無人機在灌區(qū)巡視中的應用

王巧玲

(甘肅省疏勒河流域水資源利用中心,甘肅 玉門 735211)

0 引 言

疏勒河雙塔灌區(qū)地處河西走廊疏勒河下游,屬于瓜州縣境內(nèi),海拔1100～1300m,灌區(qū)年平均降水量47.4mm。灌區(qū)目前有效灌溉面積3.1萬hm2,現(xiàn)有水庫1座,總庫容2.4億m3,總干渠1條,長度32.613km,干、支、斗、農(nóng)渠3144條,總長度1858.05km。雙塔總干渠是雙塔灌區(qū)的主干輸水渠道,全長32.613km,自1973年建成投運至今,灌溉季灌區(qū)用水量大,為保證渠道安全運行,提高供水的可靠性,總干渠工程管理所需安排巡視人員對渠道的運行情況進行現(xiàn)場人工巡查,但因渠道較長,渠道周圍環(huán)境條件較差,巡查工作量大,巡查效率較低。

隨著現(xiàn)代科技水平的提升,無人機在水利信息化建設方面取得了顯著的成就,其作為航空攝影、衛(wèi)星遙感的補充,不僅可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的靈活采集,而且分辨率高,可獲得高質(zhì)量影像,近年來被應用于水體污染事件、洪澇災害等監(jiān)測中[1]。灌區(qū)引入無人機技術,一方面可以彌補傳統(tǒng)監(jiān)測手段數(shù)據(jù)采集難度大、用時長、作業(yè)范圍小的缺陷;另一方面避開了衛(wèi)星遙感、航空測量成本高、受天氣影響大的實際問題,利用遙感技術可定量、定性、定時獲得高精度數(shù)據(jù),并予以分析,具有鮮明的優(yōu)勢。

2019年疏勒河水資源利用中心開展了安全巡查系統(tǒng)建設項目,沿重點建筑物部位架設紅外球型攝像機15臺,無特殊建筑物區(qū)間架設云臺攝像機11臺,共計26臺攝像機。該項目于2020年組織實施并通過了初步驗收,經(jīng)過近1a的試運行,該系統(tǒng)的成功實施為昌馬新舊總干的日常巡檢提供了很好的輔助支撐,利用云臺和球機遠程操控,可實時查看渠道現(xiàn)場工況,提升了巡渠的效率與質(zhì)量,減少了現(xiàn)場巡渠工作人員的勞動強度。為配合該灌區(qū)配套續(xù)建及節(jié)水改造,采用了無人機對工程范圍的地形進行巡查、斷面測量,提高了測繪效率,減輕了巡測中心管理人員工作壓力。

1 無人機灌區(qū)巡視系統(tǒng)設計

研究結合灌區(qū)實際情況,結合現(xiàn)實需求設計了無人機灌區(qū)巡視系統(tǒng),遵循實用性、共享性、安全性原則,對各性能指標進行全面綜合考慮,確保符合網(wǎng)絡優(yōu)化配置、業(yè)務拓展需要,在此基礎上方便后期維護。安全巡查系統(tǒng)采用事件觸發(fā)的方式與連續(xù)監(jiān)測方式相結合。雙塔總干渠安全巡查系統(tǒng)的建設,集機器視覺、通信網(wǎng)絡、信息技術、計算機技術等為一體,可實現(xiàn)雙塔總干渠的全景監(jiān)控、預警等功能[2]。結合雙塔總干渠現(xiàn)場的特點,架設可視范圍廣、監(jiān)控范圍大的云臺攝像機,在分水閘、渡槽、農(nóng)橋等監(jiān)視范圍較小的區(qū)域架設紅外球型攝像機,實現(xiàn)渠道全程可視化與重點閘門特別監(jiān)控;在渠道末端設1套水尺攝像機,實現(xiàn)渠道的水位監(jiān)測。

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

將疏管局綜合管控平臺為核心,雙塔總干渠工程管理所為節(jié)點,利用光纖網(wǎng)絡建立了監(jiān)控點,對雙塔總干渠沿線渠道及周邊視頻圖像進行遠程監(jiān)視管理。

1)視頻監(jiān)控點布置:雙塔總干渠全長32.613km,其中0+000-3+525段、26+623-30+028段為矩形明渠,渠道長度約6.93km,以上段落渠道建筑物運行工況良好,且上面有格柵,不需要進行遠程視頻監(jiān)控。根據(jù)現(xiàn)場實際,剩余渠線共需布線云臺攝像機11臺,水尺球形攝像機1臺,高清球型攝像機2臺,共計14臺?，F(xiàn)地視頻監(jiān)控點布置見表1。

表1 現(xiàn)地視頻監(jiān)控點布置

2)航線編輯:在河道等比較狹窄、細長的區(qū)域,應合理規(guī)劃航線,采用航帶飛行模式,杭點盡量選擇河道中心上方,方便對通道外擴進行統(tǒng)一設置。一般外擴距離應延展至河岸5～10m,便于后續(xù)重建、地圖定位。

3)重復率設置:為確保后期重建能夠達到理想效果,可設置重疊率為40%～60%,航線規(guī)劃應滿足河岸上對應的所有區(qū)域,便于后期有足夠的圖像可拼接重建。為避免環(huán)境風所致的位置偏移,可采用定距拍攝的方式。

4)相機設置:在相機中將畸變修正關閉,以保障拍攝的圖像質(zhì)量。建議在對獲得的原片進行后處理時關閉該選項,保存設置。選擇飛行頁面對調(diào)試好的航線規(guī)劃進行執(zhí)行。

1.2 通訊與網(wǎng)絡系統(tǒng)

沿雙塔總干渠架設1條48芯單模光纜,作為工程的主干通信光纜,總干渠沿線的視頻監(jiān)控設備就近通過交換設備接入主干光纖網(wǎng)絡?？偢汕苍O14套視頻監(jiān)控設備,選用工業(yè)級全千兆環(huán)網(wǎng)交換機,通過級聯(lián)的方式組建環(huán)網(wǎng)。分別在雙塔總干工程所和雙塔水庫管理所設置工業(yè)級匯聚交換機,實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的匯聚管理[3]。利用雙塔水庫管理所至疏勒河水資源局調(diào)度中心已建光纖網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)存儲管理中心,實現(xiàn)新建雙塔總干渠安全系統(tǒng)在雙塔總干工程所現(xiàn)地操控應用,在局調(diào)度中心統(tǒng)一存儲管理。

1.3 管理中心

雙塔總干渠安全巡查系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對新增視頻監(jiān)視點的集中存儲與保護,對現(xiàn)有8700平臺改造升級,符合管理及安全要求,開發(fā)一鍵巡渠應用,能夠根據(jù)用戶使用習慣靈活配置并完成日常一鍵巡渠任務,同時集成供電系統(tǒng)管理系統(tǒng),具備但不限于現(xiàn)地電池剩余電量實時監(jiān)測與管理、現(xiàn)地電源設備遠程監(jiān)控等功能。

2 無人機在灌區(qū)巡視中的實際應用

2.1 灌溉渠系識別維護

田間灌溉管網(wǎng)、渠系是灌區(qū)水利工程重要組成部分,及時更新渠系分布信息是農(nóng)田灌溉重要保障,這就要求定期對灌溉渠道、管道進行巡視,及時發(fā)現(xiàn)破損現(xiàn)象,予以有效的維護,保障糧食生產(chǎn)安全。無人機技術經(jīng)濟價值高,且高效,應用遙感技術可有效識別農(nóng)田灌溉渠系,完成采集圖像的預處理,包括校正、去噪、拼接等。圖像顏色增強處理及空間轉換能夠突出目標建筑物的亮度,獲得豐富的渠測信息。近年來支持向量機的應用使得圖像特征提取、目標識別變得更為方便、快捷,其與無人機相結合能夠提升識別效率[4]。在具體應用中首先需要對無人機獲得的圖像信息進行處理,如高程、坡度以及正像影像等,綜合上述數(shù)據(jù),提取能夠反映渠系特征的數(shù)據(jù),建立一個訓練樣本集,獲得提取結果后,實施去噪與優(yōu)化處理,獲得高分辨率數(shù)據(jù),評估渠系連續(xù)性,判斷其是否存在淤泥沉積與淤塞情況,為渠系清淤處理提供可靠的依據(jù)。

2.2 斷面測量

在進行陸地斷面測量時,需要借助機載激光雷達對獲得的云信息進行測量,包括過濾地面建筑物、植被等,僅對地面點數(shù)據(jù)信息予以保留,獲得斷面高程點數(shù)據(jù),利用坐標對點位水平距離、高程作出相應的計算。數(shù)據(jù)處理需要借助移動站GNSS數(shù)據(jù)、慣導數(shù)據(jù),獲得高精度POS數(shù)據(jù),經(jīng)過結算對POS信號予以評估。然后在CoCoord軟件上對坐標系進行求取,并轉化為七參數(shù)[5]。然后對原始激光數(shù)據(jù)進行解析,對影像同步處理,獲得地面、墻體及屋頂?shù)确謱犹幚怼ａ槍Ψ謱虞^大的情況,可利用Copre濾波參數(shù)予以解算實施精度驗證,防止重復采集。

在測量水下斷面時,分為橫斷面與縱斷面,前者能夠輔助流量及水利項目工程量計算,后者能夠評估河流沿程縱坡的落差分布。無人機導航速度可結合實際情況選擇手動或自動,利用遙控器對航行模式進行切換,按照預先設置航線予以測量。

2.3 圖像監(jiān)視

監(jiān)控終端經(jīng)授權后能夠?qū)碜郧岸藬z像機的圖像進行監(jiān)視,且不受距離影響。多個監(jiān)控終端可對同一前端進行同時監(jiān)測,同樣,一個監(jiān)控終端也能夠在同一時間對多個前端進行監(jiān)測,計算機上會呈現(xiàn)出畫面分割,展示實時活動情況。圖像抓拍功能能夠?qū)⑵聊簧匣顒拥膱D像進行抓拍,并自動保存于磁盤,需要時可以打印出來。另外,無人機還具備自動巡視功能,在具體操作中,需要將自動巡視前端、攝像機加入監(jiān)控終端,對巡視時間進行設置,完成圖像巡視的自動化。用戶可根據(jù)需求選擇單畫面或多畫面遠程監(jiān)控。

3 結 語

無人機技術彌補了傳統(tǒng)測繪系統(tǒng)的不足,信息采集速度快、圖像質(zhì)量高,利用遙感測繪技術,能夠?qū)碗s地理環(huán)境進行測繪,可對灌區(qū)進行全覆蓋巡視,在終端可實時、在線持續(xù)監(jiān)控,操作簡單、成本低,節(jié)省了人力資源,減少了開支,實現(xiàn)了灌區(qū)巡視的現(xiàn)代化與智能化,前景廣闊。