無人機(jī)在灌區(qū)巡視中的應(yīng)用

王巧玲

(甘肅省疏勒河流域水資源利用中心,甘肅 玉門 735211)

0 引 言

疏勒河雙塔灌區(qū)地處河西走廊疏勒河下游,屬于瓜州縣境內(nèi),海拔1100～1300m,灌區(qū)年平均降水量47.4mm。灌區(qū)目前有效灌溉面積3.1萬hm2,現(xiàn)有水庫1座,總庫容2.4億m3,總干渠1條,長(zhǎng)度32.613km,干、支、斗、農(nóng)渠3144條,總長(zhǎng)度1858.05km。雙塔總干渠是雙塔灌區(qū)的主干輸水渠道,全長(zhǎng)32.613km,自1973年建成投運(yùn)至今,灌溉季灌區(qū)用水量大,為保證渠道安全運(yùn)行,提高供水的可靠性,總干渠工程管理所需安排巡視人員對(duì)渠道的運(yùn)行情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人工巡查,但因渠道較長(zhǎng),渠道周圍環(huán)境條件較差,巡查工作量大,巡查效率較低。

隨著現(xiàn)代科技水平的提升,無人機(jī)在水利信息化建設(shè)方面取得了顯著的成就,其作為航空攝影、衛(wèi)星遙感的補(bǔ)充,不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的靈活采集,而且分辨率高,可獲得高質(zhì)量影像,近年來被應(yīng)用于水體污染事件、洪澇災(zāi)害等監(jiān)測(cè)中[1]。灌區(qū)引入無人機(jī)技術(shù),一方面可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段數(shù)據(jù)采集難度大、用時(shí)長(zhǎng)、作業(yè)范圍小的缺陷;另一方面避開了衛(wèi)星遙感、航空測(cè)量成本高、受天氣影響大的實(shí)際問題,利用遙感技術(shù)可定量、定性、定時(shí)獲得高精度數(shù)據(jù),并予以分析,具有鮮明的優(yōu)勢(shì)。

2019年疏勒河水資源利用中心開展了安全巡查系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目,沿重點(diǎn)建筑物部位架設(shè)紅外球型攝像機(jī)15臺(tái),無特殊建筑物區(qū)間架設(shè)云臺(tái)攝像機(jī)11臺(tái),共計(jì)26臺(tái)攝像機(jī)。該項(xiàng)目于2020年組織實(shí)施并通過了初步驗(yàn)收,經(jīng)過近1a的試運(yùn)行,該系統(tǒng)的成功實(shí)施為昌馬新舊總干的日常巡檢提供了很好的輔助支撐,利用云臺(tái)和球機(jī)遠(yuǎn)程操控,可實(shí)時(shí)查看渠道現(xiàn)場(chǎng)工況,提升了巡渠的效率與質(zhì)量,減少了現(xiàn)場(chǎng)巡渠工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。為配合該灌區(qū)配套續(xù)建及節(jié)水改造,采用了無人機(jī)對(duì)工程范圍的地形進(jìn)行巡查、斷面測(cè)量,提高了測(cè)繪效率,減輕了巡測(cè)中心管理人員工作壓力。

1 無人機(jī)灌區(qū)巡視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究結(jié)合灌區(qū)實(shí)際情況,結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求設(shè)計(jì)了無人機(jī)灌區(qū)巡視系統(tǒng),遵循實(shí)用性、共享性、安全性原則,對(duì)各性能指標(biāo)進(jìn)行全面綜合考慮,確保符合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置、業(yè)務(wù)拓展需要,在此基礎(chǔ)上方便后期維護(hù)。安全巡查系統(tǒng)采用事件觸發(fā)的方式與連續(xù)監(jiān)測(cè)方式相結(jié)合。雙塔總干渠安全巡查系統(tǒng)的建設(shè),集機(jī)器視覺、通信網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體,可實(shí)現(xiàn)雙塔總干渠的全景監(jiān)控、預(yù)警等功能[2]。結(jié)合雙塔總干渠現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn),架設(shè)可視范圍廣、監(jiān)控范圍大的云臺(tái)攝像機(jī),在分水閘、渡槽、農(nóng)橋等監(jiān)視范圍較小的區(qū)域架設(shè)紅外球型攝像機(jī),實(shí)現(xiàn)渠道全程可視化與重點(diǎn)閘門特別監(jiān)控;在渠道末端設(shè)1套水尺攝像機(jī),實(shí)現(xiàn)渠道的水位監(jiān)測(cè)。

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

將疏管局綜合管控平臺(tái)為核心,雙塔總干渠工程管理所為節(jié)點(diǎn),利用光纖網(wǎng)絡(luò)建立了監(jiān)控點(diǎn),對(duì)雙塔總干渠沿線渠道及周邊視頻圖像進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視管理。

1)視頻監(jiān)控點(diǎn)布置:雙塔總干渠全長(zhǎng)32.613km,其中0+000-3+525段、26+623-30+028段為矩形明渠,渠道長(zhǎng)度約6.93km,以上段落渠道建筑物運(yùn)行工況良好,且上面有格柵,不需要進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,剩余渠線共需布線云臺(tái)攝像機(jī)11臺(tái),水尺球形攝像機(jī)1臺(tái),高清球型攝像機(jī)2臺(tái),共計(jì)14臺(tái)?，F(xiàn)地視頻監(jiān)控點(diǎn)布置見表1。

表1 現(xiàn)地視頻監(jiān)控點(diǎn)布置

2)航線編輯:在河道等比較狹窄、細(xì)長(zhǎng)的區(qū)域,應(yīng)合理規(guī)劃航線,采用航帶飛行模式,杭點(diǎn)盡量選擇河道中心上方,方便對(duì)通道外擴(kuò)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置。一般外擴(kuò)距離應(yīng)延展至河岸5～10m,便于后續(xù)重建、地圖定位。

3)重復(fù)率設(shè)置:為確保后期重建能夠達(dá)到理想效果,可設(shè)置重疊率為40%～60%,航線規(guī)劃應(yīng)滿足河岸上對(duì)應(yīng)的所有區(qū)域,便于后期有足夠的圖像可拼接重建。為避免環(huán)境風(fēng)所致的位置偏移,可采用定距拍攝的方式。

4)相機(jī)設(shè)置:在相機(jī)中將畸變修正關(guān)閉,以保障拍攝的圖像質(zhì)量。建議在對(duì)獲得的原片進(jìn)行后處理時(shí)關(guān)閉該選項(xiàng),保存設(shè)置。選擇飛行頁面對(duì)調(diào)試好的航線規(guī)劃進(jìn)行執(zhí)行。

1.2 通訊與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

沿雙塔總干渠架設(shè)1條48芯單模光纜,作為工程的主干通信光纜,總干渠沿線的視頻監(jiān)控設(shè)備就近通過交換設(shè)備接入主干光纖網(wǎng)絡(luò)。總干渠共設(shè)14套視頻監(jiān)控設(shè)備,選用工業(yè)級(jí)全千兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī),通過級(jí)聯(lián)的方式組建環(huán)網(wǎng)。分別在雙塔總干工程所和雙塔水庫管理所設(shè)置工業(yè)級(jí)匯聚交換機(jī),實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的匯聚管理[3]。利用雙塔水庫管理所至疏勒河水資源局調(diào)度中心已建光纖網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理中心,實(shí)現(xiàn)新建雙塔總干渠安全系統(tǒng)在雙塔總干工程所現(xiàn)地操控應(yīng)用,在局調(diào)度中心統(tǒng)一存儲(chǔ)管理。

1.3 管理中心

雙塔總干渠安全巡查系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)新增視頻監(jiān)視點(diǎn)的集中存儲(chǔ)與保護(hù),對(duì)現(xiàn)有8700平臺(tái)改造升級(jí),符合管理及安全要求,開發(fā)一鍵巡渠應(yīng)用,能夠根據(jù)用戶使用習(xí)慣靈活配置并完成日常一鍵巡渠任務(wù),同時(shí)集成供電系統(tǒng)管理系統(tǒng),具備但不限于現(xiàn)地電池剩余電量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理、現(xiàn)地電源設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

2 無人機(jī)在灌區(qū)巡視中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 灌溉渠系識(shí)別維護(hù)

田間灌溉管網(wǎng)、渠系是灌區(qū)水利工程重要組成部分,及時(shí)更新渠系分布信息是農(nóng)田灌溉重要保障,這就要求定期對(duì)灌溉渠道、管道進(jìn)行巡視,及時(shí)發(fā)現(xiàn)破損現(xiàn)象,予以有效的維護(hù),保障糧食生產(chǎn)安全。無人機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值高,且高效,應(yīng)用遙感技術(shù)可有效識(shí)別農(nóng)田灌溉渠系,完成采集圖像的預(yù)處理,包括校正、去噪、拼接等。圖像顏色增強(qiáng)處理及空間轉(zhuǎn)換能夠突出目標(biāo)建筑物的亮度,獲得豐富的渠測(cè)信息。近年來支持向量機(jī)的應(yīng)用使得圖像特征提取、目標(biāo)識(shí)別變得更為方便、快捷,其與無人機(jī)相結(jié)合能夠提升識(shí)別效率[4]。在具體應(yīng)用中首先需要對(duì)無人機(jī)獲得的圖像信息進(jìn)行處理,如高程、坡度以及正像影像等,綜合上述數(shù)據(jù),提取能夠反映渠系特征的數(shù)據(jù),建立一個(gè)訓(xùn)練樣本集,獲得提取結(jié)果后,實(shí)施去噪與優(yōu)化處理,獲得高分辨率數(shù)據(jù),評(píng)估渠系連續(xù)性,判斷其是否存在淤泥沉積與淤塞情況,為渠系清淤處理提供可靠的依據(jù)。

2.2 斷面測(cè)量

在進(jìn)行陸地?cái)嗝鏈y(cè)量時(shí),需要借助機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)獲得的云信息進(jìn)行測(cè)量,包括過濾地面建筑物、植被等,僅對(duì)地面點(diǎn)數(shù)據(jù)信息予以保留,獲得斷面高程點(diǎn)數(shù)據(jù),利用坐標(biāo)對(duì)點(diǎn)位水平距離、高程作出相應(yīng)的計(jì)算。數(shù)據(jù)處理需要借助移動(dòng)站GNSS數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù),獲得高精度POS數(shù)據(jù),經(jīng)過結(jié)算對(duì)POS信號(hào)予以評(píng)估。然后在CoCoord軟件上對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行求取,并轉(zhuǎn)化為七參數(shù)[5]。然后對(duì)原始激光數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,對(duì)影像同步處理,獲得地面、墻體及屋頂?shù)确謱犹幚怼ａ槍?duì)分層較大的情況,可利用Copre濾波參數(shù)予以解算實(shí)施精度驗(yàn)證,防止重復(fù)采集。

在測(cè)量水下斷面時(shí),分為橫斷面與縱斷面,前者能夠輔助流量及水利項(xiàng)目工程量計(jì)算,后者能夠評(píng)估河流沿程縱坡的落差分布。無人機(jī)導(dǎo)航速度可結(jié)合實(shí)際情況選擇手動(dòng)或自動(dòng),利用遙控器對(duì)航行模式進(jìn)行切換,按照預(yù)先設(shè)置航線予以測(cè)量。

2.3 圖像監(jiān)視

監(jiān)控終端經(jīng)授權(quán)后能夠?qū)碜郧岸藬z像機(jī)的圖像進(jìn)行監(jiān)視,且不受距離影響。多個(gè)監(jiān)控終端可對(duì)同一前端進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè),同樣,一個(gè)監(jiān)控終端也能夠在同一時(shí)間對(duì)多個(gè)前端進(jìn)行監(jiān)測(cè),計(jì)算機(jī)上會(huì)呈現(xiàn)出畫面分割,展示實(shí)時(shí)活動(dòng)情況。圖像抓拍功能能夠?qū)⑵聊簧匣顒?dòng)的圖像進(jìn)行抓拍,并自動(dòng)保存于磁盤,需要時(shí)可以打印出來。另外,無人機(jī)還具備自動(dòng)巡視功能,在具體操作中,需要將自動(dòng)巡視前端、攝像機(jī)加入監(jiān)控終端,對(duì)巡視時(shí)間進(jìn)行設(shè)置,完成圖像巡視的自動(dòng)化。用戶可根據(jù)需求選擇單畫面或多畫面遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 結(jié) 語

無人機(jī)技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)繪系統(tǒng)的不足,信息采集速度快、圖像質(zhì)量高,利用遙感測(cè)繪技術(shù),能夠?qū)?fù)雜地理環(huán)境進(jìn)行測(cè)繪,可對(duì)灌區(qū)進(jìn)行全覆蓋巡視,在終端可實(shí)時(shí)、在線持續(xù)監(jiān)控,操作簡(jiǎn)單、成本低,節(jié)省了人力資源,減少了開支,實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)巡視的現(xiàn)代化與智能化,前景廣闊。