基于無人機(jī)遙感技術(shù)的水利工程強(qiáng)監(jiān)管平臺的構(gòu)建

摘 要：無人機(jī)遙感的水利工程動態(tài)監(jiān)測技術(shù)通過遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)獲得水利工程建設(shè)的動態(tài)數(shù)據(jù)，具有機(jī)動、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，是人工、衛(wèi)星遙感、有人飛機(jī)遙感技術(shù)的重要補(bǔ)充。無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)是一種空間數(shù)據(jù)快速獲取的重要手段，相比衛(wèi)星遙感更具有自主性、快速的優(yōu)勢，對比人工、傳感器等方式更具經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)遙感技術(shù)；水利工程管理；動態(tài)監(jiān)管

一、引言

當(dāng)下水利工程管理水平不斷提升，技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但隨著應(yīng)用的深入與要求的提高，同樣也暴露了一些問題。經(jīng)過大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水利監(jiān)管從過去大量人員巡查手寫記錄，到現(xiàn)在利用互聯(lián)網(wǎng)和移動計(jì)算技術(shù)，通過全流程的工單流轉(zhuǎn)管理，實(shí)現(xiàn)了水利工程監(jiān)管的信息化。但是，水利工程監(jiān)管工作在機(jī)構(gòu)、人員、經(jīng)費(fèi)和設(shè)施等方面仍存在薄弱環(huán)節(jié)，技術(shù)手段也相對落后，特別是基層問題尤為突出。

無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)是一種空間數(shù)據(jù)快速獲取的重要手段，相比衛(wèi)星遙感更具有自主性、快速的優(yōu)勢，對比人工、傳感器等方式更具經(jīng)濟(jì)性。因此，無人機(jī)遙感的水利工程動態(tài)監(jiān)測技術(shù)通過遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)獲得水利工程建設(shè)的動態(tài)數(shù)據(jù)，具有機(jī)動、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，是人工、衛(wèi)星遙感、有人飛機(jī)遙感技術(shù)的重要補(bǔ)充。無人機(jī)遙感系統(tǒng)已經(jīng)逐步從研究開發(fā)發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段，有效的提升了水利工程監(jiān)管效率并降低工作風(fēng)險(xiǎn)，在水資源豐富、河湖縱橫交錯(cuò)的蘇州建設(shè)該系統(tǒng)能有效的提升水利工程監(jiān)管系統(tǒng)的靈活性與擴(kuò)展性，為可持續(xù)發(fā)展與今后水利工程全生命周期監(jiān)管新模式奠定基礎(chǔ)。

二、系統(tǒng)構(gòu)建

基于無人機(jī)遙感技術(shù)的水利工程強(qiáng)監(jiān)管平臺整合無人機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和航拍影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理并監(jiān)管的功能，主要包括無人機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊、數(shù)據(jù)展示模塊四大部分?？傮w來說，本平臺軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括多層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件模式設(shè)計(jì)和軟件框架設(shè)計(jì)三部分，下面將對這三部分進(jìn)行具體闡述。

（一）多層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式

一般對于一個(gè)具有相對復(fù)雜的程序基本都會分解為多個(gè)子目標(biāo)程序，每個(gè)子程序都有對應(yīng)的實(shí)現(xiàn)功能目標(biāo)，在子程序內(nèi)部對照其實(shí)現(xiàn)功能目標(biāo)設(shè)計(jì)內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯和流程。有時(shí)，子程序還可以繼續(xù)拆分，以生成大量具有更詳細(xì)功能的子例程，這些子例程包含在高級子例程中，并表示為一組低級子例程。對于這種程序結(jié)構(gòu)，通常稱為多層體系結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)多層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)如下圖1所示。

（二）軟件模式設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要構(gòu)建服務(wù)器與客戶端之間的聯(lián)系，通過無人機(jī)數(shù)據(jù)采集的水利工程數(shù)據(jù)、提取并識別水利相關(guān)設(shè)施目標(biāo)，需要與服務(wù)器端歷史版本的水利相關(guān)設(shè)施進(jìn)行比對；進(jìn)行比對后的動態(tài)變化信息需要實(shí)時(shí)動態(tài)更新到服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫；另外，水利工程相關(guān)管理人員需要通過客戶端瀏覽器訪問服務(wù)器端數(shù)據(jù)進(jìn)行水利工程變化數(shù)據(jù)查看，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)多臺子客戶端可同時(shí)向一臺服務(wù)器發(fā)送請求，一臺服務(wù)器對多臺客戶機(jī)的請求進(jìn)行處理，然后再返回給客戶機(jī)。

（三）軟件框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用無人機(jī)采集水利工程數(shù)據(jù)，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像中水利設(shè)施特征提取及識別，并進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)水利設(shè)施特征比對，還需要實(shí)現(xiàn)比對數(shù)據(jù)的特定開放查詢，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上，架構(gòu)設(shè)計(jì)分為四層：UI 操作層、應(yīng)用功能層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)接口層。其中，UI操作層顯示水利工程信息、水利相關(guān)設(shè)施及搜索功能。應(yīng)用功能層主要用于水利相關(guān)設(shè)施的檢測、提取、識別及變化信息的動態(tài)維護(hù)更新等。業(yè)務(wù)邏輯層主要負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)層的操作進(jìn)行整合，對系統(tǒng)中業(yè)務(wù)邏輯處理。數(shù)據(jù)接口層負(fù)責(zé)各種相應(yīng)的接口和存儲服務(wù)，如下圖2所示。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)利用無人機(jī)高效、精準(zhǔn)地捕獲水利工程的高清圖像，隨后對這些圖像進(jìn)行深度處理，提取出水利設(shè)施的關(guān)鍵特征信息。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型進(jìn)行訓(xùn)練，以實(shí)現(xiàn)對這些目標(biāo)特征信息的高精度識別與分類。將識別后的信息被有序地存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)了水利工程信息管理、水利工程一張圖、水利工程變化信息比對、工單上報(bào)、工單管理、數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)維等功能。

系統(tǒng)中主要依據(jù)歷史版本數(shù)據(jù)和當(dāng)前版本數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，檢測出目標(biāo)設(shè)施中的直方圖特征、結(jié)構(gòu)特征和哈爾特征等特征信息，如位置和大小等；利用級聯(lián)檢測器把有用的信息挑出來，對目標(biāo)對象建立檢測模型，匹配庫中的圖像信息，然后利用cap.read（）函數(shù)和cvtColor（）函數(shù)讀取圖片信息，進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換。接著運(yùn)用CascadeClassifier：detectMultiScale（）檢測目標(biāo)信息，對目標(biāo)信息進(jìn)行特征提取。

然后進(jìn)行水利設(shè)施目標(biāo)識別模塊的實(shí)現(xiàn)，預(yù)先制作水利工程初始數(shù)據(jù)集，在制作初始數(shù)據(jù)集時(shí)需要將檢測的不同類型區(qū)域進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理提取；第二步，進(jìn)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練，先在輸入層進(jìn)行區(qū)域數(shù)據(jù)截取，通過卷積層進(jìn)行特征值的提取，再通過池化層進(jìn)行采樣，然后在全連接層進(jìn)行卷積轉(zhuǎn)換為組合進(jìn)行輸出；第三步，進(jìn)行目標(biāo)識別，通過無人機(jī)遙感獲取待識別圖像，對待識別圖像進(jìn)行相應(yīng)圖像處理，進(jìn)行目標(biāo)的檢測提取，將檢測提取到的目標(biāo)傳入訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，然后和初始數(shù)據(jù)集中的目標(biāo)依次比對進(jìn)行識別操作，最后將識別結(jié)果進(jìn)行輸出。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水利工程監(jiān)測的綜合管理功能，不僅直觀地展示了水利工程的詳細(xì)信息概況，還支持高效的影像數(shù)據(jù)查詢與搜索功能。用戶能夠方便地查看水利工程的歷史數(shù)據(jù)，以深入了解工程的變化趨勢。此外，系統(tǒng)具備基于比對水利工程動態(tài)信息進(jìn)行工單上報(bào)的能力，管理人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題并上報(bào)。上報(bào)后的工單將遵循嚴(yán)格的流程管理，包括工單派發(fā)、工單處理及工單完結(jié)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保每一項(xiàng)工程任務(wù)都能得到及時(shí)、有效的監(jiān)管與處理，從而滿足水利工程動態(tài)監(jiān)管需求。

圖3是重點(diǎn)水利工程管理，實(shí)現(xiàn)了影像數(shù)據(jù)展示、影像數(shù)據(jù)管理以及工單管理等關(guān)鍵功能。在影像數(shù)據(jù)展示方面，系統(tǒng)能夠集成無人機(jī)遙感技術(shù)獲取的高清影像資料，為用戶提供水利工程區(qū)域的實(shí)時(shí)或歷史影像數(shù)據(jù)，便于管理人員快速識別工程狀態(tài)、監(jiān)測環(huán)境變化及潛在風(fēng)險(xiǎn)；影像數(shù)據(jù)管理對歷史影像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了分類、檢索功能；工單管理模塊實(shí)現(xiàn)了水利工程工單任務(wù)的創(chuàng)建、分配、跟蹤與完成確認(rèn)的閉環(huán)管理。

圖4所示為水利工程一張圖展示，利用GIS技術(shù)，將各類水利工程與地理空間信息深度融合，以直觀、清晰且易于理解的方式全面呈現(xiàn)。用戶只需輕點(diǎn)屏幕上的任意水利工程點(diǎn)位，即可迅速獲取該工程的詳細(xì)信息，包括但不限于工程概況、運(yùn)行狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)等。不僅極大地提升了水利工程管理的便捷性與效率，更為水利工程的科學(xué)管理、高效運(yùn)行以及可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過“一張圖”，管理者能夠迅速把握全局，精準(zhǔn)定位問題，及時(shí)作出科學(xué)決策，從而有效應(yīng)對各種復(fù)雜的水利工程管理挑戰(zhàn)。

四、結(jié)論

本系統(tǒng)成功開發(fā)了采用B/S（Browser/Server）架構(gòu)的、基于無人機(jī)遙感技術(shù)的水利工程強(qiáng)監(jiān)管平臺，并對該平臺進(jìn)行了全面而細(xì)致的功能性測試。在測試過程中系統(tǒng)識別并記錄了水利工程強(qiáng)監(jiān)管平臺存在的各項(xiàng)缺陷與不足，并對測試結(jié)果進(jìn)行深入的總結(jié)與分析，針對性地實(shí)施了優(yōu)化措施，從而進(jìn)一步完善了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全方位、基于無人機(jī)遙感技術(shù)的水利工程強(qiáng)監(jiān)管應(yīng)用，涵蓋了系統(tǒng)登錄、水利工程管理、水利工程一張圖可視化展示、影像信息管理、工單流程管理、運(yùn)維監(jiān)控管理等功能，極大地提升了水利工程管理的智能化與精準(zhǔn)化水平，使得管理人員能夠更高效、更準(zhǔn)確地掌握水利工程運(yùn)行狀況，做出科學(xué)合理的決策，推動水利工程管理邁向新的高度。

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