無人機遙感監(jiān)測技術(shù)在水庫運維的應(yīng)用探索
——以華南地區(qū)某水庫為例

孫 文,孫 波

(1.廣州中科云圖智能科技有限公司,廣東 廣州 510095;2.水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術(shù)中心,廣東 廣州 510611)

無人機在國內(nèi)從20世紀80年代開始發(fā)展,經(jīng)歷了從軍事行業(yè)的應(yīng)用轉(zhuǎn)變到民用市場的探索過程,并隨著無人機技術(shù)的逐步成熟,無人機消費市場得到充分釋放,并帶動了國內(nèi)無人機產(chǎn)業(yè)鏈上下游的繁榮。無人機遙感是利用無人機控制技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、遙感應(yīng)用技術(shù),自動、智能和專業(yè)的獲取、分析和處理空間遙感信息的航空遙感技術(shù)解決方案[1]。近年來在國家大力推動數(shù)字經(jīng)濟和低空經(jīng)濟建設(shè)的背景下,無人機及其遙感技術(shù)在民用工業(yè)級的行業(yè)應(yīng)用中越來越廣泛和深入,比如利用無人機進行城市物流運輸,利用無人機的三維空間運動能力可在智能生產(chǎn)線上發(fā)揮作用,在城市治理中起到巡查、輔助執(zhí)法監(jiān)督的功能[2]。在國外,無人機也早已普及至科研生產(chǎn)應(yīng)用中,比如在對自然資源的觀測中,無人機替代衛(wèi)星成為靈活高效的數(shù)據(jù)采集手段[3],還有利用無人機高精度導(dǎo)航和激光雷達進行野外森林測量[4]。在水利行業(yè)應(yīng)用中,無人機因其機動性強、掛載豐富、飛行不受地理環(huán)境因素干擾,無人機遙感在防汛抗旱、水土保持監(jiān)測、水域動態(tài)監(jiān)測、水利工程監(jiān)管等方面發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢[5]。其中,水利工程的建設(shè)和管理涉及到飲用水安全、生態(tài)環(huán)境保護、施工管理、生產(chǎn)發(fā)電等多個領(lǐng)域的安全生產(chǎn),其管理工作十分繁重,利用無人機低空遙感技術(shù),可以快速機動地獲取水利工程范圍內(nèi)的高分辨率土地空間信息的變化,其精度能達到傳統(tǒng)地面采樣距離(GSD)的3倍[6]。替代人力進行高頻巡查人類活動,及時有效發(fā)現(xiàn)安全隱患,因此,受到越來越多的水利行業(yè)主管部門的重視和推廣。廣東省西江流域管理局在近年來利用高分辨率衛(wèi)星、無人機、地面智能監(jiān)控等多源監(jiān)測技術(shù)手段構(gòu)建空天地感知網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)對管理范圍內(nèi)的自然河道、水利工程及其人為活動的全域感知,提升了流域的管理水平[7]。本文通過華南地區(qū)某飲用水水庫的無人機巡檢案例,介紹無人機自動巡檢和遙感監(jiān)測技術(shù)特點,探索其在水利工程監(jiān)管方面的應(yīng)用價值和目前存在的技術(shù)瓶頸,為未來無人機技術(shù)在水利行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展總結(jié)可供參考的發(fā)展方向。

1 項目概況與技術(shù)路線

1.1 項目概況

本項目是國家某引水工程中的一個調(diào)節(jié)水庫,集雨面積約20 km2,水庫工程等級為II等,設(shè)計洪水標準100年一遇。該水庫屬于飲用水源地,需對其水質(zhì)進行高效管控與保護,完全消除風險隱患,以確保人民群眾飲用水安全。該水庫管理單位對庫區(qū)水環(huán)境以及管理范圍內(nèi)的土地空間進行常態(tài)化巡查,同時還需要對水庫和供水渠進行日常管護,做好壩體隱患排查,及時消除各類安全隱患。由于巡查面積大、區(qū)域不規(guī)則且地形復(fù)雜,此前采用傳統(tǒng)的人工巡查方式需要較大的人力、物力且存在部分死角人工無法到達難以發(fā)現(xiàn)問題。

1.2 技術(shù)路線

本項目提出利用無人機低空遙感監(jiān)測技術(shù),結(jié)合GIS、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能識別分析技術(shù),在庫區(qū)部署一套無人機自動巡查系統(tǒng)實現(xiàn)無人機智能化巡檢。該系統(tǒng)包含無人機智能機巢、無人機和無人機調(diào)度控制平臺(表1)。其中,無人機選用大疆經(jīng)緯Matrice 300 RTK,具備IP45級防護,55 min超長續(xù)航(空載情況下最大飛行時間),最高可承受7級風,適合復(fù)雜環(huán)境下的高頻詞作業(yè)。此外,Matrice 300 RTK還同時掛載禪思Zenmuse H20T、機載電腦和喊話器。無人機智能機巢采用的中科云圖智臻G900,改設(shè)備內(nèi)置4組無人機電池,通過機械臂實現(xiàn)120 s無人機自動換電,實現(xiàn)無人機不間斷作業(yè),同時配備工業(yè)級的立體監(jiān)測、恒溫恒濕和氣象系統(tǒng),全方位保障無人機和智能機巢的安全運行。在管理單位的內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下部署一套中科云圖自主研發(fā)的“易飛云”無人機遙感網(wǎng)運營平臺,用戶登陸WEB端則可實現(xiàn)實現(xiàn)航線規(guī)劃、無人機調(diào)度、和成果可視化展示以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析管理。

表1 無人機遙感網(wǎng)系統(tǒng)核心設(shè)備組成

以上軟硬件平臺構(gòu)成了無人機智能巡檢系統(tǒng)。操作人員通過平臺在線規(guī)劃無人機航線后,通過互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)給無人機智能機巢下發(fā)任務(wù)指令,智能機巢收到指令后自動完成無人機的開機和裝載電池,安全自檢通過后依靠導(dǎo)航定位系統(tǒng)起飛巡航。當無人機完成此次巡檢任務(wù)后,自動飛回機巢,依靠視覺定位降落至機巢,并自動取出無人機電池對其進行充電,完成整個自動化巡檢過程(圖1)。

圖1 無人機智能巡檢系統(tǒng)技術(shù)路線

1.3 應(yīng)用方向和效果

水庫管理單位利用無人機、低空遙感、通訊、前端AI識別等技術(shù),基本實現(xiàn)庫區(qū)內(nèi)對人為非法活動,包括游泳、釣魚、捕魚等進行實時監(jiān)測與管理,從安保、水質(zhì)、水工3個業(yè)務(wù)方面進行了無人機巡查路線的規(guī)劃。在安保管理方面,通過無人機前端智能識別技術(shù)實時對水庫的人為活動的實時監(jiān)測與報警,保證庫區(qū)水環(huán)境健康和人身安全。若發(fā)現(xiàn)有違法活動,無人機會自動報警至后臺,工作人員通過喊話功能對闖入人員進行警示和驅(qū)趕。無人機的熱紅外成像功能可以使其在夜間高效快速地發(fā)現(xiàn)和定位人群活動。水質(zhì)管理方面,通過無人機實時智能識別水面漂浮物、水庫工程作業(yè)情況跟蹤、雨后污水截排檢查及突發(fā)事件的巡查和探知。在水工管理方面,重點針對庫區(qū)紅線土地范圍內(nèi)目標開展立體化巡查,對可疑違建或違法施工、水土流失等目標,進行拍照取證。同時,還對水庫周邊的圍網(wǎng)的破損情況進行嚴密監(jiān)視。

針對以上應(yīng)用場景本項目一共設(shè)置了6條固定航線,通過定時巡檢模式,分別在每天11:00、14:00,20:30自動起飛巡查(表2)。隨著未來管理需求的增加,運營人員將持續(xù)優(yōu)化已有航線并新增航線。

表2 水庫管理無人機航線參數(shù)設(shè)置

從2022年1月至10月,無人機自動巡查累計飛行764次,獲取高清視頻608條和高清照片1 505張,發(fā)現(xiàn)違建、水葫蘆、人員釣魚、游泳、捕魚事件一共54次。前期針對無人機圖像AI定航高和焦距采集人員、船只總共1萬張樣本并訓練,使得人員闖入、船只、車輛的圖像算法識別率能達到80%,誤報率8%以內(nèi)。

除此以外,項目還利用無人機對水庫大壩完成多次正射影像和一次傾斜攝影測量,輸出實景三維模型,對庫區(qū)綠地面積、在建工地、構(gòu)筑物尺寸進行航拍測量復(fù)核,見圖2、3。

a)無人機AI自動發(fā)現(xiàn)船只報警

利用無人機智能化巡檢系統(tǒng),管理人員對庫區(qū)范圍內(nèi)進行全天候、高頻次、精細化的巡查管理,提高了自動化和精細化管理水平和人員工作效率,進一步加強保障群眾生產(chǎn)生活用水,保護水環(huán)境和水生態(tài)安全的能力。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 “云-端”無人機協(xié)同管控

“云-端”無人機協(xié)同管控技術(shù)是融合自動化、通訊、IT技術(shù)為核心構(gòu)建出的一套適配桌面、手機、平板等不同地區(qū)、多種終端的無人機遠程控制技術(shù)。利用“云-端”無人機協(xié)同管控技術(shù),可實現(xiàn)無人機自動巡檢航線的設(shè)定、無人機遠程控制、實時數(shù)據(jù)回傳、無人機的調(diào)度管理,是無人機自動巡檢的核心模塊。比如,無人機飛行過程中,視頻畫面通過4/5G或2.4/5.8GHz無線信號自動回傳至調(diào)度控制平臺,后臺人員還可同時通過調(diào)度控制平臺的虛擬搖桿操作無人機以及云臺。

2.2 基于高精度地圖的三維航線規(guī)劃

無人機自動飛行是基于提前設(shè)定好的無人機航線,利用實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(RTK:Real-time kinematic)獲取厘米級的定位精度,從而保障飛行的安全。但是該項目管轄范圍內(nèi)有小山丘、樹林、樓房以及架空線路,無人機作業(yè)要保障其安全必須要繞開飛行。因此,項目采用了無人機新型航測技術(shù),利用無人機傾斜攝影技術(shù),獲取庫區(qū)完整的實景三維模型,將制作好的三維模型導(dǎo)入無人機調(diào)度控制平臺,在三維地圖上進行無人機航線規(guī)劃,最大程度上保障無人機航線的安全性。目前無人機航測技術(shù)應(yīng)用比較成熟,尤其在近年山洪災(zāi)害調(diào)查評價工作中,全國多個省份(自治區(qū)、直轄市)均有應(yīng)用[8]。該平臺能對每一條航線結(jié)合當?shù)氐娜S模型進行碰撞檢測,加強無人機自動飛行安全管理。

2.3 多源數(shù)據(jù)智能監(jiān)測與識別

該項目中無人機最大的功能應(yīng)用點在于代替?zhèn)鹘y(tǒng)巡查人員高效多頻次對管理范圍內(nèi)的水環(huán)境、土地空間和施工區(qū)域進行監(jiān)測。在該項目中,無人機在白天通過圖像AI自動發(fā)現(xiàn)非法闖入人員、湖面漂浮物和岸邊垃圾以及施工車輛的活動,夜間通過無人機熱紅外識別闖入人員。無人機熱紅外技術(shù)很早就在安保領(lǐng)域得到應(yīng)用,2017年美國在一場安?；顒又欣脽o人機熱成像攝像頭發(fā)現(xiàn)隱蔽在城市里的狙擊手[9]。如此,在有效發(fā)現(xiàn)闖入人員的同時,通過高頻次的巡查形成威懾力,最終降低了水庫人員闖入的行為。

2.4 無人機監(jiān)測能力和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的深入融合

無人機憑借其優(yōu)秀的移動監(jiān)測能力被越來越多作為城市立體多源感知設(shè)施之一,應(yīng)用到各行各業(yè)。然而,無人機的行業(yè)應(yīng)用目前仍然沒有和業(yè)務(wù)系統(tǒng)形成真正的閉環(huán)。比如,無人機巡查過程中拍攝的人員闖入、違章建筑圖像可以作為后期人員執(zhí)法的依據(jù),但是從無人機發(fā)現(xiàn)問題到人員解決問題,沒有形成全自動的問題上報和事件扭轉(zhuǎn)。因此,技術(shù)人員將水庫無人機調(diào)度管理系統(tǒng)接入水庫110監(jiān)控中心,使得無人機自動巡查過程中發(fā)現(xiàn)的人員闖入報警信息、坐標點位等及時自動地發(fā)送到無人機平臺,值班人員收到信息侯立即趕往現(xiàn)場對闖入人員進行教育或驅(qū)趕,縮短了無人機發(fā)現(xiàn)問題到處理問題的時間,再次提高無人機在水庫運維方面的效率。

3 局限性和建議

雖然無人機產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展多年,行業(yè)應(yīng)用也探索出一些比較成熟的應(yīng)用,但仍存在一些制約行業(yè)應(yīng)用發(fā)展的技術(shù)和監(jiān)管問題。

3.1 無人機續(xù)航能力不足

目前水利行業(yè)一般采用鋰電池動力的小型多旋翼無人機用于河湖巡檢,其特點是輕便易用,可靠性強,但弊端在于電池容量和體積成正比[10],意味著需要通過增加電池體積來提高電池續(xù)航,從而增加無人機重量,這和工業(yè)級無人機的輕量化和便攜性發(fā)展方向背道而馳。

3.2 無人機通訊距離受限

多數(shù)民用無人機是通過現(xiàn)有無線電公開頻段來進行控制信號和數(shù)據(jù)的實時傳輸。其中2.4 GHz波長短功耗低,定向傳輸效果好,但非常擁擠、信號不穩(wěn)定。5.8 GHz相對于2.4 GHz頻率更高,性能更好,但傳輸帶寬低,穿透能力和傳輸距離比2.4 GHz要更短。因此,為保障信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性,會一定程度上犧牲無人機飛行作業(yè)半徑,同時也限制了無人機機巢的部署位置。

3.3 無人機感知和防撞技術(shù)較薄弱

無人機基于規(guī)劃好的三維航線靠高精度定位技術(shù)實現(xiàn)自動巡航,但在復(fù)雜且多變的地貌環(huán)境下,航線可能和實際地物發(fā)生碰撞,當無人機飛行過快時,很難檢測到細微的物體如電線、繩索,從而限制了無人機在復(fù)雜場景下的應(yīng)用[11]。而且導(dǎo)航定位的干擾性也偶爾發(fā)生,存在飛行安全事故隱患。目前基于視覺的定位和制圖技術(shù)(visual Simultaneous Localization and Mapping,vSLAM)尚不足以形成主流方式,尤其在室外有大量動態(tài)復(fù)雜環(huán)境時,該技術(shù)的導(dǎo)航精度會下降[12]。

3.4 無人機AI應(yīng)用處于起步階段

無人機行業(yè)尚不存在統(tǒng)一的作業(yè)標準規(guī)定拍攝的畫面分辨率、飛行高度、拍攝角度等因素,導(dǎo)致沒有積累可供視覺AI算法研究和訓練的大量素材。而且,無人機巡查環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致AI算法落地難度非常大,比如水庫庫面的水面漂浮物,就有樹枝、垃圾、煙頭、水瓶、船只等多種目標物,每種目標物的大小、顏色、質(zhì)地等特征量均不一樣,同一類AI算法無法很好進行通用。

3.5 無人機適航監(jiān)管和上游生產(chǎn)標準缺失

無人機高速發(fā)展和應(yīng)用對民航運輸造成了安全威脅,2017年成都機場出現(xiàn)的無人機擾航事件耽誤了上萬名乘客的出行,將無人機行業(yè)帶來的隱患推到風口浪尖[13],但目前并沒有伴隨成熟的監(jiān)管政策出臺,其空域的申報和飛行管理沒有標準流程[14]。此外,無人機行業(yè)上游的設(shè)備生產(chǎn)制造缺乏相應(yīng)標準,缺乏準入制度,導(dǎo)致市場上的無人機產(chǎn)品參差不齊,直接造成飛行安全隱患,并且間接導(dǎo)致下游行業(yè)應(yīng)用較難制定統(tǒng)一的作業(yè)標準,影響了無人機行業(yè)的健康有序發(fā)展[15]。

4 未來展望和建議

鑒于無人機在技術(shù)和行業(yè)監(jiān)管政策等方面目前存在的問題特征,無人機在水庫運維中的應(yīng)用發(fā)展方向有如下思考和建議。

4.1 構(gòu)建空天地立體化智能感知網(wǎng)絡(luò)

無人機自動巡檢的全天候、高頻次的特點讓水庫具備了高空視角下的移動監(jiān)測能力,但目前主流無人機的作業(yè)覆蓋范圍比較小,也難以實現(xiàn)空間監(jiān)測上的連續(xù)性。結(jié)合具有宏觀尺度、低成本的衛(wèi)星遙感,并同步在特定區(qū)域建立地面攝像頭實施24 h不間斷的監(jiān)控,構(gòu)建從宏觀到微觀、從高空到地面的空天地立體化感知網(wǎng)絡(luò),可加強對庫區(qū)的空間信息的連續(xù)高效監(jiān)控和分析。

4.2 建立無人機作業(yè)標準體系

如前文所述,無人機行業(yè)協(xié)會或者水庫大壩協(xié)會可依托于更多試點總結(jié)一套適用于水利工程巡檢的無人機作業(yè)標準體系,用于規(guī)范航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集等過程,來推動無人機視覺AI的商業(yè)化落地。

4.3 無人機視覺導(dǎo)航技術(shù)是應(yīng)對復(fù)雜多變環(huán)境的有效方案

無人機智能飛行過程中的感知和防碰撞技術(shù)有待提高。VSLAM導(dǎo)航技術(shù)由于其成本低、易攜帶且高度自主,可能依然是復(fù)雜環(huán)境下最優(yōu)的導(dǎo)航方式。目前,不少研究機構(gòu)在該領(lǐng)域持續(xù)鉆研,可能是無人機實現(xiàn)真正意義上的“自主”飛行的最容易的路徑。

4.4 無人機適航管理加強

除了從技術(shù)角度規(guī)避安全問題以外,監(jiān)管部門還需要從法律和政策層面制定相應(yīng)的法律法規(guī),加強無人機的適航管理,減少無人機可能造成的人身安全和財產(chǎn)安全。此外,適航空域申請的流程化也是行業(yè)有序發(fā)展過程中必須要解決的問題。

5 結(jié)語

在國家大力推動數(shù)字經(jīng)濟和低空經(jīng)濟的大背景下,無人機下游行業(yè)在積極探索各個領(lǐng)域的應(yīng)用,并以此拉動上游產(chǎn)業(yè)鏈的整合和技術(shù)的進步,從而產(chǎn)生了巨大的行業(yè)增長空間。據(jù)Frost&Sullivan行業(yè)分析預(yù)測工業(yè)級無人機增長速度將大大超過消費級無人機的市場,未來5 a的復(fù)合增長率將達到50%。無人機在水利行業(yè)應(yīng)用價值和市場規(guī)模大小取決于其應(yīng)用場景的廣度和深度,只有流域管理機構(gòu)、各省市水利主管部門積極主動擁抱新技術(shù),探索應(yīng)用場景,才能倒逼無人機技術(shù)的突破,得到監(jiān)管部門的重視,從而正向推動行業(yè)向前發(fā)展。