無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)在堤防工程管理中的應(yīng)用

邱俊杰 楊兢 沈小平 林杰

摘要：本文以東苕溪導(dǎo)流東大堤為例，通過(guò)將無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)應(yīng)用于堤防工程的日常常態(tài)化管理中，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的堤防巡檢、二維及三維建模、遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)空中監(jiān)控。應(yīng)用結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有“人工+監(jiān)控”的堤防管理模式所存在的不足，適用于大范圍堤防的全方位監(jiān)管，從而為堤防的現(xiàn)代化管理提供了新的方法和途徑。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)? 低空遙感技術(shù)? 堤防工程管理? 東苕溪導(dǎo)流東大堤

Abstract： Taking the Dongtiaoxi River Levee for example， by applying UAV low altitude remote sensing technology to the daily normalization management of levee engineering， the UAV levee inspection， two-dimensional and three-dimensional modeling， remote real-time monitoring and control of UAV are realized. The application results show that the UAV low altitude remote sensing technology can effectively make up for the shortcomings of the existing "manual + monitoring" levee engineering management mode， which is suitable for all-round supervision of large-scale levee engineering and provides a new method and way for the modern management of levee engineering.

Key Words： UAV; Low altitude remote sensing technology; Levee engineering management; Dongtiaoxi River Levee

堤防工程往往分布范圍廣、距離長(zhǎng)，地形地貌比較復(fù)雜，現(xiàn)有的傳統(tǒng)“人工+監(jiān)控”的巡查模式在堤防工程的日常長(zhǎng)效監(jiān)管中往往存在大量盲區(qū)和死角，且巡查結(jié)果受制于巡查人員的素質(zhì)高低，許多問(wèn)題無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到解決。無(wú)人機(jī)具有體積小且機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，不受時(shí)間空間限制，具備數(shù)據(jù)采集全面、時(shí)效性高、精度強(qiáng)，自動(dòng)化信息化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有堤防工程日常管理中所存在的不足，帶來(lái)監(jiān)管效能上質(zhì)的提升。

1.研究背景

堤防是抵擋風(fēng)浪，抵御洪水，保障沿河人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全的重要屏障，在整個(gè)水利工程領(lǐng)域中占據(jù)著至關(guān)重要的位置。堤防工程的管理歷來(lái)是水利部門管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于堤防工程往往面廣量大、距離又長(zhǎng)，許多堤防又分布在人煙稀少、交通條件較差的區(qū)域，給堤防的長(zhǎng)效管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)[1]。

目前，對(duì)于堤防的管理主要是采用常態(tài)化的人工巡查輔以地面監(jiān)控的方式，由于堤防工程的特性，使得人工巡查存在工作量大、工作效率低、巡查范圍有限的問(wèn)題，巡查結(jié)果受制于巡查人員的素質(zhì)高低，特別是對(duì)無(wú)交通條件的農(nóng)村偏遠(yuǎn)河道堤防易產(chǎn)生大量的巡查盲區(qū)和死角。而地面監(jiān)控雖然一定程度上改善了傳統(tǒng)人工巡查的不足，但由于是定點(diǎn)監(jiān)控?cái)?shù)量有限，無(wú)法對(duì)整條堤防管理范圍進(jìn)行全覆蓋，且整套監(jiān)控系統(tǒng)的資金投入大、維護(hù)成本高，只適用于在重點(diǎn)骨干堤防的監(jiān)管上，無(wú)法大范圍推廣使用。這些現(xiàn)有管理方式所存在的不足直接導(dǎo)致了水利部門每年高投入下的堤防監(jiān)管效能大打折扣。

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)的發(fā)展，利用無(wú)人機(jī)在水利行業(yè)的應(yīng)用已嶄露頭角[2]。無(wú)人機(jī)低空遙感是一種以自動(dòng)控制的低空飛行無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，以機(jī)載遙感設(shè)備為有效載荷，以獲取高分辨率的影像數(shù)據(jù)為目標(biāo)的新興技術(shù)。它不受時(shí)間空間限制，具備數(shù)據(jù)采集全面、時(shí)效性高、精度強(qiáng)，自動(dòng)化信息化程度高，可重復(fù)性強(qiáng)，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，可有效彌補(bǔ)和避免現(xiàn)有的“傳統(tǒng)人工巡查+地面監(jiān)控”的堤防監(jiān)管方式存在的不足，特別適用于大范圍堤防的全方位監(jiān)管，由其獲得的海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為后續(xù)堤防的保護(hù)規(guī)劃設(shè)計(jì)、防災(zāi)減災(zāi)、工程建設(shè)管理、水利智慧平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)等奠定重要基礎(chǔ)，具有很大的行業(yè)市場(chǎng)應(yīng)用前景[3]。

2技術(shù)路線

基于無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)，通過(guò)采用無(wú)人機(jī)搭載高分辨率攝像頭，對(duì)堤防高分辨率影像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主要以下3個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）定期進(jìn)行無(wú)人機(jī)堤防巡檢。通過(guò)在無(wú)人機(jī)上搭載高精度云臺(tái)相機(jī)，低空拍攝高精度的堤防影像，獲取全線堤防的完整影像數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)拍攝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的疑似涉堤違建、河湖岸線侵占、偷排偷倒、水利工程設(shè)施破壞等影響堤防安全的問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)采集。每次巡檢結(jié)束后，通過(guò)對(duì)每次巡檢影像進(jìn)行分析比對(duì)，查找出相關(guān)涉堤問(wèn)題，出具巡檢報(bào)告。

（2）對(duì)堤防全線開(kāi)展無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模，建立堤防的二維和三維數(shù)字化可視模型[4-7]。通過(guò)在無(wú)人機(jī)上搭載多鏡頭相機(jī)，在飛行過(guò)程中從垂直、傾斜等多個(gè)角度同時(shí)采集堤防影像，獲取更為完整的堤防地物信息，再將具有一定重疊度的無(wú)人機(jī)航拍傾斜攝影數(shù)據(jù)導(dǎo)入ContextCapture建模軟件，計(jì)算機(jī)中的圖形處理GPU會(huì)結(jié)合像片所包含的POS信息自動(dòng)進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算，生成點(diǎn)云并加密為密集點(diǎn)云，構(gòu)成三角網(wǎng)格模型，最后結(jié)合傾斜影像中的像素信息生成富有紋理的二維及三維模型，支持對(duì)堤防管理范圍區(qū)域的點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)緯度讀取及量測(cè)判斷。

（3）采用無(wú)人機(jī)4G圖傳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離巡檢圖像的實(shí)時(shí)傳輸至已有的地面堤防監(jiān)控管理系統(tǒng)，從而初步構(gòu)建“天地一體化”的堤防監(jiān)控體系。通過(guò)在無(wú)人機(jī)上搭載4G無(wú)線圖傳設(shè)備，可以將無(wú)人機(jī)的巡檢圖像以1080P的分辨率實(shí)時(shí)傳輸至地面管理終端，從而讓管理者可以實(shí)時(shí)獲知巡檢情況，對(duì)巡檢中發(fā)現(xiàn)的涉堤違建、河湖岸線侵占、偷排偷倒、水利工程設(shè)施破壞等行為可以第一時(shí)間進(jìn)行處置。

3應(yīng)用案例

3.1東苕溪導(dǎo)流東大堤

東苕溪導(dǎo)流東大堤地處浙江省湖州市，從湖州市區(qū)與德清縣交界處至湖州船閘，堤防全長(zhǎng)約25km，工程集防洪、排澇、供水和改善水環(huán)境、航運(yùn)條件等功能為一體。東苕溪導(dǎo)流東大堤為1級(jí)堤防，防洪標(biāo)準(zhǔn)百年一遇，是保護(hù)杭嘉湖東部平原及湖州城區(qū)防洪安全的重要屏障，所在河道東苕溪導(dǎo)流港主要承擔(dān)了導(dǎo)引東苕溪流域2265km2的洪水入太湖。東苕溪導(dǎo)流東大堤堤頂高程6.36～5.66m（85國(guó)家高程），堤頂寬度8.0m，堤身總寬度大于40m，同時(shí)設(shè)有15m的景觀帶和30m的防護(hù)林帶，2018年在堤身背水坡管理范圍內(nèi)新建東苕溪綠道。

目前，東苕溪導(dǎo)流東大堤的日常管理主要為堤防巡查、綠化養(yǎng)護(hù)及零星維修。其中，堤防巡查主要采用人工駕車巡查和徒步巡查的方式，輔以地面監(jiān)控。由于東苕溪導(dǎo)流東大堤戰(zhàn)線長(zhǎng)，沿途鄉(xiāng)鎮(zhèn)村莊多，堤防背水坡又多為茂密的防護(hù)林，交通條件差，造成人工徒步巡查的工作量大、效率低，堤背及界墻范圍內(nèi)的巡查盲區(qū)和死角多，經(jīng)常發(fā)生沿線村民對(duì)堤防侵占、違建、偷排偷倒等問(wèn)題，卻難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和制止。

3.2堤防無(wú)人機(jī)巡檢

通過(guò)引入大疆多旋翼無(wú)人機(jī)懸掛高分辨率云臺(tái)相機(jī)，自2019年3月至2021年3月的兩年時(shí)間內(nèi)，通過(guò)對(duì)東苕溪導(dǎo)流東大堤全線平均每周一次定期開(kāi)展無(wú)人機(jī)巡檢，獲得了90余次的巡檢影像樣本數(shù)據(jù)，對(duì)植被茂密的堤背、排水溝、界墻等位置進(jìn)行了重點(diǎn)拍攝。通過(guò)歷次的分析比對(duì)，共發(fā)現(xiàn)了水利設(shè)施被破壞、占用堤防、違規(guī)建設(shè)、偷排偷倒、私設(shè)水管、樹(shù)木倒伏等各類問(wèn)題500余處。堤防管理單位依據(jù)每次巡檢后2日內(nèi)提供的無(wú)人機(jī)巡檢報(bào)告，對(duì)存在的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)及處理，有效提升了堤防監(jiān)管效能，如圖1所示。

3.3堤防二維及三維建模

通過(guò)在大疆多旋翼無(wú)人機(jī)上搭載總像素超過(guò)1億的5鏡頭相機(jī)，于2020年9月對(duì)東苕溪導(dǎo)流東大堤全線25km管理范圍進(jìn)行了無(wú)人機(jī)傾斜攝影，精度為1：500，獲得了高分辨率照片10萬(wàn)余張，通過(guò)工作站將航拍傾斜攝影照片導(dǎo)入ContextCapture建模軟件進(jìn)行批處理，得到了高精度的東苕溪導(dǎo)流東大堤的正射及三維影像及高程、坐標(biāo)等詳細(xì)的地理信息數(shù)據(jù)。

如圖2所示，堤防管理單位通過(guò)在三維影像模型中可以查看、測(cè)量、計(jì)算現(xiàn)有堤防管理范圍內(nèi)所有地面物體的三維可視化數(shù)據(jù)，不僅可以直接了解到東苕溪導(dǎo)流東大堤現(xiàn)有的全貌，而且將可視化數(shù)據(jù)嵌入已有的水利工程標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理平臺(tái)，為后續(xù)堤防的保護(hù)規(guī)劃設(shè)計(jì)、防災(zāi)減災(zāi)、工程建設(shè)管理、水利智慧平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)等奠定重要基礎(chǔ)。

3.4遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)空中監(jiān)控

通過(guò)在大疆多旋翼無(wú)人機(jī)上搭載清新互聯(lián)4G無(wú)線傳輸單兵，將無(wú)人機(jī)巡檢畫面以1080P的像素實(shí)時(shí)回傳至堤防管理單位的管理中心監(jiān)控平臺(tái)上，讓堤防管理人員能夠獲得實(shí)時(shí)的巡檢畫面，從而掌握巡檢的詳細(xì)情況。尤其是對(duì)巡檢人員沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，遠(yuǎn)程管理人員通過(guò)實(shí)時(shí)畫面可以更好地發(fā)現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題，并及時(shí)采取必要的措施來(lái)解決問(wèn)題。結(jié)合已有的地面堤防監(jiān)控系統(tǒng)，初步構(gòu)建了東苕溪導(dǎo)流東大堤的“天地一體化”的監(jiān)控體系。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)應(yīng)用到堤防工程的長(zhǎng)效運(yùn)行管理中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)堤防全線無(wú)死角的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)“天地一體化”監(jiān)控，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模建立堤防的二維和三維數(shù)字化可視模型，可為堤防管理部門提供完整的堤防可視化地理數(shù)據(jù)信息，從而為后續(xù)堤防的保護(hù)規(guī)劃設(shè)計(jì)、防災(zāi)減災(zāi)、工程建設(shè)管理、水利智慧平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)等奠定重要基礎(chǔ)。東苕溪導(dǎo)流東大堤的應(yīng)用案例表明，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有“人工+監(jiān)控”的堤防管理模式所存在的不足，適用于大范圍堤防的全方位監(jiān)管，豐富的技術(shù)應(yīng)用拓展可以為管理者帶來(lái)多方面的管理效能的提升，為堤防的現(xiàn)代化管理提供了新的方法和途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]陳璐. 我國(guó)省域水利現(xiàn)代化建設(shè)水平測(cè)度及短板分析[D].西安：西安理工大學(xué)，2021.

[2]王春雨，鐘嘉奇，王博超，等.多旋翼無(wú)人機(jī)在水利行業(yè)中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技，2020，48（1）：152-155.

[3]蔣濤.無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2021，41（13）：66-68.

[4]高力，徐興亞.無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在堤防應(yīng)急除險(xiǎn)中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2020，51（10）：210-214.

[5]毛久常，趙世軍.低空無(wú)人機(jī)遙感在水利工程測(cè)繪中的應(yīng)用研究[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2020，47（19）：85-86.

[6]陳小龍，王海濤，董快鴿.無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用[J].陜西水利，2018（5）：220-221，223.

[7張繼賢，劉飛，王堅(jiān).輕小型無(wú)人機(jī)測(cè)繪遙感系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].遙感學(xué)報(bào)，2021，25（3）：708-724.

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