無人機集成系統(tǒng)在水利管理中的應用與探索

白 亮

（甘肅省張掖市甘州區(qū)水務局，甘肅 張掖 734000）

隨著信息技術的發(fā)展，無人機技術被廣泛應用于社會發(fā)展的各個方面。但單一的無人機搭載攝像頭的技術在其發(fā)展過程中面臨著諸多技術瓶頸，隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，對無人機技術提出了更高要求，需要更加專業(yè)的無人機系統(tǒng)，集成更加先進的軟硬件設備參與工作。因此，無人機集成系統(tǒng)隨著行業(yè)的需求應運而生。無人機集成化系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單模塊無人機數(shù)據(jù)采集、后臺分析系統(tǒng)相比，具有更高的協(xié)調性與智能化，能充分滿足各行業(yè)的需求。因此，無人機集成系統(tǒng)是未來無人機發(fā)展的方向。

隨著水利信息化建設的不斷推進，采用先進技術手段提高水利行業(yè)的工作效率是目前水利工作者的研究重點[1]。無人機集成系統(tǒng)應用于水利管理領域，可利用無人機技術高效、機動、靈活的優(yōu)點，獲取更高效的河道影像資料和重點區(qū)域全景照片[2]。同時可充分發(fā)揮其運行成本低、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢，完成水利管理中渠系灌溉巡查、旱澇情監(jiān)測、水環(huán)境定點監(jiān)測、日常河湖巡查等任務，最大限度地破解水利例行巡查中巡查線路長、巡查面積大等時空限制難題。因此，無人機集成系統(tǒng)的應用是未來水利管理的方向。

1 無人機系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 無人機系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀

當前無人機在執(zhí)行飛行任務時，人工控制仍是主要控制手段[3]。無人機的應用也主要集中在航拍、地形地物觀測等相關領域。因此，需采用協(xié)調性更高、集成化程度更好的無人機系統(tǒng)參與系統(tǒng)工作。無人機集成系統(tǒng)將遙感技術、信息技術、計算機技術、無線通訊技術等先進科學技術進行整合[4]，形成了一套替代人力以及部分腦力進行相關領域工作研究的輔助工作系統(tǒng)，目前只應用于部分高科技領域。

1.2 無人機系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

目前無人機集成系統(tǒng)的理念逐步被各個行業(yè)所接受。搭載或鏈接行業(yè)軟件，集成各種測量測繪設備等集成化程度更高的定制無人機系統(tǒng)也將被各個行業(yè)所青睞，成為未來發(fā)展的新趨勢。

2 無人機集成巡查系統(tǒng)在水利管理中的應用

2.1 在渠系灌溉運行中的應用

渠道巡查是基層水利管理工作的重中之重，基層管理站（所）投入大量人力物力，對灌溉期內渠道運行狀況進行日常巡查，保障渠道輸水安全性，確保渠道周邊村民的財產安全。灌溉期內渠道24 h 運行，巡查任務十分繁重。一方面，要充分保障灌溉期內渠道的正常運行，防止因管理疏漏而造成渠水淹田等水事糾紛；另一方面，要充分保護渠道安全，防止因淤積物造成水淹渠毀事件。而傳統(tǒng)的渠道巡查巡查線路長、覆蓋范圍廣，制約著渠道巡查工作的有效開展。以多系統(tǒng)集成后的無人機巡查，能最大限度地避免環(huán)境、人為因素的干擾，從而縮短巡查時間，提高巡查效率，降低巡查成本。

2.2 在抗旱防洪中的應用

無人機巡查系統(tǒng)在抗旱防汛方面，能充分發(fā)揮其高機動、高靈活性的特點。以甘州區(qū)大滿灌區(qū)為例，每年6—9月進入主汛期，雖然在重點防洪區(qū)內安裝了雨量監(jiān)測系統(tǒng)、防洪預警系統(tǒng)，但要實時監(jiān)測洪水流向、及時全面評估行洪區(qū)內的水毀，還需無人機等輔助監(jiān)測設備突破環(huán)境限制，進行實時實地巡查。把無人機巡查系統(tǒng)高度集成化，使其將更加專業(yè)的信息采集系統(tǒng)與旱澇分析系統(tǒng)集成在無人機系統(tǒng)中，能充分發(fā)揮其專業(yè)、高效、便捷的功能優(yōu)勢，為洪水實時數(shù)據(jù)采集分析提供技術支撐，為科學防洪提供有力的技術保障。

無人機定高采集農作物及耕地使用信息，通過對農作物葉面色彩的辨識及葉卷形態(tài)的分析，能更直觀地判斷旱情發(fā)展程度及受災面積，為進一步分析旱情及采取有效抗旱措施提供直觀全面的決策依據(jù)。

2.3 在河道巡查中的應用

傳統(tǒng)河湖管理受視頻探頭、人員安排的限制，不具備空間持續(xù)性，突出表現(xiàn)為河湖管理以“點、面”形式為主[5]。河湖巡查無人機集成巡查系統(tǒng)將地理信息處理與環(huán)境分析系統(tǒng)集成于一體，在河湖巡查中能發(fā)揮其更專業(yè)的功能優(yōu)勢。以甘州區(qū)為例，我國西北地區(qū)第二大內陸河——黑河穿境而過，干流全長約928 km，流域面積約11.6 萬km2，其中甘州區(qū)過境河道全長57 km，沿途流經9個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）114個村，開展日常河道巡查，保障河道行洪順暢，保護流經區(qū)域內群眾的生命財產安全，責任十分重大。因此，需投入更多巡查力量，加強水域岸線空間管控、保障河道正常行洪、防止發(fā)生違法河道采砂等破壞河岸事件。傳統(tǒng)的巡查模式需投入大量人力物力，但無法保障巡查的時效性、高效性。因此，需要集成化程度更高的無人機系統(tǒng)，尤其是集專業(yè)的影像數(shù)據(jù)采集與地理信息分析識別于一體的無人機，充分發(fā)揮其快速、便捷、高效的優(yōu)點，參與河道日常巡檢。

2.4 在水污染防治及突發(fā)水污染處理中的應用

水污染防治、水生態(tài)修復和水環(huán)境治理是當前水利工作的重中之重。突發(fā)水污染時，周圍水體及環(huán)境會被不同程度污染，需快速識別污染面積、及時分析污染性質、高效判斷污染程度，為處理突發(fā)水污染事件贏得寶貴時間。集成防災系統(tǒng)的無人機具有更明顯的優(yōu)勢。首先，可利用無人機向水域內進行初步飛行及影像獲取，在影像中計算并劃定污染范圍，制定較為周全的污染處理方案，并通過后期影像合成對污染范圍及污染程度進行有效標注及全面評估，大幅度提升工作效率。其次，在對水體污染區(qū)進行處理時，無人機可利用懸空功能提供便利條件，作為信息發(fā)射傳輸?shù)闹修D站，將水污染區(qū)域內的信息及時傳輸出去，從而及時制定水污染處理方案。隨著科技的不斷發(fā)展，利用集成無人機系統(tǒng)對流域內上游水生態(tài)情況進行全面評估，通過實景模擬展示，能更直觀地實時監(jiān)測高風險區(qū)域內的水環(huán)境，提前預警，大幅度降低污染風險。

3 無人機巡查系統(tǒng)應用于水利領域的技術難點及應用對策

3.1 基于云平臺的無人機控制系統(tǒng)

無人機巡查系統(tǒng)應用于水利灌溉管理，首先面臨著無人機系統(tǒng)的控制難題。傳統(tǒng)的無人機以人工控制的方式采集數(shù)據(jù)，更為先進的無人機控制系統(tǒng)加入了GPS 導航和路徑設置模式，保證了無人機按照指示路徑飛行并采集數(shù)據(jù)，但無法自動控制無人機在特殊觀測點位懸停并采集數(shù)據(jù)。因此，無人機控制平臺設計過程中，需將操控無人機懸停與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)系起來，錨定拍攝位置，為捕捉拍攝對象、調整拍攝角度做好前期準備。同時，無人機集成系統(tǒng)能根據(jù)前期設定的數(shù)據(jù)采集對象特征，自主判斷并完成懸停與數(shù)據(jù)采集的協(xié)調工作，保障了數(shù)據(jù)采集的真實性、有效性。

3.2 基于采集對象特征識別的無人機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

無人機數(shù)據(jù)采集主要根據(jù)預設路徑對特定目標物進行拍照，在拍照過程中有效信息自主甄別難度大。以水利灌溉為例，無人機對閘體過水量、淤積情況進行巡查，要求無人機以渠系為預設路徑飛行并實時傳輸數(shù)據(jù)，因而產生的數(shù)據(jù)量大、無效信息多。因此，在數(shù)據(jù)采集初期要對觀測系統(tǒng)加入約束條件，采用路徑位置錨定與采集對象特征識別相結合的方式，操控無人機系統(tǒng)對巡查對象進行巡查拍照。水利灌溉渠系巡查中最常見的閘口過水量與淤積情況，可以啟閉機、閘房、閘口等特征明顯的構筑物作為特征點，采用無人機目標定位方法，確定目標定位過程中的坐標轉換關系并推導出攝像機視軸角的計算模型，對同一目標點多次測量定位[6]。

3.3 基于數(shù)字化的無人機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

無人機數(shù)據(jù)采集完成后，需要對采集完成的數(shù)據(jù)進行傳輸，傳輸數(shù)據(jù)采用全要素數(shù)據(jù)傳輸和分析結果傳輸2 種模式。全要素傳輸模式將采集的原始數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)胶笈_系統(tǒng)，其優(yōu)點是數(shù)據(jù)采集全面，為數(shù)據(jù)分析提供了有力支撐；缺點是傳輸條件局限性大，在水利渠系巡查中大多數(shù)路徑以渠系為依據(jù)，信號不穩(wěn)定，而在水情監(jiān)測中更是受到傳輸信號的限制。隨著5G 技術的應用普及，這一難題將得到徹底解決。無人機集成數(shù)據(jù)分析模塊將采集完成的數(shù)據(jù)及時分析，并將分析結果傳輸?shù)胶笈_系統(tǒng)，其優(yōu)點是數(shù)據(jù)分析速度快、一體化程度高，缺點是集成分析模塊技術要求高。

3.4 后臺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)與反饋系統(tǒng)

無人機后臺分析系統(tǒng)與信息反饋系統(tǒng)將傳輸來的數(shù)據(jù)進行進一步的甄別、分析，然后建立對應的數(shù)據(jù)模型，得出科學的結論，并以圖表等形式展示出來，為決策提供直觀依據(jù)。后臺分析系統(tǒng)與反饋系統(tǒng)是整個無人機巡查集成系統(tǒng)的關鍵，完善的分析系統(tǒng)能進一步確保分析結果科學有效。因此，分析過程中要保證數(shù)據(jù)的完整性、真實性，同時數(shù)據(jù)結構要更加嚴謹，分析要素要更加全面，條件判斷要更加科學，算法要更加優(yōu)化，不僅要橫向判斷整個分析結果，還要縱向通過歷年積累的數(shù)據(jù)進行驗證，從而保證分析結果更加貼近于實際。

3.5 基于數(shù)字化的無人機圖形圖像拼接與實景成像

無人機圖形圖像拼接技術是將一定數(shù)量的包含重疊區(qū)域的航拍序列影像進行拼接以獲取一幅全景圖像的技術方法[7]，能彌補無人機在航拍過程中圖像覆蓋幅寬不足的缺陷，充分擴大無人機巡查范圍與視角。無人機實景成像是先期對巡查區(qū)域內的實景進行采集，對采集到的寬幅影像數(shù)據(jù)進行后臺實景建模，作為數(shù)據(jù)實景成像的依據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)與原始采集的寬幅數(shù)據(jù)圖庫影像進行比較，從而發(fā)現(xiàn)問題，并將問題區(qū)域內的影像數(shù)據(jù)傳輸至之前建立的實景模型，使其高度融合。不僅保留了原始實景圖形圖像的細節(jié)信息，還能對特殊拍攝區(qū)域進行全局把握與信息分析，從而獲得并呈現(xiàn)出更加直觀的實景巡查成果。局部圖像融合到全局模型能大幅度降低數(shù)據(jù)傳輸量，減少數(shù)據(jù)傳輸能耗，從而優(yōu)化無人機飛行能耗。目前準確、高效的圖像拼接與實景成像技術是無人機圖像處理與視覺成像的難點與熱點，也是無人機集成系統(tǒng)發(fā)展過程中必須攻克的堡壘。

4 結束語

無人機集成系統(tǒng)應用于水利管理領域，可解決水利管理中巡查范圍廣、難度大、成本高的難題，促使渠系灌溉巡查、旱澇情監(jiān)測、水環(huán)境定點監(jiān)測向智能化方向發(fā)展，推動水利管理科學高效發(fā)展。