积大，绿化率高，则最大蓄水量大。反之，如果河道两侧山体面积小，绿化率低，则最大蓄水量小。

步骤二、控制中心20派出多个无人机设备10组成无人机编队，对河道进行定时巡逻，监测河道水量，更新河道两侧山体的当前蓄水量等参数；

通过监测河道水量，可以推测虚拟水库的最大蓄水量和当前蓄水量。若长期不下雨，则当前蓄水量不断减少；若河道水量一直稳定很大，说明最大蓄水量很大。

步骤三、控制中心20通过气象站接收到大雨预警情报时，根据预计降水量以及河道两侧山体最大蓄水量、当前蓄水量等参数，计算山洪暴发概率和强度，提前发出预警信息。

当接收到大雨预警情报时，根据降水量信息和河道两侧山体面积，可以估算出水量大小，然后根据河道两侧虚拟水库的最大蓄水量，可以估算出山洪暴发的概率和强度，并发出预警信息。如果最大蓄水量小，当前蓄水量大，降水量大，则山洪暴发的概率高。反之，如果最大蓄水量大，当前蓄水量小，降水量小，则山洪暴发的概率低。

步骤四、控制中心20通过气象站接收到大雨预警情报后，控制中心20派出无人机编队对河道进行固定监测和预警。

所述步骤四具体为：

控制中心20控制无人机设备10沿着规划好的巡航路线巡逻，降落在预先设定的无人机设备固定监测点，对周边区域通过声音监测装置12、图像监测装置13、振动监测装置15分别进行声音、图像和振动数据的采集，并将采集结果通过通信模块16传送回控制中心20；

控制中心20对采集的声音、图像和振动数据进行分析，监控山洪暴发的实时动态，当测定山洪暴发时，控制中心20及时发出山洪暴发预警，及时通知人民群众。

无人机设备10中的通信模块16包括移动通信设备和wlan设备，移动通信设备用于无人机设备10和移动通信基站之间的通信，wlan设备用于无人机设备10之间的通信。当部分无人机设备10因为山区移动通信基站信号不好，移动通信出现困难的时候，可以和wlan设备结合，特别是采用wlanmesh技术，提高通信质量和预警效率。

有山洪暴发危险的区域一般位于山区，位置偏远，移动通信基站少，信号通常不好。只采用移动通信设备很可能无法连接移动通信基站，采用移动通信和wlanmesh自组网技术结合，可以大大提高通信质量。wlanmesh自组网技术是现在比较成熟的技术，各大通信厂商已经推出了商用产品。通过使用wlanmesh自组网技术，多个wlan节点可以组成一个无线mesh网络，任何一个节点都可以发送和接收信号，和外界通信。当某个节点和外界无法通信的时候，它可以自动路由到可以通信的临近节点进行通信。所以，当使用wlanmesh自组网技术时，只要网络中有一个节点可以和外界通信，则网络中所有节点都可以通过这个节点做中继和外界通信。

所述的山洪预警方式，控制中心20除了以常规通讯方式通知相关区域人员外，还可以控制无人机设备10顺着河谷或到指定区域，以声音或灯光的方式提醒相关区域人员，注意躲避和防范山洪。

所述的常规通讯方式，是指电视、广播、移动通信等无线通信方式。但是这些方式存在很多不足，比如断电，常规通讯设备故障，或者晚上人员休息，无法通讯或通讯设备不起作用等。这个时候，可以控制无人机设备10顺着河谷往下或指定区域，以高分贝喇叭或红黄色灯光等方式主动提醒相关区域人员，注意防范山洪。这种预警方式能很好的填补常规预警方式的不足，提高预警效率，保护人民财产安全。

所述的山洪预警方式，相邻的无人机设备10可以通过监测山洪到达的时间，得到山洪的流速，然后利用与下游的距离信息，获得山洪达到下游的预计时间。控制中心20可以将山洪到达下游的预计时间及时通知给下游相关区域，提高预警效率和质量。

如果能获得精确的山洪达到下游时间，是非常重要的。在山洪暴发时，两个相邻的无人机监测点通过记录山洪经过的时间，结合两个相邻无人机监测点之间的距离，就可以算出山洪的流速。再结合下游某区域到该无人机监测点的距离，就可以算出山洪到达某区域的预计时间，这样可以大大提高预警效率和预警质量。

通过对沿着河道的所有相邻无人机监测点的流速的统计，可以修正山洪流速的准确性，进一步提高山洪到达下游某区域的预计时间的准确性，进一步提高预警质量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。