基于北斗航攝的智能識別巡庫及實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)研究

朱德康，高麒杰，劉姜旭

（國網(wǎng)新源集團(tuán)有限公司富春江水力發(fā)電廠，浙江 桐廬 311504）

目前，我國水庫大壩的數(shù)量與日俱增，但是大壩在投入使用的過程中會產(chǎn)生各種各樣的安全隱患，不僅僅是功能故障問題，極有可能會威脅到下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此對水庫進(jìn)行日常維護(hù)及實(shí)時(shí)監(jiān)測十分必要。但大壩的規(guī)模和體型較大，在日常的監(jiān)測過程中需要投入較多的人力、物力，成本費(fèi)用較高，準(zhǔn)確性較低，監(jiān)測效率不甚理想[1]。利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行安全監(jiān)測具有大范圍、無接觸、高精度和連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛應(yīng)用前景。

1 研究背景與意義

2020 年長江中下游地區(qū)降雨量創(chuàng)歷史新高，錢塘江流域遭遇特大洪水。得益于及時(shí)主動(dòng)的防汛準(zhǔn)備和積極有效的應(yīng)對策略，富春江水電站成功戰(zhàn)勝建壩52 年以來最大洪水，連續(xù)開閘576 h，創(chuàng)建壩以來最長泄洪記錄。在此等極端天氣影響下，水電站全部機(jī)組滿發(fā)運(yùn)行，水電站水庫和水工建筑物均經(jīng)受了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，也對水電站的安全檢查和管理提出了更高的要求。

按照《國家電網(wǎng)公司防汛管理辦法（試行）》《國網(wǎng)新源控股有限公司應(yīng)急預(yù)案管理手冊》的相關(guān)規(guī)定和要求，富春江水電站每年汛前都將對整個(gè)上庫流域及庫區(qū)進(jìn)行安全檢查，主要是針對人為或者自然因素威脅水電站人員及重要設(shè)施安全及正常生產(chǎn)工作的因素，包括堤岸受損、廢船脫出或者出現(xiàn)亂排、亂堆、亂占、亂采和亂建，以及沿岸邊坡滑坡等情況。但目前主要是以人工、高頻次的現(xiàn)場巡查方式進(jìn)行巡檢，庫區(qū)岸坡檢查以目測為主，這種方式不利于對水工建筑運(yùn)行安全的監(jiān)控，更不利于發(fā)揮巡視檢查的作用。第一，富春江電站庫區(qū)地形環(huán)境復(fù)雜、植被茂密、水工建筑物分布范圍大、工程邊坡和河道情況復(fù)雜，人員作業(yè)危險(xiǎn)性大、費(fèi)時(shí)耗力；第二，人員現(xiàn)場巡視存在“盲區(qū)”，無法到達(dá)一些高陡邊坡地段、危險(xiǎn)地段，難以對巡檢區(qū)域進(jìn)行多角度完整覆獸；第三，進(jìn)入汛期降雨情況較多，路面濕滑，水位普遍高，本身作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增高，人員難以在野外完成完整的巡檢檢查，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取針對性的整改和治理措施[2]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國現(xiàn)已成功地開發(fā)和應(yīng)用以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)，聯(lián)合GLONASS、GPS、GALILEO 等多種衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，極大程度上提高并保證定位終端設(shè)備的定位準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，并且在無人機(jī)飛行作業(yè)和變形自動(dòng)監(jiān)測過程中已經(jīng)經(jīng)過了實(shí)際項(xiàng)目的驗(yàn)證，針對地基沉降、公路鐵路邊坡、尾礦庫坡面和大壩等都有部分實(shí)現(xiàn)了變形監(jiān)測系統(tǒng)的部署和應(yīng)用。

近幾年無人機(jī)及其衍生技術(shù)發(fā)展非常迅猛，無人機(jī)技術(shù)在電力行業(yè)中就已發(fā)揮出較大功用，在電站電網(wǎng)建設(shè)階段可用于地形初勘和選址，在運(yùn)維階段可用于電力走廊巡線等，通過無人機(jī)搭載激光雷達(dá)、航拍鏡頭、高光譜等傳感器進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)采集，并通過專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，能滿足更多環(huán)節(jié)的應(yīng)用需求。

在水電領(lǐng)域，龍羊峽水電站已使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取邊坡表面區(qū)域全覆獸影像，復(fù)原近壩庫岸滑坡體的幾何形態(tài)，達(dá)到監(jiān)測邊坡表面位移變化及變形目的。白鶴灘水電站也已通過試點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行了相關(guān)研究與驗(yàn)證。意大利艾米利亞羅馬涅的里德拉科利大壩于2017 年使用無人機(jī)航空攝影技術(shù)，結(jié)合GPS 定位技術(shù)、激光掃描技術(shù)和傳統(tǒng)測繪儀器對壩體進(jìn)行安全監(jiān)測與維護(hù)，為第一次使用無人機(jī)技術(shù)將混凝土重力拱壩進(jìn)行重現(xiàn)的項(xiàng)目，并成功地驗(yàn)證了無人機(jī)航測數(shù)據(jù)的高效性和高精度。無人機(jī)技術(shù)在河流巡檢方面也已有部分研究，但因兩岸地形復(fù)雜，并未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用，目前主要集中于對河道污染情況的巡查，即用于水文檢測[3]。

3 項(xiàng)目理論和實(shí)踐依據(jù)

3.1 無人機(jī)航測原理

航攝測量是指結(jié)合地面控制點(diǎn)測量、調(diào)繪、立體測繪等步驟，利用航攝儀器在飛機(jī)上連續(xù)向地面攝取成像片，進(jìn)行地形圖繪制的作業(yè)。簡單來說，就是在飛機(jī)上裝攝像機(jī)進(jìn)行拍照，獲取影像數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行繪圖處理。根據(jù)需要可以選擇垂直拍攝，生成正射影像圖，也就是平面的；選擇傾斜拍攝，生成的就是3D 影像圖，如圖1 所示。

圖1 航空攝影測量原理圖

無人機(jī)航測技術(shù)是一種新型的測繪應(yīng)用技術(shù)，其融合了無人機(jī)駕駛技術(shù)、航測傳感技術(shù)、遠(yuǎn)程遙控技術(shù)、通信技術(shù)和GPS 差分定位技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)。針對不同的應(yīng)用需求，無人機(jī)可搭載不同的傳感設(shè)備，針對性地完成目標(biāo)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，這為水電站及庫區(qū)安全巡檢提供了新的思路和有利條件。其具有如下優(yōu)勢。

1）使用靈活。在無人機(jī)實(shí)際工作的過程中，要想對不同面積進(jìn)行巡檢，可以通過調(diào)整飛行高度來解決，在測區(qū)范圍較大的時(shí)候，可以同時(shí)進(jìn)行多架多次巡檢，使用起來相當(dāng)靈活。

2）高分辨率、處理速度快。搭載在無人機(jī)上的照相設(shè)備圖像分辨率可達(dá)0.1～0.5m，明顯高于目前國內(nèi)外衛(wèi)星圖像資料；資料收集和處理的速度較快，具有較高的效率。

3）成本低、集成性強(qiáng)。無人機(jī)的高空攝像，不僅可以進(jìn)行航空影像的拍攝，還可以進(jìn)行衛(wèi)星攝像，同時(shí)具備高性能自動(dòng)化處理技術(shù)，可有效節(jié)約成本，數(shù)據(jù)采集和處理速度較快。

4）安全高效。將無人機(jī)用于水庫河道巡檢，能夠解決地理環(huán)境復(fù)雜、檢查工作量大、檢查人員安全隱患不明等問題。同時(shí)，無人機(jī)一次巡檢可以代替幾十個(gè)巡檢人員的工作時(shí)間，節(jié)省了時(shí)間，提高了效率。

5）環(huán)境依賴小。無人機(jī)巡檢受自然氣候、地形條件等的限制小，保證了實(shí)施的可能性，對環(huán)境的依賴小。

3.2 北斗位移監(jiān)測原理

北斗位移監(jiān)測是目前應(yīng)用最廣泛的監(jiān)測技術(shù)，其測量原理為靜態(tài)相對定位。設(shè)置在基線兩端點(diǎn)的接收機(jī)相對于周圍的參照物固定不動(dòng)，通過連續(xù)觀測獲得充分的多余觀測數(shù)據(jù)，解算基線向量，稱為靜態(tài)相對定位，一般采用測相偽距觀測值作為基本觀測量，是當(dāng)前定位中精度最高的一種方法。

4 實(shí)施方案

4.1 富春江水電站庫區(qū)無人機(jī)航攝自動(dòng)化巡庫技術(shù)的研究

1）技術(shù)路線。航測成圖采用“內(nèi)-外-內(nèi)”的作業(yè)模式。內(nèi)業(yè)利用前期航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測量，進(jìn)行立體測圖，即室內(nèi)預(yù)判。將內(nèi)業(yè)立測數(shù)據(jù)符號化，疊加調(diào)繪影像、地名數(shù)據(jù)輸出調(diào)繪片。外業(yè)利用調(diào)繪片進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪、補(bǔ)調(diào)及補(bǔ)測。內(nèi)業(yè)參照外業(yè)調(diào)繪資料，在CASS 10.1+AutoCAD 2019 軟件中對立測數(shù)據(jù)進(jìn)行分層、分要素的數(shù)據(jù)整合、圖面相互關(guān)系處理，制圖編輯可以得到DLG 制圖數(shù)據(jù)（*.DWG）。利用在創(chuàng)建三維立體模型時(shí)生成的las 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過TerraSolid 軟件進(jìn)行點(diǎn)云自動(dòng)化分類，提取正確的地面點(diǎn)，將地面點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格化，并內(nèi)插成一定間距的數(shù)字高程模型（DEM）。利用DEM、原始單片和空三成果數(shù)據(jù)糾正單片，并對單片進(jìn)行勻色，通過影像鑲嵌和編輯拼接線得到最終的數(shù)字正射影像（DOM）數(shù)據(jù)[4]。

2）航空攝影。本次計(jì)劃采用無人機(jī)自主巡庫系統(tǒng)進(jìn)行飛行作業(yè)，如圖2 所示。根據(jù)水電站區(qū)域的實(shí)際地形地貌進(jìn)行航飛設(shè)計(jì)，選擇較好的航飛天氣航攝，獲取數(shù)碼影像，資料處理，資料檢查，對航飛質(zhì)量較差區(qū)域及漏飛區(qū)域重飛或補(bǔ)飛。航飛時(shí)，將嚴(yán)格布設(shè)航攝分區(qū)，并選擇合適的地面采樣距離。根據(jù)所選擇的地面采樣距離，利用相機(jī)的焦距和像元尺寸，得到相對航高。相對高度與基準(zhǔn)面之和，即為飛機(jī)飛行的高度。

圖2 自動(dòng)巡庫技術(shù)流程圖

3）航線規(guī)劃。執(zhí)行《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》，利用水電站區(qū)域已有的地形圖、遙感影像等信息，分析了航攝分區(qū)內(nèi)形狀與空間分布特征，基于無人機(jī)搭載北斗高精度定位傳感系統(tǒng)，進(jìn)行高精度的航線敷設(shè)。在航線敷設(shè)階段，盡量考慮常規(guī)巡檢作業(yè)的高效性，遵循以少量架次以及集中點(diǎn)位覆獸全部區(qū)域的原則，同時(shí)考慮不同的巡檢對象以及巡檢要求，設(shè)定不同的飛行參數(shù)，通過多次試飛來優(yōu)選確定自動(dòng)巡檢的航線及參數(shù)[5]。

4）航攝飛行。在無人機(jī)飛行前，做好設(shè)備檢查工作，確保設(shè)備能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行，包括無人機(jī)設(shè)備、GPS 系統(tǒng)、存儲設(shè)備和航攝系統(tǒng)等。如果航攝出現(xiàn)相對漏洞和絕對漏洞均應(yīng)及時(shí)補(bǔ)攝，應(yīng)采用前一次航攝飛行的數(shù)碼相機(jī)補(bǔ)攝，補(bǔ)攝航線的兩端應(yīng)超出漏洞之外2 條基線。

飛行結(jié)束后，從飛行系統(tǒng)中下載相關(guān)的POS 數(shù)據(jù)、基站數(shù)據(jù)以及姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后用專門的軟件進(jìn)行處理計(jì)算，取得飛行測量各點(diǎn)的高精度的定位數(shù)據(jù)。

5）質(zhì)量檢查。影像概況檢查，主要是檢查原始影像是否存在不能打開或存儲時(shí)影像損壞的情況；其次檢查影像是否有發(fā)虛現(xiàn)象；第三檢查全部影像的曝光情況，是否影響影像的判讀。

6）影像處理。航片的掃描質(zhì)量直接影響到正射圖像的生成質(zhì)量，在掃描時(shí)如果數(shù)字圖像間隔過大，分辨率較低，就會出現(xiàn)圖像模糊的現(xiàn)象；如果間隔太小，影像雖然變得清晰，但是資料量會非常龐大，后期的加工工作變得極其不方便。因此，要綜合各方面因素，選擇合適的間隔，這樣才能使掃描后的數(shù)碼影像符合智能識別算法對數(shù)據(jù)的要求。

7）空中三角測量。首先，在影像的四角手動(dòng)均勻選取同名點(diǎn)，然后與影像進(jìn)行自動(dòng)匹配，隨后把匹配的粗差點(diǎn)去掉，把符合精度要求的同名點(diǎn)保留。利用空三的結(jié)果來鑲嵌影像，2 個(gè)影像的鑲嵌線條都比較平直。利用空三的結(jié)果進(jìn)行影像鑲嵌，再手工對鑲嵌線進(jìn)行調(diào)整拼接，整個(gè)圖幅色調(diào)就能保持均勻、平面誤差可以符合精度要求。

8）生成數(shù)字高程模型生成。在得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，確認(rèn)包含了所有的地物。可以通過TerraSolid 軟件進(jìn)行自動(dòng)濾波分類，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)大致地分為地面點(diǎn)、噪點(diǎn)、植被和建筑物等，不符合正確率的部分可以采取人機(jī)交互編輯的方式進(jìn)行分類，并以實(shí)時(shí)獲取的影像作為參考，將不正確的分類通過人工干預(yù)的方式得到正確的地面點(diǎn)。得到正確的地面點(diǎn)后，將地面點(diǎn)網(wǎng)格化，通過內(nèi)插的方式生成合適間距的DEM。

9）制作正射影像。通過SOUTH UAV2.0 和pixel 4d 軟件，利用影像內(nèi)外方位元素、空三結(jié)果、DEM 對原始影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正，生成數(shù)字正射影像成果。

10）自動(dòng)化巡庫擴(kuò)展應(yīng)用。無人機(jī)航攝自動(dòng)化巡庫系統(tǒng)可搭載高清圖傳設(shè)備將現(xiàn)場實(shí)時(shí)圖像傳輸至應(yīng)急指揮中心大屏展示，進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度指揮；同時(shí)可搭載空中喊話器，進(jìn)行遠(yuǎn)距離喊話，警示存在危險(xiǎn)行為的人員。

4.2 基于圖像識別技術(shù)的隱患智能分析及風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)研究

基于圖像智能識別技術(shù)，研究一套圖像智能識別系統(tǒng)，主要針對富春江水電站庫區(qū)巡檢要求和規(guī)范，對全局影像進(jìn)行針對性的檢查，包括對庫區(qū)設(shè)施、庫區(qū)流域及其沿岸環(huán)境設(shè)施以及河道違規(guī)占用河道資源情況的檢查。實(shí)現(xiàn)可見光照片人工缺陷標(biāo)記功能和隱患點(diǎn)AI 識別功能、建立隱患樣本庫。把無人機(jī)現(xiàn)場采集的影像回傳之后，系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行隱患分析，導(dǎo)出巡檢記錄和隱患情況的風(fēng)險(xiǎn)排查情況，生成可視化巡檢報(bào)告，對重要隱患區(qū)域和點(diǎn)位形成周期性監(jiān)測和管理，預(yù)判性規(guī)避可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，提高常規(guī)檢查的高效性和分析成果的科學(xué)性。

4.3 基于北斗高精度的山體坡面位移實(shí)時(shí)安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用研究

邊坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)（數(shù)據(jù)通信）、數(shù)據(jù)處理分析與管理子系統(tǒng)（控制中心）及輔助子系統(tǒng)4 個(gè)子系統(tǒng)組成。4 個(gè)子系統(tǒng)形成有機(jī)整體，前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對GNSS衛(wèi)星及各類監(jiān)測傳感器進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)通信網(wǎng)傳送到控制中心，控制中心軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，對邊坡位移情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常，預(yù)警系統(tǒng)立即作出相應(yīng)預(yù)警響應(yīng)。

項(xiàng)目通過現(xiàn)場調(diào)研試點(diǎn)隱患坡面，結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場情況，在合適點(diǎn)位布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)，完成監(jiān)測墩基建施工、GNSS 接收機(jī)安裝調(diào)試、軟件平臺部署和設(shè)備上線運(yùn)行。通過整套基于北斗的山體坡面位移實(shí)時(shí)安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對邊坡狀態(tài)全天候數(shù)字化顯示。同時(shí)，結(jié)合數(shù)據(jù)處理與變形分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)線面立體監(jiān)測；基于對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和智能分析，時(shí)刻掌握變形的演化趨勢，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警；對邊坡狀態(tài)進(jìn)行長期的穩(wěn)定性評價(jià)和預(yù)測，為保障富春江水電站人員設(shè)施安全提供長期穩(wěn)定的保障。

5 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)精度高，功能多，可以實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測。隨著北斗系統(tǒng)的不斷發(fā)展、完善，在水電站的智能巡庫及實(shí)時(shí)監(jiān)測方面的應(yīng)用也在加快推進(jìn)，在實(shí)際監(jiān)測業(yè)務(wù)中具有很高的技術(shù)成效，利用北斗航攝實(shí)現(xiàn)智能巡庫及實(shí)時(shí)監(jiān)測勢必會成為未來發(fā)展的趨勢。