無人機低空遙感技術在堤防工程管理中的應用

邱俊杰 楊兢 沈小平 林杰

摘要：本文以東苕溪導流東大堤為例，通過將無人機低空遙感技術應用于堤防工程的日常常態化管理中，實現了無人機的堤防巡檢、二維及三維建模、遠距離實時空中監控。應用結果表明，無人機低空遙感技術可有效彌補現有“人工+監控”的堤防管理模式所存在的不足，適用于大范圍堤防的全方位監管，從而為堤防的現代化管理提供了新的方法和途徑。

關鍵詞：無人機? 低空遙感技術? 堤防工程管理? 東苕溪導流東大堤

Abstract： Taking the Dongtiaoxi River Levee for example， by applying UAV low altitude remote sensing technology to the daily normalization management of levee engineering， the UAV levee inspection， two-dimensional and three-dimensional modeling， remote real-time monitoring and control of UAV are realized. The application results show that the UAV low altitude remote sensing technology can effectively make up for the shortcomings of the existing "manual + monitoring" levee engineering management mode， which is suitable for all-round supervision of large-scale levee engineering and provides a new method and way for the modern management of levee engineering.

Key Words： UAV; Low altitude remote sensing technology; Levee engineering management; Dongtiaoxi River Levee

堤防工程往往分布范圍廣、距離長，地形地貌比較復雜，現有的傳統“人工+監控”的巡查模式在堤防工程的日常長效監管中往往存在大量盲區和死角，且巡查結果受制于巡查人員的素質高低，許多問題無法及時發現并得到解決。無人機具有體積小且機動性較強，不受時間空間限制，具備數據采集全面、時效性高、精度強，自動化信息化程度高等優點，可有效彌補現有堤防工程日常管理中所存在的不足，帶來監管效能上質的提升。

1.研究背景

堤防是抵擋風浪，抵御洪水，保障沿河人民群眾生命和財產安全的重要屏障，在整個水利工程領域中占據著至關重要的位置。堤防工程的管理歷來是水利部門管理的重點和難點，由于堤防工程往往面廣量大、距離又長，許多堤防又分布在人煙稀少、交通條件較差的區域，給堤防的長效管理帶來了挑戰[1]。

目前，對于堤防的管理主要是采用常態化的人工巡查輔以地面監控的方式，由于堤防工程的特性，使得人工巡查存在工作量大、工作效率低、巡查范圍有限的問題，巡查結果受制于巡查人員的素質高低，特別是對無交通條件的農村偏遠河道堤防易產生大量的巡查盲區和死角。而地面監控雖然一定程度上改善了傳統人工巡查的不足，但由于是定點監控數量有限，無法對整條堤防管理范圍進行全覆蓋，且整套監控系統的資金投入大、維護成本高，只適用于在重點骨干堤防的監管上，無法大范圍推廣使用。這些現有管理方式所存在的不足直接導致了水利部門每年高投入下的堤防監管效能大打折扣。

近年來，隨著無人機低空遙感技術的發展，利用無人機在水利行業的應用已嶄露頭角[2]。無人機低空遙感是一種以自動控制的低空飛行無人機為平臺，以機載遙感設備為有效載荷，以獲取高分辨率的影像數據為目標的新興技術。它不受時間空間限制，具備數據采集全面、時效性高、精度強，自動化信息化程度高，可重復性強，性價比高等優點，可有效彌補和避免現有的“傳統人工巡查+地面監控”的堤防監管方式存在的不足，特別適用于大范圍堤防的全方位監管，由其獲得的海量基礎數據，可為后續堤防的保護規劃設計、防災減災、工程建設管理、水利智慧平臺系統建設等奠定重要基礎，具有很大的行業市場應用前景[3]。

2技術路線

基于無人機低空遙感技術，通過采用無人機搭載高分辨率攝像頭，對堤防高分辨率影像數據進行采集，進而實現主要以下3個方面的內容。

（1）定期進行無人機堤防巡檢。通過在無人機上搭載高精度云臺相機，低空拍攝高精度的堤防影像，獲取全線堤防的完整影像數據，同時對拍攝過程中發現的疑似涉堤違建、河湖岸線侵占、偷排偷倒、水利工程設施破壞等影響堤防安全的問題進行重點采集。每次巡檢結束后，通過對每次巡檢影像進行分析比對，查找出相關涉堤問題，出具巡檢報告。

（2）對堤防全線開展無人機傾斜攝影建模，建立堤防的二維和三維數字化可視模型[4-7]。通過在無人機上搭載多鏡頭相機，在飛行過程中從垂直、傾斜等多個角度同時采集堤防影像，獲取更為完整的堤防地物信息，再將具有一定重疊度的無人機航拍傾斜攝影數據導入ContextCapture建模軟件，計算機中的圖形處理GPU會結合像片所包含的POS信息自動進行空中三角測量計算，生成點云并加密為密集點云，構成三角網格模型，最后結合傾斜影像中的像素信息生成富有紋理的二維及三維模型，支持對堤防管理范圍區域的點、線、面數據進行經緯度讀取及量測判斷。

（3）采用無人機4G圖傳技術，實現無人機遠距離巡檢圖像的實時傳輸至已有的地面堤防監控管理系統，從而初步構建“天地一體化”的堤防監控體系。通過在無人機上搭載4G無線圖傳設備，可以將無人機的巡檢圖像以1080P的分辨率實時傳輸至地面管理終端，從而讓管理者可以實時獲知巡檢情況，對巡檢中發現的涉堤違建、河湖岸線侵占、偷排偷倒、水利工程設施破壞等行為可以第一時間進行處置。

3應用案例

3.1東苕溪導流東大堤

東苕溪導流東大堤地處浙江省湖州市，從湖州市區與德清縣交界處至湖州船閘，堤防全長約25km，工程集防洪、排澇、供水和改善水環境、航運條件等功能為一體。東苕溪導流東大堤為1級堤防，防洪標準百年一遇，是保護杭嘉湖東部平原及湖州城區防洪安全的重要屏障，所在河道東苕溪導流港主要承擔了導引東苕溪流域2265km2的洪水入太湖。東苕溪導流東大堤堤頂高程6.36～5.66m（85國家高程），堤頂寬度8.0m，堤身總寬度大于40m，同時設有15m的景觀帶和30m的防護林帶，2018年在堤身背水坡管理范圍內新建東苕溪綠道。

目前，東苕溪導流東大堤的日常管理主要為堤防巡查、綠化養護及零星維修。其中，堤防巡查主要采用人工駕車巡查和徒步巡查的方式，輔以地面監控。由于東苕溪導流東大堤戰線長，沿途鄉鎮村莊多，堤防背水坡又多為茂密的防護林，交通條件差，造成人工徒步巡查的工作量大、效率低，堤背及界墻范圍內的巡查盲區和死角多，經常發生沿線村民對堤防侵占、違建、偷排偷倒等問題，卻難以及時發現和制止。

3.2堤防無人機巡檢

通過引入大疆多旋翼無人機懸掛高分辨率云臺相機，自2019年3月至2021年3月的兩年時間內，通過對東苕溪導流東大堤全線平均每周一次定期開展無人機巡檢，獲得了90余次的巡檢影像樣本數據，對植被茂密的堤背、排水溝、界墻等位置進行了重點拍攝。通過歷次的分析比對，共發現了水利設施被破壞、占用堤防、違規建設、偷排偷倒、私設水管、樹木倒伏等各類問題500余處。堤防管理單位依據每次巡檢后2日內提供的無人機巡檢報告，對存在的問題及時進行現場核實及處理，有效提升了堤防監管效能，如圖1所示。

3.3堤防二維及三維建模

通過在大疆多旋翼無人機上搭載總像素超過1億的5鏡頭相機，于2020年9月對東苕溪導流東大堤全線25km管理范圍進行了無人機傾斜攝影，精度為1：500，獲得了高分辨率照片10萬余張，通過工作站將航拍傾斜攝影照片導入ContextCapture建模軟件進行批處理，得到了高精度的東苕溪導流東大堤的正射及三維影像及高程、坐標等詳細的地理信息數據。

如圖2所示，堤防管理單位通過在三維影像模型中可以查看、測量、計算現有堤防管理范圍內所有地面物體的三維可視化數據，不僅可以直接了解到東苕溪導流東大堤現有的全貌，而且將可視化數據嵌入已有的水利工程標準化運行管理平臺，為后續堤防的保護規劃設計、防災減災、工程建設管理、水利智慧平臺系統建設等奠定重要基礎。

3.4遠距離實時空中監控

通過在大疆多旋翼無人機上搭載清新互聯4G無線傳輸單兵，將無人機巡檢畫面以1080P的像素實時回傳至堤防管理單位的管理中心監控平臺上，讓堤防管理人員能夠獲得實時的巡檢畫面，從而掌握巡檢的詳細情況。尤其是對巡檢人員沒有及時發現的問題，遠程管理人員通過實時畫面可以更好地發現相關問題，并及時采取必要的措施來解決問題。結合已有的地面堤防監控系統，初步構建了東苕溪導流東大堤的“天地一體化”的監控體系。

4 結語

通過將無人機低空遙感技術應用到堤防工程的長效運行管理中，可實現對堤防全線無死角的實時動態“天地一體化”監控，采用無人機傾斜攝影建模建立堤防的二維和三維數字化可視模型，可為堤防管理部門提供完整的堤防可視化地理數據信息，從而為后續堤防的保護規劃設計、防災減災、工程建設管理、水利智慧平臺系統建設等奠定重要基礎。東苕溪導流東大堤的應用案例表明，無人機低空遙感技術可有效彌補現有“人工+監控”的堤防管理模式所存在的不足，適用于大范圍堤防的全方位監管，豐富的技術應用拓展可以為管理者帶來多方面的管理效能的提升，為堤防的現代化管理提供了新的方法和途徑。

參考文獻

[1]陳璐. 我國省域水利現代化建設水平測度及短板分析[D].西安：西安理工大學，2021.

[2]王春雨，鐘嘉奇，王博超，等.多旋翼無人機在水利行業中的應用[J].黑龍江水利科技，2020，48（1）：152-155.

[3]蔣濤.無人機遙感技術在水利工程中的應用[J].農業與技術，2021，41（13）：66-68.

[4]高力，徐興亞.無人機傾斜攝影測量在堤防應急除險中的應用[J].人民長江，2020，51（10）：210-214.

[5]毛久常，趙世軍.低空無人機遙感在水利工程測繪中的應用研究[J].建筑技術開發，2020，47（19）：85-86.

[6]陳小龍，王海濤，董快鴿.無人機低空攝影測量技術在水利工程測量中的應用[J].陜西水利，2018（5）：220-221，223.

[7張繼賢，劉飛，王堅.輕小型無人機測繪遙感系統研究進展[J].遙感學報，2021，25（3）：708-724.

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