基于無人船聲吶遙測系統(tǒng)的水利工程檢測應(yīng)用

周根富，陳擎宇，武聞天

（江蘇省水利防汛物資儲備中心，江蘇 南京 210029）

1 概述

水利工程經(jīng)歷長時間的運(yùn)行，部分工程存在著質(zhì)量、安全隱患，由于這些隱患大部分在水下地段，常規(guī)的檢測手段往往不能及時發(fā)現(xiàn)，相關(guān)工程維護(hù)工作任務(wù)繁重，勞動強(qiáng)度較高，危險系數(shù)較大，迫切需要運(yùn)用先進(jìn)的水利工程水下檢測設(shè)備與方法來檢測。隨著科技的發(fā)展，水下測量技術(shù)和模式也正面臨著巨大變化，無人船測量的應(yīng)用能較好地解決人工駕駛測量船艇不足等問題。無人測量船系統(tǒng)集成了聲學(xué)探測、RTK定位、GIS與遙感、自動控制、無線數(shù)據(jù)通訊、計算機(jī)軟件等眾多先進(jìn)技術(shù)，自動化程度高，操作簡單易學(xué)。有效提高了水下測量精度，補(bǔ)充了測量范圍，同時減少了測量人員的勞動強(qiáng)度，降低了安全風(fēng)險，具有安全、便捷、經(jīng)濟(jì)、快速測圖的優(yōu)勢，只需要少量的工程人員就可以不間斷地完成長河段工程安全檢查工作，無人船搭載各類測量設(shè)備能完成航道多項(xiàng)測量任務(wù)［1-2］。通過研發(fā)的Sonarpro多源（多期）數(shù)據(jù)軟件可實(shí)現(xiàn)對XTF、JPG、TIF、TIFF格式的側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)繪等操作，模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的一系列操作，對側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)處理有極大的促進(jìn)意義。

2 系統(tǒng)組成及原理

基于無人船聲吶遙測系統(tǒng)由岸基人工作業(yè)子系統(tǒng)、無人測量船組成，其中無人測量船配置有RTK-GPS、單波束測深聲吶、側(cè)掃聲吶3種主要的測量設(shè)備，結(jié)合岸基人工作業(yè)子系統(tǒng)的無人船自主巡航及無線數(shù)據(jù)通信控制軟件及RTK-GPS測量軟件、側(cè)掃聲吶軟件、測深聲吶軟件、Sonarpro數(shù)據(jù)處理軟件等應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)自動化水下險情測量及多源數(shù)據(jù)處理［3-4］。

2.1 系統(tǒng)配置

無人測量船由水面機(jī)器人船體、主控系統(tǒng)（含主控模塊及主控嵌入式軟件）、供電系統(tǒng)、船載RF無線通信系統(tǒng)及測量設(shè)備（RTK-GPS、側(cè)掃聲吶、測深聲吶）構(gòu)成。建成的局域網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控船體以及無線數(shù)據(jù)傳輸一體化系統(tǒng)（圖1）。該子系統(tǒng)設(shè)計具備測量設(shè)備集成度高、應(yīng)急響應(yīng)速度快、水情適應(yīng)性強(qiáng)等3個特點(diǎn)，以適應(yīng)水利工程維護(hù)單位的應(yīng)急管理需求。

圖1 無人測量船主要設(shè)備布局

2.2 作業(yè)流程

在確定作業(yè)任務(wù)的水面區(qū)域后，系統(tǒng)的作業(yè)流程分為：作業(yè)規(guī)劃、水面作業(yè)、數(shù)據(jù)處理3個階段。

2.2.1 作業(yè)規(guī)劃階段

主要是岸基人工作業(yè)子系統(tǒng)為自動化測量任務(wù)進(jìn)行無人船航路的路徑規(guī)劃，基本原理是基于衛(wèi)星影像地圖的可視化航線規(guī)劃，下階段再由無人船控制系統(tǒng)基于RTK-GPS與地圖匹配技術(shù)自動執(zhí)行測量任務(wù)。

2.2.2 水面作業(yè)階段

水面作業(yè)前通過無人船搭載的RTK-GPS測量點(diǎn)高程值，換算得到水面高程數(shù)據(jù)。無人測量船接受岸基系統(tǒng)的指令并執(zhí)行，通過無人船主控系統(tǒng)完成全部的航路任務(wù)和測量任務(wù)，主控系統(tǒng)控制下根據(jù)船載RTK-GPS實(shí)時高頻定位數(shù)據(jù)，保持高精度的航路規(guī)劃的路徑導(dǎo)航行進(jìn)。

船載的測量設(shè)備（測深聲吶、側(cè)掃聲吶）通過無人測量船的RF無線通信將測深聲吶與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)實(shí)時回傳岸基人工作業(yè)子系統(tǒng)，經(jīng)測深聲吶軟件、側(cè)掃聲吶軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄及實(shí)時的瀏覽。側(cè)掃聲吶圖像應(yīng)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)或人工進(jìn)行識別和判斷，軟件標(biāo)注水利險情位置后，可進(jìn)行水利險情目標(biāo)探測掃描，得到目標(biāo)的大地坐標(biāo)系位置、水深、長度、寬度、高度等要素。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理階段

側(cè)掃聲吶圖像的水利險情的業(yè)務(wù)判讀及位置標(biāo)記。水利行業(yè)內(nèi)無相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件，通過研發(fā)Sonarpro多源（多期）數(shù)據(jù)軟件結(jié)合衛(wèi)星影像地圖、水下DEM等數(shù)據(jù)，進(jìn)行側(cè)掃聲吶圖像的測量、標(biāo)記等操作，并最終生成文本報告。

2.3 基本原理

2.3.1 水利險情目標(biāo)位置測定

本系統(tǒng)采用的是單波束測深聲吶，無人測量船行駛至水利險情目標(biāo)水面垂直位置，測深聲吶獲取水下目標(biāo)點(diǎn)的深度，依據(jù)RTK-GPS測量點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程值，可以計算獲得水利險情目標(biāo)點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)。無人測量船易受到風(fēng)浪的干擾，導(dǎo)致測量存在一定的誤差值，所以作業(yè)人員在測量前應(yīng)觀察天氣情況。

2.3.2 水利險情目標(biāo)圖像采集與識別

水利險情目標(biāo)圖像采集使用的是側(cè)掃聲吶左右各安裝1條換能器線陣，首先發(fā)射短促的聲脈沖，聲波按球面波方式向外傳播，碰到水中物體會產(chǎn)生散射，其中的反向散射波（也叫回波）會按原傳播路線返回?fù)Q能器并被接收，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成一系列電脈沖。將每個發(fā)射周期的接收數(shù)據(jù)縱向排列，顯示在顯示器上，就構(gòu)成了二維水底地貌聲圖。聲圖平面和水底平面成逐點(diǎn)映射關(guān)系，聲圖的亮度包涵了水底的特征。在完成聲圖采集后，基于Sonarpro多源（多期）數(shù)據(jù)軟件對水利險情目標(biāo)的性質(zhì)及參數(shù)進(jìn)行分析，再結(jié)合水下DEM描述的基本特點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)狀描述。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

無人船自動測量平臺作業(yè)過程是岸基作業(yè)人員通過無人船導(dǎo)航控制軟件和聲吶數(shù)據(jù)采集軟件，對無人測量船及測量設(shè)備（側(cè)掃聲吶儀、測深聲吶儀）進(jìn)行作業(yè)協(xié)同控制，由無人測量船自動方式或人工遙控航行，通過岸基測量人員計算機(jī)管理方式完成水下測量數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

無人船自動測量平臺水下工程檢測任務(wù)中，無人船自動測量平臺負(fù)責(zé)完成測量任務(wù)規(guī)劃與測量數(shù)據(jù)采集處理，Sonarpro軟件負(fù)責(zé)完成測量數(shù)據(jù)分析與報告。任務(wù)規(guī)劃的無人船巡檢任務(wù)自動規(guī)劃，數(shù)據(jù)采集處理的水下地形地貌精細(xì)重建，險情及障礙識別，水下安全檢測數(shù)據(jù)挖掘是無人船自動測量平臺的關(guān)鍵技術(shù)（圖2）。

圖2 無人船自動測量平臺的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無人船巡檢航路自動規(guī)劃

無人船航路規(guī)劃是指在靜態(tài)和動態(tài)障礙物并存的工作環(huán)境中，尋找一條從已知起點(diǎn)到目標(biāo)滿足一定評價標(biāo)準(zhǔn)的航行路徑，使水面無人艇在航行過程中能安全可靠地避開所有障礙物。在整體地形測量、定點(diǎn)測量2種不同應(yīng)用條件下，無人船的航路規(guī)劃應(yīng)遵循不同的要求。在開始進(jìn)行水下安全檢測前，先利用歷史數(shù)據(jù)規(guī)劃生成整個任務(wù)的航路。

航路分為2個部分：一是對巡檢區(qū)域進(jìn)行范圍的全覆蓋，形成河道、湖泊、提防、水庫以及水電設(shè)施水下地形、地貌、工程水下結(jié)構(gòu)等整體情況的掌握；二是無人船應(yīng)盡快啟動并到達(dá)任務(wù)區(qū)域進(jìn)行遙測分析，同時可在不同任務(wù)區(qū)域之間進(jìn)行轉(zhuǎn)場。

本研究基于粒子群算法進(jìn)行全局航路規(guī)劃，并運(yùn)用勢場法生成局部避障路徑，實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)條件下無人船作業(yè)任務(wù)的快速自動規(guī)劃，自主避障運(yùn)行。

3.1.1 基于粒子群的全局航路規(guī)劃

無人船全局路徑是預(yù)先規(guī)劃形成的，若A區(qū)、B區(qū)為2個探測作業(yè)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)部代表覆蓋區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的S形網(wǎng)狀航路，出發(fā)點(diǎn)與A區(qū)，A區(qū)與B區(qū)之間的連線，代表無人船從出發(fā)點(diǎn)到A區(qū)，從A區(qū)到B區(qū)的航路。因此，無人船的航路規(guī)劃分為兩部分，一部分是區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃，另一部分是點(diǎn)對點(diǎn)的航路規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃分為3個步驟，即航行區(qū)域柵格化，覆蓋區(qū)域的S形網(wǎng)格生成，任務(wù)區(qū)域到達(dá)路徑生成。

3.1.2 基于勢場法的局部避障路徑生成

無人船的路徑是多端折線擬合形成的，無人船在水面行駛時，其全局航路是根據(jù)歷史水下地形數(shù)據(jù)生成的，一旦水下情況發(fā)生變化，可能遇到擱淺、碰撞等偶發(fā)危險狀況，無人船可通過聲吶回波信號預(yù)先掌握，并做出應(yīng)急處理，以躲避障礙物。同時，無人船在躲避障礙物后，應(yīng)再次靠近既定航線，繼續(xù)完成原先規(guī)劃的工作。

3.2 水下地形地貌精細(xì)重建

3.2.1 實(shí)時誤差校正技術(shù)

通過聲吶進(jìn)行水下地形測量，其主要誤差來源有聲速誤差、位置誤差、波束干擾誤差，實(shí)時誤差校正技術(shù)通過聲速誤差校正、船體姿態(tài)誤差校正以及波束積累對測量誤差進(jìn)行校正。

3.2.2 快速圖像特征匹配

無人船的水下測距設(shè)備包括多種測距設(shè)備，當(dāng)形成水下地形時，不但需要對點(diǎn)云進(jìn)行正射矯正，還需要對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合配準(zhǔn)、鑲嵌，方可形成水下三維地形。同一位置多次測量的波束寬度、測距范圍、成像方位、回波強(qiáng)度也存在明顯差異，但經(jīng)正射校正后的周邊總體地形起伏是基本一致的。

因此，圖像特征的選擇必須具備旋轉(zhuǎn)不變性、光照不變性以及尺度不變性。此外，圖像特征點(diǎn)數(shù)量眾多，鑲嵌計算量復(fù)雜，很難滿足實(shí)時運(yùn)算的要求。針對以上問題，本文采用了特征篩選的方法，綜合運(yùn)用圖像區(qū)域二值化（LBP）紋理特征與加速健壯特征（SURF），優(yōu)化了特征點(diǎn)提取和匹配過程。在采用加速分塊特征檢測（FAST）算法提取角點(diǎn)的基礎(chǔ)上，先采用LBP特征對備選特征點(diǎn)進(jìn)行粗匹配，再提取SURF進(jìn)行精細(xì)匹配，通過2次篩選有效降低了后續(xù)特征提取的備選點(diǎn)數(shù)量。圖像配準(zhǔn)的主要過程如圖3。

圖3 圖像配準(zhǔn)的主要過程

3.3 險情及障礙識別

水下工程設(shè)施檢測面臨數(shù)據(jù)量大，分析處理難度高等問題，傳統(tǒng)的無人船聲吶系統(tǒng)一般采用“實(shí)時存儲、后期分析”的模式，隨著無人船及傳感器數(shù)量的增多，巡檢覆蓋面的增大，完全依賴后期分析的模式已無以為繼，必須引入自動處理能力，通過人工智能手段輔助識別漏洞、沖塌、裂縫等水下工程險情，或是違建、礁石、沉物、植物等水下障礙物，快速獲取險情位置、狀況，為搶修爭取時間，同時大量減少維護(hù)人員工作量。

本應(yīng)用研究借鑒RCNN的基本思想，采用圖像邊緣檢測提取聲吶回波圖中可能存在水下險情及障礙物的區(qū)域，用以替代RCNN中Region Proposal的相關(guān)功能，并對現(xiàn)有RCNN系列深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。針對水下聲吶目標(biāo)的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，能夠大幅度提高卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速度，降低后端處理負(fù)擔(dān)，提高實(shí)時險情、障礙識別能力。

由于特定類別的聲吶圖像可能難以獲得，本研究采用數(shù)據(jù)增強(qiáng)的方法對訓(xùn)練樣本進(jìn)行擴(kuò)充，主要方法包括目標(biāo)旋轉(zhuǎn)、添加噪聲、圖像縮放、區(qū)域截取，幾種方法可以聯(lián)合使用，數(shù)個成像圖像可擴(kuò)充至成百上千個樣本，從而大量提升了訓(xùn)練數(shù)據(jù)規(guī)模。

4 數(shù)據(jù)處理軟件及成果分析

Sonarpro軟件從側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、標(biāo)繪、信息查詢、導(dǎo)出等模塊均為自主開發(fā)，對圖像可以進(jìn)行深入細(xì)致的處理，既包含當(dāng)今主流的圖像處理功能，又能夠滿足不同用戶的需求。

整個數(shù)據(jù)處理軟件所有模塊的關(guān)鍵技術(shù)和算法，數(shù)據(jù)處理部分采用了多任務(wù)、多線程的工作模式，可以最大程度地利用現(xiàn)在多核處理器的優(yōu)勢，無論是程序運(yùn)行速度還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性都能滿足企業(yè)級應(yīng)用。系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定，支持多核心處理器并行計算，對內(nèi)存管理和使用的效率高，占用系統(tǒng)資源少，能夠滿足現(xiàn)階段的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用。

數(shù)據(jù)處理軟件是用于讀取聲吶測量設(shè)備獲取的水底及堤壩數(shù)據(jù)，提供可視化數(shù)據(jù)讀取窗口、圖示標(biāo)注工具，協(xié)助用戶在風(fēng)險點(diǎn)做出標(biāo)注。提供標(biāo)注信息導(dǎo)出工具，可將測聲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Tiff格式圖片，可將標(biāo)注數(shù)據(jù)導(dǎo)出供GIS在對應(yīng)風(fēng)險點(diǎn)位置顯示，可將標(biāo)注信息導(dǎo)出生成Word格式文檔。數(shù)據(jù)處理軟件功能結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)處理軟件功能結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

隨著科技發(fā)展與技術(shù)更新，工程水下檢測方式與工作管理模式也在不斷變化。無人船技術(shù)具有小巧靈活、智能化程度高、功能齊全、安全性能高等優(yōu)勢，極大降低操作人員的勞動強(qiáng)度和危險程度，可應(yīng)用于水利工程水下檢測及工程安全維護(hù)管理工作中。隨著無人船技術(shù)更加成熟，使用成本更低，在工程水下檢測中的廣泛應(yīng)用將產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。