無(wú)人機(jī)自主巡檢系統(tǒng)在河湖監(jiān)管巡檢中的應(yīng)用

劉金玉 宋學(xué)山

摘要：隨著潘家口水庫(kù)河湖監(jiān)管巡檢任務(wù)的運(yùn)行常態(tài)化，巡檢監(jiān)管對(duì)象更加明確，巡檢里程不減，而巡檢需求和人力缺員的矛盾卻日益突出，本論文從潘家口水庫(kù)庫(kù)區(qū)及周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求出發(fā)，進(jìn)行無(wú)人機(jī)智能巡檢，指揮中心一鍵式開(kāi)啟自主作業(yè)，減少人員工作量，提高作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：河湖監(jiān)管; 智能巡檢; 自主作業(yè)

河湖監(jiān)管智能化自主巡檢系統(tǒng)主要包括基于衛(wèi)星遙感影像的大尺度數(shù)字場(chǎng)景，以及定期的衛(wèi)星影像更新處理和與前期數(shù)據(jù)的疊加分析，無(wú)人機(jī)自主巡檢系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)本底數(shù)據(jù)庫(kù)，以及無(wú)人機(jī)運(yùn)維期數(shù)據(jù)處理和與前期數(shù)據(jù)的疊加分析等，目的是實(shí)現(xiàn)巡檢無(wú)人值守，遠(yuǎn)程操控，數(shù)據(jù)流程化處理。

1、河湖監(jiān)測(cè)區(qū)域及目標(biāo)

通過(guò)無(wú)人機(jī)智能化自主實(shí)時(shí)視頻、影像，對(duì)庫(kù)區(qū)水面漂浮物、污染源、捕魚(yú)、違規(guī)排放以及“亂占、亂采、亂堆、亂建”等情況進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，提升水庫(kù)管理、養(yǎng)護(hù)水平，保障良好的水生態(tài)環(huán)境，庫(kù)區(qū)水系如圖1所示。

2、河湖監(jiān)管巡檢方案

2.1基于衛(wèi)星遙感影像的大尺度數(shù)字場(chǎng)景建立

衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地提供多種時(shí)空分辨率和光譜分辨率的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)。將多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，可以獲取包含流域地形地貌、江河水系、土壤植被、土地利用、基礎(chǔ)設(shè)施等的空間信息，結(jié)合流域氣象、水文、經(jīng)濟(jì)社會(huì)等信息，可以進(jìn)行流域數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)水文模型可視化，洪水水位發(fā)展變化預(yù)演，以及防洪預(yù)案部署等，為水利“四預(yù)”提供基礎(chǔ)支撐。

2.2無(wú)人機(jī)河湖監(jiān)管自主巡檢

2.2.1無(wú)人機(jī)巡庫(kù)系統(tǒng)搭建

無(wú)人機(jī)巡庫(kù)系統(tǒng)，主要由無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)自動(dòng)起降停機(jī)坪、基站或中繼站通訊系統(tǒng)、飛行指揮中心等組成;無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通常是包含無(wú)人機(jī)平臺(tái)、自動(dòng)駕駛儀、數(shù)據(jù)鏈路、任務(wù)載荷和地面指控五大分系統(tǒng)的自持系統(tǒng)[1]。

無(wú)人機(jī)自動(dòng)起降停機(jī)坪：主要功能為具備自主起飛，智能巡檢，自動(dòng)、手動(dòng)飛行模式無(wú)縫切換，精準(zhǔn)回巢，遠(yuǎn)程控制，快速充電復(fù)飛。

基站及中繼站通訊系統(tǒng)：一般短距離30km以?xún)?nèi)及信號(hào)無(wú)遮擋，地面站基站就可以滿(mǎn)足一般需求，但往往由于山體或其他信號(hào)干擾，會(huì)導(dǎo)致視頻信號(hào)中斷或延遲，需要架設(shè)中繼站增強(qiáng)傳輸信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸，一般30km-50km。

飛行指揮中心：無(wú)人機(jī)視頻和遙控遙測(cè)信息，通過(guò)專(zhuān)用通信鏈路傳輸至地面站，再通過(guò)網(wǎng)線或4G/5G路由器連接PIS系統(tǒng)，將視頻實(shí)時(shí)回傳至遠(yuǎn)程指揮調(diào)度中心。

2.2.2無(wú)人機(jī)機(jī)型及數(shù)量分析

（1）多旋翼無(wú)人機(jī)

優(yōu)點(diǎn)，起降靈活，機(jī)庫(kù)所占空間小;缺點(diǎn)：建庫(kù)數(shù)量多，維護(hù)不便，由于受載荷和電池容量以及圖傳功率消耗的影響續(xù)航時(shí)間更短、飛行高度不高（一般相對(duì)高度100m附近）圖傳信號(hào)較差，適合于面積5km2作業(yè)范圍。

多旋翼機(jī)巡航速度一般15m/s，安全續(xù)航40分鐘，最多巡航36km的航程，往返18km，在水庫(kù)管理局布設(shè)一套多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，主要覆蓋潘家口水庫(kù)大壩及周邊的庫(kù)區(qū)約8-10km半徑范圍，進(jìn)行精細(xì)化的巡檢。設(shè)計(jì)覆蓋范圍飛機(jī)位置及覆蓋巡檢范圍見(jiàn)圖2。

（2）垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)

優(yōu)點(diǎn)，采用1庫(kù)1機(jī)，方便維護(hù)，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)覆蓋范圍大，圖傳信號(hào)強(qiáng);缺點(diǎn)：機(jī)庫(kù)比較大，飛機(jī)尺寸大，從技術(shù)層面要求更高。

由于固定翼無(wú)人機(jī)巡航速度61km/小時(shí)，水庫(kù)庫(kù)區(qū)大致呈南北分布，最遠(yuǎn)直線距離約30km，其續(xù)航能力為2小時(shí)，1架固定翼無(wú)人機(jī)即可滿(mǎn)足巡航需要。

2.2.3無(wú)人機(jī)自主巡檢航跡規(guī)劃

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)河湖監(jiān)管要素的自主巡檢，需要規(guī)劃好無(wú)人機(jī)巡檢作業(yè)的航跡， 根據(jù)巡檢航跡進(jìn)行飛行路徑的智能規(guī)劃，并實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的復(fù)合避障。根據(jù)河湖監(jiān)管要素的布置特點(diǎn)及巡檢要求，規(guī)劃巡檢路線，實(shí)現(xiàn)巡檢部位全覆蓋，規(guī)范無(wú)人機(jī)巡檢工作。

2.2.4視頻、無(wú)人機(jī)姿態(tài)及巡檢數(shù)據(jù)傳輸

機(jī)庫(kù)采用4G/5G通信方式，通過(guò)4G/5G連接至指揮中心。

無(wú)人機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路將航飛可視化視頻數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)回傳，回傳數(shù)據(jù)經(jīng)地面基站中轉(zhuǎn)，由指揮中心對(duì)地面基站進(jìn)行遠(yuǎn)程觀看及操作。機(jī)庫(kù)通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)接入指揮中心網(wǎng)絡(luò)接口，確保巡檢數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定的傳輸;云端計(jì)算服務(wù)器集中部署在指揮中心內(nèi)網(wǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中式處理，并通過(guò)防火墻方式與上級(jí)單位進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)巡檢目標(biāo)要素、人工巡檢目標(biāo)要素的統(tǒng)一閉環(huán)處理[2]。

2.3巡檢分析處理

巡檢圖像數(shù)據(jù)接收處理主要包括基礎(chǔ)處理、數(shù)據(jù)整理入庫(kù)、解譯分析和統(tǒng)計(jì)分析，具體內(nèi)容如下：

（1）基礎(chǔ)處理

通過(guò)無(wú)人機(jī)采集得到的影像數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理步驟才能用于影像解譯與分析，通過(guò)快速拼接功能實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)的空中三角測(cè)量和數(shù)字正射校正，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)圖片數(shù)據(jù)定義坐標(biāo)和拼接，獲得測(cè)區(qū)高分辨率無(wú)人機(jī)影像本底數(shù)據(jù)，并可與衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)疊加分析。

（2）數(shù)據(jù)整理入庫(kù)

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督和審查，確保數(shù)據(jù)無(wú)誤后將無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)相關(guān)的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、整理、入庫(kù)，存入航飛影像數(shù)據(jù)庫(kù)，將影像業(yè)務(wù)解譯得到的無(wú)人機(jī)影像解譯數(shù)據(jù)存入監(jiān)測(cè)解譯成果庫(kù)，保障數(shù)據(jù)可追述，并可保障數(shù)據(jù)安全[3]。

（3）影像解譯與分析

影像解譯與分析過(guò)程在巡檢數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)解譯系統(tǒng)中由人工解譯、或智能解譯完成，解譯系統(tǒng)存放在智慧中心，當(dāng)有需要時(shí)，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員及相關(guān)服務(wù)人員可通過(guò)賬號(hào)登錄的方式操作解譯系統(tǒng)，開(kāi)展解譯和分析工作。

3、結(jié)論與討論

本論文從河湖監(jiān)管的實(shí)際需求出發(fā)，建設(shè)基于衛(wèi)星遙感影像的大尺度數(shù)字場(chǎng)景，為“四預(yù)”能力建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐，實(shí)現(xiàn)河湖監(jiān)管的大尺度監(jiān)控;同時(shí)制定一套無(wú)人機(jī)智能化自主巡檢，及對(duì)數(shù)據(jù)處理由人工分析到智能化識(shí)別提升的解決流程，實(shí)現(xiàn)河湖監(jiān)管巡檢效率和智能化水平的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋立富， 沈佩琦， 韓磊，等. 5G無(wú)人機(jī)全自主巡檢系統(tǒng)在500 kV特大跨越上的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)（9）：4.

[2]黃鄭， 王永強(qiáng)， 王紅星，等. 基于云霧邊異構(gòu)協(xié)同的無(wú)人機(jī)智慧巡檢系統(tǒng)[J]. 中國(guó)電力， 2020（4）.

[3]王博， 宋丹， 王洪玉. 無(wú)人機(jī)自主巡檢系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 57（9）：9.

作者簡(jiǎn)介：劉金玉（1986.11- ），女，漢，山東省臨沂市，工程師，研究生。主要研究方向：衛(wèi)星遙感和無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水利工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。