基于北斗航攝的智能識別巡庫及實時監測技術研究

朱德康，高麒杰，劉姜旭

（國網新源集團有限公司富春江水力發電廠，浙江 桐廬 311504）

目前，我國水庫大壩的數量與日俱增，但是大壩在投入使用的過程中會產生各種各樣的安全隱患，不僅僅是功能故障問題，極有可能會威脅到下游人民的生命財產安全，因此對水庫進行日常維護及實時監測十分必要。但大壩的規模和體型較大，在日常的監測過程中需要投入較多的人力、物力，成本費用較高，準確性較低，監測效率不甚理想[1]。利用北斗系統進行安全監測具有大范圍、無接觸、高精度和連續監測等優點，具有廣泛應用前景。

1 研究背景與意義

2020 年長江中下游地區降雨量創歷史新高，錢塘江流域遭遇特大洪水。得益于及時主動的防汛準備和積極有效的應對策略，富春江水電站成功戰勝建壩52 年以來最大洪水，連續開閘576 h，創建壩以來最長泄洪記錄。在此等極端天氣影響下，水電站全部機組滿發運行，水電站水庫和水工建筑物均經受了嚴峻的考驗，也對水電站的安全檢查和管理提出了更高的要求。

按照《國家電網公司防汛管理辦法（試行）》《國網新源控股有限公司應急預案管理手冊》的相關規定和要求，富春江水電站每年汛前都將對整個上庫流域及庫區進行安全檢查，主要是針對人為或者自然因素威脅水電站人員及重要設施安全及正常生產工作的因素，包括堤岸受損、廢船脫出或者出現亂排、亂堆、亂占、亂采和亂建，以及沿岸邊坡滑坡等情況。但目前主要是以人工、高頻次的現場巡查方式進行巡檢，庫區岸坡檢查以目測為主，這種方式不利于對水工建筑運行安全的監控，更不利于發揮巡視檢查的作用。第一，富春江電站庫區地形環境復雜、植被茂密、水工建筑物分布范圍大、工程邊坡和河道情況復雜，人員作業危險性大、費時耗力；第二，人員現場巡視存在“盲區”，無法到達一些高陡邊坡地段、危險地段，難以對巡檢區域進行多角度完整覆獸；第三，進入汛期降雨情況較多，路面濕滑，水位普遍高，本身作業風險增高，人員難以在野外完成完整的巡檢檢查，難以及時發現問題并采取針對性的整改和治理措施[2]。

2 國內外研究現狀

我國現已成功地開發和應用以北斗衛星導航定位系統為基礎，聯合GLONASS、GPS、GALILEO 等多種衛星導航定位系統，極大程度上提高并保證定位終端設備的定位準確性和穩定性，并且在無人機飛行作業和變形自動監測過程中已經經過了實際項目的驗證，針對地基沉降、公路鐵路邊坡、尾礦庫坡面和大壩等都有部分實現了變形監測系統的部署和應用。

近幾年無人機及其衍生技術發展非常迅猛，無人機技術在電力行業中就已發揮出較大功用，在電站電網建設階段可用于地形初勘和選址，在運維階段可用于電力走廊巡線等，通過無人機搭載激光雷達、航拍鏡頭、高光譜等傳感器進行高效的數據采集，并通過專業軟件進行數據處理和分析，能滿足更多環節的應用需求。

在水電領域，龍羊峽水電站已使用無人機傾斜攝影技術獲取邊坡表面區域全覆獸影像，復原近壩庫岸滑坡體的幾何形態，達到監測邊坡表面位移變化及變形目的。白鶴灘水電站也已通過試點項目進行了相關研究與驗證。意大利艾米利亞羅馬涅的里德拉科利大壩于2017 年使用無人機航空攝影技術，結合GPS 定位技術、激光掃描技術和傳統測繪儀器對壩體進行安全監測與維護，為第一次使用無人機技術將混凝土重力拱壩進行重現的項目，并成功地驗證了無人機航測數據的高效性和高精度。無人機技術在河流巡檢方面也已有部分研究，但因兩岸地形復雜，并未實現大規模的實際應用，目前主要集中于對河道污染情況的巡查，即用于水文檢測[3]。

3 項目理論和實踐依據

3.1 無人機航測原理

航攝測量是指結合地面控制點測量、調繪、立體測繪等步驟，利用航攝儀器在飛機上連續向地面攝取成像片，進行地形圖繪制的作業。簡單來說，就是在飛機上裝攝像機進行拍照，獲取影像數據，然后進行繪圖處理。根據需要可以選擇垂直拍攝，生成正射影像圖，也就是平面的；選擇傾斜拍攝，生成的就是3D 影像圖，如圖1 所示。

圖1 航空攝影測量原理圖

無人機航測技術是一種新型的測繪應用技術，其融合了無人機駕駛技術、航測傳感技術、遠程遙控技術、通信技術和GPS 差分定位技術和應用技術。針對不同的應用需求，無人機可搭載不同的傳感設備，針對性地完成目標數據采集任務，這為水電站及庫區安全巡檢提供了新的思路和有利條件。其具有如下優勢。

1）使用靈活。在無人機實際工作的過程中，要想對不同面積進行巡檢，可以通過調整飛行高度來解決，在測區范圍較大的時候，可以同時進行多架多次巡檢，使用起來相當靈活。

2）高分辨率、處理速度快。搭載在無人機上的照相設備圖像分辨率可達0.1～0.5m，明顯高于目前國內外衛星圖像資料；資料收集和處理的速度較快，具有較高的效率。

3）成本低、集成性強。無人機的高空攝像，不僅可以進行航空影像的拍攝，還可以進行衛星攝像，同時具備高性能自動化處理技術，可有效節約成本，數據采集和處理速度較快。

4）安全高效。將無人機用于水庫河道巡檢，能夠解決地理環境復雜、檢查工作量大、檢查人員安全隱患不明等問題。同時，無人機一次巡檢可以代替幾十個巡檢人員的工作時間，節省了時間，提高了效率。

5）環境依賴小。無人機巡檢受自然氣候、地形條件等的限制小，保證了實施的可能性，對環境的依賴小。

3.2 北斗位移監測原理

北斗位移監測是目前應用最廣泛的監測技術，其測量原理為靜態相對定位。設置在基線兩端點的接收機相對于周圍的參照物固定不動，通過連續觀測獲得充分的多余觀測數據，解算基線向量，稱為靜態相對定位，一般采用測相偽距觀測值作為基本觀測量，是當前定位中精度最高的一種方法。

4 實施方案

4.1 富春江水電站庫區無人機航攝自動化巡庫技術的研究

1）技術路線。航測成圖采用“內-外-內”的作業模式。內業利用前期航飛數據進行空中三角測量，進行立體測圖，即室內預判。將內業立測數據符號化，疊加調繪影像、地名數據輸出調繪片。外業利用調繪片進行實地調繪、補調及補測。內業參照外業調繪資料，在CASS 10.1+AutoCAD 2019 軟件中對立測數據進行分層、分要素的數據整合、圖面相互關系處理，制圖編輯可以得到DLG 制圖數據（*.DWG）。利用在創建三維立體模型時生成的las 點云數據，通過TerraSolid 軟件進行點云自動化分類，提取正確的地面點，將地面點進行網格化，并內插成一定間距的數字高程模型（DEM）。利用DEM、原始單片和空三成果數據糾正單片，并對單片進行勻色，通過影像鑲嵌和編輯拼接線得到最終的數字正射影像（DOM）數據[4]。

2）航空攝影。本次計劃采用無人機自主巡庫系統進行飛行作業，如圖2 所示。根據水電站區域的實際地形地貌進行航飛設計，選擇較好的航飛天氣航攝，獲取數碼影像，資料處理，資料檢查，對航飛質量較差區域及漏飛區域重飛或補飛。航飛時，將嚴格布設航攝分區，并選擇合適的地面采樣距離。根據所選擇的地面采樣距離，利用相機的焦距和像元尺寸，得到相對航高。相對高度與基準面之和，即為飛機飛行的高度。

圖2 自動巡庫技術流程圖

3）航線規劃。執行《低空數字航空攝影規范》，利用水電站區域已有的地形圖、遙感影像等信息，分析了航攝分區內形狀與空間分布特征，基于無人機搭載北斗高精度定位傳感系統，進行高精度的航線敷設。在航線敷設階段，盡量考慮常規巡檢作業的高效性，遵循以少量架次以及集中點位覆獸全部區域的原則，同時考慮不同的巡檢對象以及巡檢要求，設定不同的飛行參數，通過多次試飛來優選確定自動巡檢的航線及參數[5]。

4）航攝飛行。在無人機飛行前，做好設備檢查工作，確保設備能夠正常穩定運行，包括無人機設備、GPS 系統、存儲設備和航攝系統等。如果航攝出現相對漏洞和絕對漏洞均應及時補攝，應采用前一次航攝飛行的數碼相機補攝，補攝航線的兩端應超出漏洞之外2 條基線。

飛行結束后，從飛行系統中下載相關的POS 數據、基站數據以及姿態數據，然后用專門的軟件進行處理計算，取得飛行測量各點的高精度的定位數據。

5）質量檢查。影像概況檢查，主要是檢查原始影像是否存在不能打開或存儲時影像損壞的情況；其次檢查影像是否有發虛現象；第三檢查全部影像的曝光情況，是否影響影像的判讀。

6）影像處理。航片的掃描質量直接影響到正射圖像的生成質量，在掃描時如果數字圖像間隔過大，分辨率較低，就會出現圖像模糊的現象；如果間隔太小，影像雖然變得清晰，但是資料量會非常龐大，后期的加工工作變得極其不方便。因此，要綜合各方面因素，選擇合適的間隔，這樣才能使掃描后的數碼影像符合智能識別算法對數據的要求。

7）空中三角測量。首先，在影像的四角手動均勻選取同名點，然后與影像進行自動匹配，隨后把匹配的粗差點去掉，把符合精度要求的同名點保留。利用空三的結果來鑲嵌影像，2 個影像的鑲嵌線條都比較平直。利用空三的結果進行影像鑲嵌，再手工對鑲嵌線進行調整拼接，整個圖幅色調就能保持均勻、平面誤差可以符合精度要求。

8）生成數字高程模型生成。在得到點云數據后，確認包含了所有的地物。可以通過TerraSolid 軟件進行自動濾波分類，將點云數據大致地分為地面點、噪點、植被和建筑物等，不符合正確率的部分可以采取人機交互編輯的方式進行分類，并以實時獲取的影像作為參考，將不正確的分類通過人工干預的方式得到正確的地面點。得到正確的地面點后，將地面點網格化，通過內插的方式生成合適間距的DEM。

9）制作正射影像。通過SOUTH UAV2.0 和pixel 4d 軟件，利用影像內外方位元素、空三結果、DEM 對原始影像進行數字微分糾正，生成數字正射影像成果。

10）自動化巡庫擴展應用。無人機航攝自動化巡庫系統可搭載高清圖傳設備將現場實時圖像傳輸至應急指揮中心大屏展示，進行遠程調度指揮；同時可搭載空中喊話器，進行遠距離喊話，警示存在危險行為的人員。

4.2 基于圖像識別技術的隱患智能分析及風險管理系統研究

基于圖像智能識別技術，研究一套圖像智能識別系統，主要針對富春江水電站庫區巡檢要求和規范，對全局影像進行針對性的檢查，包括對庫區設施、庫區流域及其沿岸環境設施以及河道違規占用河道資源情況的檢查。實現可見光照片人工缺陷標記功能和隱患點AI 識別功能、建立隱患樣本庫。把無人機現場采集的影像回傳之后，系統可自動進行隱患分析，導出巡檢記錄和隱患情況的風險排查情況，生成可視化巡檢報告，對重要隱患區域和點位形成周期性監測和管理，預判性規避可能發生的風險，提高常規檢查的高效性和分析成果的科學性。

4.3 基于北斗高精度的山體坡面位移實時安全監測預警系統的應用研究

邊坡監測預警系統由前端數據采集子系統、數據傳輸子系統（數據通信）、數據處理分析與管理子系統（控制中心）及輔助子系統4 個子系統組成。4 個子系統形成有機整體，前端數據采集子系統負責對GNSS衛星及各類監測傳感器進行跟蹤并實時采集數據，數據由數據通信網傳送到控制中心，控制中心軟件對數據進行處理分析，對邊坡位移情況進行實時監測，一旦監測到數據異常，預警系統立即作出相應預警響應。

項目通過現場調研試點隱患坡面，結合項目現場情況，在合適點位布設基準點與監測點，完成監測墩基建施工、GNSS 接收機安裝調試、軟件平臺部署和設備上線運行。通過整套基于北斗的山體坡面位移實時安全監測預警系統的建設，實現對邊坡狀態全天候數字化顯示。同時，結合數據處理與變形分析技術，實現點線面立體監測；基于對監測數據的實時傳輸和智能分析，時刻掌握變形的演化趨勢，實現提前預警；對邊坡狀態進行長期的穩定性評價和預測，為保障富春江水電站人員設施安全提供長期穩定的保障。

5 結束語

北斗衛星系統精度高，功能多，可以實現全天候監測。隨著北斗系統的不斷發展、完善，在水電站的智能巡庫及實時監測方面的應用也在加快推進，在實際監測業務中具有很高的技術成效，利用北斗航攝實現智能巡庫及實時監測勢必會成為未來發展的趨勢。