無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)在水利管理中的應(yīng)用與探索

白 亮

（甘肅省張掖市甘州區(qū)水務(wù)局，甘肅 張掖 734000）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于社會(huì)發(fā)展的各個(gè)方面。但單一的無(wú)人機(jī)搭載攝像頭的技術(shù)在其發(fā)展過(guò)程中面臨著諸多技術(shù)瓶頸，隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)提出了更高要求，需要更加專(zhuān)業(yè)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，集成更加先進(jìn)的軟硬件設(shè)備參與工作。因此，無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)隨著行業(yè)的需求應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)人機(jī)集成化系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單模塊無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集、后臺(tái)分析系統(tǒng)相比，具有更高的協(xié)調(diào)性與智能化，能充分滿(mǎn)足各行業(yè)的需求。因此，無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)是未來(lái)無(wú)人機(jī)發(fā)展的方向。

隨著水利信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，采用先進(jìn)技術(shù)手段提高水利行業(yè)的工作效率是目前水利工作者的研究重點(diǎn)[1]。無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)應(yīng)用于水利管理領(lǐng)域，可利用無(wú)人機(jī)技術(shù)高效、機(jī)動(dòng)、靈活的優(yōu)點(diǎn)，獲取更高效的河道影像資料和重點(diǎn)區(qū)域全景照片[2]。同時(shí)可充分發(fā)揮其運(yùn)行成本低、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)，完成水利管理中渠系灌溉巡查、旱澇情監(jiān)測(cè)、水環(huán)境定點(diǎn)監(jiān)測(cè)、日常河湖巡查等任務(wù)，最大限度地破解水利例行巡查中巡查線(xiàn)路長(zhǎng)、巡查面積大等時(shí)空限制難題。因此，無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)的應(yīng)用是未來(lái)水利管理的方向。

1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前無(wú)人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，人工控制仍是主要控制手段[3]。無(wú)人機(jī)的應(yīng)用也主要集中在航拍、地形地物觀測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域。因此，需采用協(xié)調(diào)性更高、集成化程度更好的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)參與系統(tǒng)工作。無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)將遙感技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)行整合[4]，形成了一套替代人力以及部分腦力進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域工作研究的輔助工作系統(tǒng)，目前只應(yīng)用于部分高科技領(lǐng)域。

1.2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

目前無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)的理念逐步被各個(gè)行業(yè)所接受。搭載或鏈接行業(yè)軟件，集成各種測(cè)量測(cè)繪設(shè)備等集成化程度更高的定制無(wú)人機(jī)系統(tǒng)也將被各個(gè)行業(yè)所青睞，成為未來(lái)發(fā)展的新趨勢(shì)。

2 無(wú)人機(jī)集成巡查系統(tǒng)在水利管理中的應(yīng)用

2.1 在渠系灌溉運(yùn)行中的應(yīng)用

渠道巡查是基層水利管理工作的重中之重，基層管理站（所）投入大量人力物力，對(duì)灌溉期內(nèi)渠道運(yùn)行狀況進(jìn)行日常巡查，保障渠道輸水安全性，確保渠道周邊村民的財(cái)產(chǎn)安全。灌溉期內(nèi)渠道24 h 運(yùn)行，巡查任務(wù)十分繁重。一方面，要充分保障灌溉期內(nèi)渠道的正常運(yùn)行，防止因管理疏漏而造成渠水淹田等水事糾紛；另一方面，要充分保護(hù)渠道安全，防止因淤積物造成水淹渠毀事件。而傳統(tǒng)的渠道巡查巡查線(xiàn)路長(zhǎng)、覆蓋范圍廣，制約著渠道巡查工作的有效開(kāi)展。以多系統(tǒng)集成后的無(wú)人機(jī)巡查，能最大限度地避免環(huán)境、人為因素的干擾，從而縮短巡查時(shí)間，提高巡查效率，降低巡查成本。

2.2 在抗旱防洪中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)在抗旱防汛方面，能充分發(fā)揮其高機(jī)動(dòng)、高靈活性的特點(diǎn)。以甘州區(qū)大滿(mǎn)灌區(qū)為例，每年6—9月進(jìn)入主汛期，雖然在重點(diǎn)防洪區(qū)內(nèi)安裝了雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、防洪預(yù)警系統(tǒng)，但要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洪水流向、及時(shí)全面評(píng)估行洪區(qū)內(nèi)的水毀，還需無(wú)人機(jī)等輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備突破環(huán)境限制，進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)地巡查。把無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)高度集成化，使其將更加專(zhuān)業(yè)的信息采集系統(tǒng)與旱澇分析系統(tǒng)集成在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，能充分發(fā)揮其專(zhuān)業(yè)、高效、便捷的功能優(yōu)勢(shì)，為洪水實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析提供技術(shù)支撐，為科學(xué)防洪提供有力的技術(shù)保障。

無(wú)人機(jī)定高采集農(nóng)作物及耕地使用信息，通過(guò)對(duì)農(nóng)作物葉面色彩的辨識(shí)及葉卷形態(tài)的分析，能更直觀地判斷旱情發(fā)展程度及受災(zāi)面積，為進(jìn)一步分析旱情及采取有效抗旱措施提供直觀全面的決策依據(jù)。

2.3 在河道巡查中的應(yīng)用

傳統(tǒng)河湖管理受視頻探頭、人員安排的限制，不具備空間持續(xù)性，突出表現(xiàn)為河湖管理以“點(diǎn)、面”形式為主[5]。河湖巡查無(wú)人機(jī)集成巡查系統(tǒng)將地理信息處理與環(huán)境分析系統(tǒng)集成于一體，在河湖巡查中能發(fā)揮其更專(zhuān)業(yè)的功能優(yōu)勢(shì)。以甘州區(qū)為例，我國(guó)西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河——黑河穿境而過(guò)，干流全長(zhǎng)約928 km，流域面積約11.6 萬(wàn)km2，其中甘州區(qū)過(guò)境河道全長(zhǎng)57 km，沿途流經(jīng)9個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）114個(gè)村，開(kāi)展日常河道巡查，保障河道行洪順暢，保護(hù)流經(jīng)區(qū)域內(nèi)群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，責(zé)任十分重大。因此，需投入更多巡查力量，加強(qiáng)水域岸線(xiàn)空間管控、保障河道正常行洪、防止發(fā)生違法河道采砂等破壞河岸事件。傳統(tǒng)的巡查模式需投入大量人力物力，但無(wú)法保障巡查的時(shí)效性、高效性。因此，需要集成化程度更高的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，尤其是集專(zhuān)業(yè)的影像數(shù)據(jù)采集與地理信息分析識(shí)別于一體的無(wú)人機(jī)，充分發(fā)揮其快速、便捷、高效的優(yōu)點(diǎn)，參與河道日常巡檢。

2.4 在水污染防治及突發(fā)水污染處理中的應(yīng)用

水污染防治、水生態(tài)修復(fù)和水環(huán)境治理是當(dāng)前水利工作的重中之重。突發(fā)水污染時(shí)，周?chē)w及環(huán)境會(huì)被不同程度污染，需快速識(shí)別污染面積、及時(shí)分析污染性質(zhì)、高效判斷污染程度，為處理突發(fā)水污染事件贏得寶貴時(shí)間。集成防災(zāi)系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，可利用無(wú)人機(jī)向水域內(nèi)進(jìn)行初步飛行及影像獲取，在影像中計(jì)算并劃定污染范圍，制定較為周全的污染處理方案，并通過(guò)后期影像合成對(duì)污染范圍及污染程度進(jìn)行有效標(biāo)注及全面評(píng)估，大幅度提升工作效率。其次，在對(duì)水體污染區(qū)進(jìn)行處理時(shí)，無(wú)人機(jī)可利用懸空功能提供便利條件，作為信息發(fā)射傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，將水污染區(qū)域內(nèi)的信息及時(shí)傳輸出去，從而及時(shí)制定水污染處理方案。隨著科技的不斷發(fā)展，利用集成無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)流域內(nèi)上游水生態(tài)情況進(jìn)行全面評(píng)估，通過(guò)實(shí)景模擬展示，能更直觀地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境，提前預(yù)警，大幅度降低污染風(fēng)險(xiǎn)。

3 無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)應(yīng)用于水利領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)用對(duì)策

3.1 基于云平臺(tái)的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)巡查系統(tǒng)應(yīng)用于水利灌溉管理，首先面臨著無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的控制難題。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)以人工控制的方式采集數(shù)據(jù)，更為先進(jìn)的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)加入了GPS 導(dǎo)航和路徑設(shè)置模式，保證了無(wú)人機(jī)按照指示路徑飛行并采集數(shù)據(jù)，但無(wú)法自動(dòng)控制無(wú)人機(jī)在特殊觀測(cè)點(diǎn)位懸停并采集數(shù)據(jù)。因此，無(wú)人機(jī)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需將操控?zé)o人機(jī)懸停與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，錨定拍攝位置，為捕捉拍攝對(duì)象、調(diào)整拍攝角度做好前期準(zhǔn)備。同時(shí)，無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)能根據(jù)前期設(shè)定的數(shù)據(jù)采集對(duì)象特征，自主判斷并完成懸停與數(shù)據(jù)采集的協(xié)調(diào)工作，保障了數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性、有效性。

3.2 基于采集對(duì)象特征識(shí)別的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集主要根據(jù)預(yù)設(shè)路徑對(duì)特定目標(biāo)物進(jìn)行拍照，在拍照過(guò)程中有效信息自主甄別難度大。以水利灌溉為例，無(wú)人機(jī)對(duì)閘體過(guò)水量、淤積情況進(jìn)行巡查，要求無(wú)人機(jī)以渠系為預(yù)設(shè)路徑飛行并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，因而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大、無(wú)效信息多。因此，在數(shù)據(jù)采集初期要對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)加入約束條件，采用路徑位置錨定與采集對(duì)象特征識(shí)別相結(jié)合的方式，操控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)對(duì)巡查對(duì)象進(jìn)行巡查拍照。水利灌溉渠系巡查中最常見(jiàn)的閘口過(guò)水量與淤積情況，可以啟閉機(jī)、閘房、閘口等特征明顯的構(gòu)筑物作為特征點(diǎn)，采用無(wú)人機(jī)目標(biāo)定位方法，確定目標(biāo)定位過(guò)程中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系并推導(dǎo)出攝像機(jī)視軸角的計(jì)算模型，對(duì)同一目標(biāo)點(diǎn)多次測(cè)量定位[6]。

3.3 基于數(shù)字化的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集完成后，需要對(duì)采集完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，傳輸數(shù)據(jù)采用全要素?cái)?shù)據(jù)傳輸和分析結(jié)果傳輸2 種模式。全要素傳輸模式將采集的原始數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)胶笈_(tái)系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集全面，為數(shù)據(jù)分析提供了有力支撐；缺點(diǎn)是傳輸條件局限性大，在水利渠系巡查中大多數(shù)路徑以渠系為依據(jù)，信號(hào)不穩(wěn)定，而在水情監(jiān)測(cè)中更是受到傳輸信號(hào)的限制。隨著5G 技術(shù)的應(yīng)用普及，這一難題將得到徹底解決。無(wú)人機(jī)集成數(shù)據(jù)分析模塊將采集完成的數(shù)據(jù)及時(shí)分析，并將分析結(jié)果傳輸?shù)胶笈_(tái)系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)分析速度快、一體化程度高，缺點(diǎn)是集成分析模塊技術(shù)要求高。

3.4 后臺(tái)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)與反饋系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)后臺(tái)分析系統(tǒng)與信息反饋系統(tǒng)將傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的甄別、分析，然后建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，得出科學(xué)的結(jié)論，并以圖表等形式展示出來(lái)，為決策提供直觀依據(jù)。后臺(tái)分析系統(tǒng)與反饋系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)人機(jī)巡查集成系統(tǒng)的關(guān)鍵，完善的分析系統(tǒng)能進(jìn)一步確保分析結(jié)果科學(xué)有效。因此，分析過(guò)程中要保證數(shù)據(jù)的完整性、真實(shí)性，同時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要更加嚴(yán)謹(jǐn)，分析要素要更加全面，條件判斷要更加科學(xué)，算法要更加優(yōu)化，不僅要橫向判斷整個(gè)分析結(jié)果，還要縱向通過(guò)歷年積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，從而保證分析結(jié)果更加貼近于實(shí)際。

3.5 基于數(shù)字化的無(wú)人機(jī)圖形圖像拼接與實(shí)景成像

無(wú)人機(jī)圖形圖像拼接技術(shù)是將一定數(shù)量的包含重疊區(qū)域的航拍序列影像進(jìn)行拼接以獲取一幅全景圖像的技術(shù)方法[7]，能彌補(bǔ)無(wú)人機(jī)在航拍過(guò)程中圖像覆蓋幅寬不足的缺陷，充分?jǐn)U大無(wú)人機(jī)巡查范圍與視角。無(wú)人機(jī)實(shí)景成像是先期對(duì)巡查區(qū)域內(nèi)的實(shí)景進(jìn)行采集，對(duì)采集到的寬幅影像數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺(tái)實(shí)景建模，作為數(shù)據(jù)實(shí)景成像的依據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)與原始采集的寬幅數(shù)據(jù)圖庫(kù)影像進(jìn)行比較，從而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并將問(wèn)題區(qū)域內(nèi)的影像數(shù)據(jù)傳輸至之前建立的實(shí)景模型，使其高度融合。不僅保留了原始實(shí)景圖形圖像的細(xì)節(jié)信息，還能對(duì)特殊拍攝區(qū)域進(jìn)行全局把握與信息分析，從而獲得并呈現(xiàn)出更加直觀的實(shí)景巡查成果。局部圖像融合到全局模型能大幅度降低數(shù)據(jù)傳輸量，減少數(shù)據(jù)傳輸能耗，從而優(yōu)化無(wú)人機(jī)飛行能耗。目前準(zhǔn)確、高效的圖像拼接與實(shí)景成像技術(shù)是無(wú)人機(jī)圖像處理與視覺(jué)成像的難點(diǎn)與熱點(diǎn)，也是無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中必須攻克的堡壘。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)應(yīng)用于水利管理領(lǐng)域，可解決水利管理中巡查范圍廣、難度大、成本高的難題，促使渠系灌溉巡查、旱澇情監(jiān)測(cè)、水環(huán)境定點(diǎn)監(jiān)測(cè)向智能化方向發(fā)展，推動(dòng)水利管理科學(xué)高效發(fā)展。