無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)在水庫運(yùn)維的應(yīng)用探索
——以華南地區(qū)某水庫為例

孫 文,孫 波

(1.廣州中科云圖智能科技有限公司,廣東 廣州 510095;2.水利部珠江水利委員會(huì)珠江水利綜合技術(shù)中心,廣東 廣州 510611)

無人機(jī)在國內(nèi)從20世紀(jì)80年代開始發(fā)展,經(jīng)歷了從軍事行業(yè)的應(yīng)用轉(zhuǎn)變到民用市場的探索過程,并隨著無人機(jī)技術(shù)的逐步成熟,無人機(jī)消費(fèi)市場得到充分釋放,并帶動(dòng)了國內(nèi)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的繁榮。無人機(jī)遙感是利用無人機(jī)控制技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、遙感應(yīng)用技術(shù),自動(dòng)、智能和專業(yè)的獲取、分析和處理空間遙感信息的航空遙感技術(shù)解決方案[1]。近年來在國家大力推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和低空經(jīng)濟(jì)建設(shè)的背景下,無人機(jī)及其遙感技術(shù)在民用工業(yè)級(jí)的行業(yè)應(yīng)用中越來越廣泛和深入,比如利用無人機(jī)進(jìn)行城市物流運(yùn)輸,利用無人機(jī)的三維空間運(yùn)動(dòng)能力可在智能生產(chǎn)線上發(fā)揮作用,在城市治理中起到巡查、輔助執(zhí)法監(jiān)督的功能[2]。在國外,無人機(jī)也早已普及至科研生產(chǎn)應(yīng)用中,比如在對(duì)自然資源的觀測中,無人機(jī)替代衛(wèi)星成為靈活高效的數(shù)據(jù)采集手段[3],還有利用無人機(jī)高精度導(dǎo)航和激光雷達(dá)進(jìn)行野外森林測量[4]。在水利行業(yè)應(yīng)用中,無人機(jī)因其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、掛載豐富、飛行不受地理環(huán)境因素干擾,無人機(jī)遙感在防汛抗旱、水土保持監(jiān)測、水域動(dòng)態(tài)監(jiān)測、水利工程監(jiān)管等方面發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢(shì)[5]。其中,水利工程的建設(shè)和管理涉及到飲用水安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、施工管理、生產(chǎn)發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域的安全生產(chǎn),其管理工作十分繁重,利用無人機(jī)低空遙感技術(shù),可以快速機(jī)動(dòng)地獲取水利工程范圍內(nèi)的高分辨率土地空間信息的變化,其精度能達(dá)到傳統(tǒng)地面采樣距離(GSD)的3倍[6]。替代人力進(jìn)行高頻巡查人類活動(dòng),及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)安全隱患,因此,受到越來越多的水利行業(yè)主管部門的重視和推廣。廣東省西江流域管理局在近年來利用高分辨率衛(wèi)星、無人機(jī)、地面智能監(jiān)控等多源監(jiān)測技術(shù)手段構(gòu)建空天地感知網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對(duì)管理范圍內(nèi)的自然河道、水利工程及其人為活動(dòng)的全域感知,提升了流域的管理水平[7]。本文通過華南地區(qū)某飲用水水庫的無人機(jī)巡檢案例,介紹無人機(jī)自動(dòng)巡檢和遙感監(jiān)測技術(shù)特點(diǎn),探索其在水利工程監(jiān)管方面的應(yīng)用價(jià)值和目前存在的技術(shù)瓶頸,為未來無人機(jī)技術(shù)在水利行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展總結(jié)可供參考的發(fā)展方向。

1 項(xiàng)目概況與技術(shù)路線

1.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目是國家某引水工程中的一個(gè)調(diào)節(jié)水庫,集雨面積約20 km2,水庫工程等級(jí)為II等,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇。該水庫屬于飲用水源地,需對(duì)其水質(zhì)進(jìn)行高效管控與保護(hù),完全消除風(fēng)險(xiǎn)隱患,以確保人民群眾飲用水安全。該水庫管理單位對(duì)庫區(qū)水環(huán)境以及管理范圍內(nèi)的土地空間進(jìn)行常態(tài)化巡查,同時(shí)還需要對(duì)水庫和供水渠進(jìn)行日常管護(hù),做好壩體隱患排查,及時(shí)消除各類安全隱患。由于巡查面積大、區(qū)域不規(guī)則且地形復(fù)雜,此前采用傳統(tǒng)的人工巡查方式需要較大的人力、物力且存在部分死角人工無法到達(dá)難以發(fā)現(xiàn)問題。

1.2 技術(shù)路線

本項(xiàng)目提出利用無人機(jī)低空遙感監(jiān)測技術(shù),結(jié)合GIS、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能識(shí)別分析技術(shù),在庫區(qū)部署一套無人機(jī)自動(dòng)巡查系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)智能化巡檢。該系統(tǒng)包含無人機(jī)智能機(jī)巢、無人機(jī)和無人機(jī)調(diào)度控制平臺(tái)(表1)。其中,無人機(jī)選用大疆經(jīng)緯Matrice 300 RTK,具備IP45級(jí)防護(hù),55 min超長續(xù)航(空載情況下最大飛行時(shí)間),最高可承受7級(jí)風(fēng),適合復(fù)雜環(huán)境下的高頻詞作業(yè)。此外,Matrice 300 RTK還同時(shí)掛載禪思Zenmuse H20T、機(jī)載電腦和喊話器。無人機(jī)智能機(jī)巢采用的中科云圖智臻G900,改設(shè)備內(nèi)置4組無人機(jī)電池,通過機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)120 s無人機(jī)自動(dòng)換電,實(shí)現(xiàn)無人機(jī)不間斷作業(yè),同時(shí)配備工業(yè)級(jí)的立體監(jiān)測、恒溫恒濕和氣象系統(tǒng),全方位保障無人機(jī)和智能機(jī)巢的安全運(yùn)行。在管理單位的內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下部署一套中科云圖自主研發(fā)的“易飛云”無人機(jī)遙感網(wǎng)運(yùn)營平臺(tái),用戶登陸WEB端則可實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)航線規(guī)劃、無人機(jī)調(diào)度、和成果可視化展示以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析管理。

表1 無人機(jī)遙感網(wǎng)系統(tǒng)核心設(shè)備組成

以上軟硬件平臺(tái)構(gòu)成了無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)。操作人員通過平臺(tái)在線規(guī)劃無人機(jī)航線后,通過互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)給無人機(jī)智能機(jī)巢下發(fā)任務(wù)指令,智能機(jī)巢收到指令后自動(dòng)完成無人機(jī)的開機(jī)和裝載電池,安全自檢通過后依靠導(dǎo)航定位系統(tǒng)起飛巡航。當(dāng)無人機(jī)完成此次巡檢任務(wù)后,自動(dòng)飛回機(jī)巢,依靠視覺定位降落至機(jī)巢,并自動(dòng)取出無人機(jī)電池對(duì)其進(jìn)行充電,完成整個(gè)自動(dòng)化巡檢過程(圖1)。

圖1 無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)技術(shù)路線

1.3 應(yīng)用方向和效果

水庫管理單位利用無人機(jī)、低空遙感、通訊、前端AI識(shí)別等技術(shù),基本實(shí)現(xiàn)庫區(qū)內(nèi)對(duì)人為非法活動(dòng),包括游泳、釣魚、捕魚等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與管理,從安保、水質(zhì)、水工3個(gè)業(yè)務(wù)方面進(jìn)行了無人機(jī)巡查路線的規(guī)劃。在安保管理方面,通過無人機(jī)前端智能識(shí)別技術(shù)實(shí)時(shí)對(duì)水庫的人為活動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與報(bào)警,保證庫區(qū)水環(huán)境健康和人身安全。若發(fā)現(xiàn)有違法活動(dòng),無人機(jī)會(huì)自動(dòng)報(bào)警至后臺(tái),工作人員通過喊話功能對(duì)闖入人員進(jìn)行警示和驅(qū)趕。無人機(jī)的熱紅外成像功能可以使其在夜間高效快速地發(fā)現(xiàn)和定位人群活動(dòng)。水質(zhì)管理方面,通過無人機(jī)實(shí)時(shí)智能識(shí)別水面漂浮物、水庫工程作業(yè)情況跟蹤、雨后污水截排檢查及突發(fā)事件的巡查和探知。在水工管理方面,重點(diǎn)針對(duì)庫區(qū)紅線土地范圍內(nèi)目標(biāo)開展立體化巡查,對(duì)可疑違建或違法施工、水土流失等目標(biāo),進(jìn)行拍照取證。同時(shí),還對(duì)水庫周邊的圍網(wǎng)的破損情況進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視。

針對(duì)以上應(yīng)用場景本項(xiàng)目一共設(shè)置了6條固定航線,通過定時(shí)巡檢模式,分別在每天11:00、14:00,20:30自動(dòng)起飛巡查(表2)。隨著未來管理需求的增加,運(yùn)營人員將持續(xù)優(yōu)化已有航線并新增航線。

表2 水庫管理無人機(jī)航線參數(shù)設(shè)置

從2022年1月至10月,無人機(jī)自動(dòng)巡查累計(jì)飛行764次,獲取高清視頻608條和高清照片1 505張,發(fā)現(xiàn)違建、水葫蘆、人員釣魚、游泳、捕魚事件一共54次。前期針對(duì)無人機(jī)圖像AI定航高和焦距采集人員、船只總共1萬張樣本并訓(xùn)練,使得人員闖入、船只、車輛的圖像算法識(shí)別率能達(dá)到80%,誤報(bào)率8%以內(nèi)。

除此以外,項(xiàng)目還利用無人機(jī)對(duì)水庫大壩完成多次正射影像和一次傾斜攝影測量,輸出實(shí)景三維模型,對(duì)庫區(qū)綠地面積、在建工地、構(gòu)筑物尺寸進(jìn)行航拍測量復(fù)核,見圖2、3。

a)無人機(jī)AI自動(dòng)發(fā)現(xiàn)船只報(bào)警

利用無人機(jī)智能化巡檢系統(tǒng),管理人員對(duì)庫區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行全天候、高頻次、精細(xì)化的巡查管理,提高了自動(dòng)化和精細(xì)化管理水平和人員工作效率,進(jìn)一步加強(qiáng)保障群眾生產(chǎn)生活用水,保護(hù)水環(huán)境和水生態(tài)安全的能力。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 “云-端”無人機(jī)協(xié)同管控

“云-端”無人機(jī)協(xié)同管控技術(shù)是融合自動(dòng)化、通訊、IT技術(shù)為核心構(gòu)建出的一套適配桌面、手機(jī)、平板等不同地區(qū)、多種終端的無人機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)。利用“云-端”無人機(jī)協(xié)同管控技術(shù),可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自動(dòng)巡檢航線的設(shè)定、無人機(jī)遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳、無人機(jī)的調(diào)度管理,是無人機(jī)自動(dòng)巡檢的核心模塊。比如,無人機(jī)飛行過程中,視頻畫面通過4/5G或2.4/5.8GHz無線信號(hào)自動(dòng)回傳至調(diào)度控制平臺(tái),后臺(tái)人員還可同時(shí)通過調(diào)度控制平臺(tái)的虛擬搖桿操作無人機(jī)以及云臺(tái)。

2.2 基于高精度地圖的三維航線規(guī)劃

無人機(jī)自動(dòng)飛行是基于提前設(shè)定好的無人機(jī)航線,利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)(RTK:Real-time kinematic)獲取厘米級(jí)的定位精度,從而保障飛行的安全。但是該項(xiàng)目管轄范圍內(nèi)有小山丘、樹林、樓房以及架空線路,無人機(jī)作業(yè)要保障其安全必須要繞開飛行。因此,項(xiàng)目采用了無人機(jī)新型航測技術(shù),利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù),獲取庫區(qū)完整的實(shí)景三維模型,將制作好的三維模型導(dǎo)入無人機(jī)調(diào)度控制平臺(tái),在三維地圖上進(jìn)行無人機(jī)航線規(guī)劃,最大程度上保障無人機(jī)航線的安全性。目前無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用比較成熟,尤其在近年山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作中,全國多個(gè)省份(自治區(qū)、直轄市)均有應(yīng)用[8]。該平臺(tái)能對(duì)每一條航線結(jié)合當(dāng)?shù)氐娜S模型進(jìn)行碰撞檢測,加強(qiáng)無人機(jī)自動(dòng)飛行安全管理。

2.3 多源數(shù)據(jù)智能監(jiān)測與識(shí)別

該項(xiàng)目中無人機(jī)最大的功能應(yīng)用點(diǎn)在于代替?zhèn)鹘y(tǒng)巡查人員高效多頻次對(duì)管理范圍內(nèi)的水環(huán)境、土地空間和施工區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。在該項(xiàng)目中,無人機(jī)在白天通過圖像AI自動(dòng)發(fā)現(xiàn)非法闖入人員、湖面漂浮物和岸邊垃圾以及施工車輛的活動(dòng),夜間通過無人機(jī)熱紅外識(shí)別闖入人員。無人機(jī)熱紅外技術(shù)很早就在安保領(lǐng)域得到應(yīng)用,2017年美國在一場安保活動(dòng)中利用無人機(jī)熱成像攝像頭發(fā)現(xiàn)隱蔽在城市里的狙擊手[9]。如此,在有效發(fā)現(xiàn)闖入人員的同時(shí),通過高頻次的巡查形成威懾力,最終降低了水庫人員闖入的行為。

2.4 無人機(jī)監(jiān)測能力和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的深入融合

無人機(jī)憑借其優(yōu)秀的移動(dòng)監(jiān)測能力被越來越多作為城市立體多源感知設(shè)施之一,應(yīng)用到各行各業(yè)。然而,無人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用目前仍然沒有和業(yè)務(wù)系統(tǒng)形成真正的閉環(huán)。比如,無人機(jī)巡查過程中拍攝的人員闖入、違章建筑圖像可以作為后期人員執(zhí)法的依據(jù),但是從無人機(jī)發(fā)現(xiàn)問題到人員解決問題,沒有形成全自動(dòng)的問題上報(bào)和事件扭轉(zhuǎn)。因此,技術(shù)人員將水庫無人機(jī)調(diào)度管理系統(tǒng)接入水庫110監(jiān)控中心,使得無人機(jī)自動(dòng)巡查過程中發(fā)現(xiàn)的人員闖入報(bào)警信息、坐標(biāo)點(diǎn)位等及時(shí)自動(dòng)地發(fā)送到無人機(jī)平臺(tái),值班人員收到信息侯立即趕往現(xiàn)場對(duì)闖入人員進(jìn)行教育或驅(qū)趕,縮短了無人機(jī)發(fā)現(xiàn)問題到處理問題的時(shí)間,再次提高無人機(jī)在水庫運(yùn)維方面的效率。

3 局限性和建議

雖然無人機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展多年,行業(yè)應(yīng)用也探索出一些比較成熟的應(yīng)用,但仍存在一些制約行業(yè)應(yīng)用發(fā)展的技術(shù)和監(jiān)管問題。

3.1 無人機(jī)續(xù)航能力不足

目前水利行業(yè)一般采用鋰電池動(dòng)力的小型多旋翼無人機(jī)用于河湖巡檢,其特點(diǎn)是輕便易用,可靠性強(qiáng),但弊端在于電池容量和體積成正比[10],意味著需要通過增加電池體積來提高電池續(xù)航,從而增加無人機(jī)重量,這和工業(yè)級(jí)無人機(jī)的輕量化和便攜性發(fā)展方向背道而馳。

3.2 無人機(jī)通訊距離受限

多數(shù)民用無人機(jī)是通過現(xiàn)有無線電公開頻段來進(jìn)行控制信號(hào)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。其中2.4 GHz波長短功耗低,定向傳輸效果好,但非常擁擠、信號(hào)不穩(wěn)定。5.8 GHz相對(duì)于2.4 GHz頻率更高,性能更好,但傳輸帶寬低,穿透能力和傳輸距離比2.4 GHz要更短。因此,為保障信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,會(huì)一定程度上犧牲無人機(jī)飛行作業(yè)半徑,同時(shí)也限制了無人機(jī)機(jī)巢的部署位置。

3.3 無人機(jī)感知和防撞技術(shù)較薄弱

無人機(jī)基于規(guī)劃好的三維航線靠高精度定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航,但在復(fù)雜且多變的地貌環(huán)境下,航線可能和實(shí)際地物發(fā)生碰撞,當(dāng)無人機(jī)飛行過快時(shí),很難檢測到細(xì)微的物體如電線、繩索,從而限制了無人機(jī)在復(fù)雜場景下的應(yīng)用[11]。而且導(dǎo)航定位的干擾性也偶爾發(fā)生,存在飛行安全事故隱患。目前基于視覺的定位和制圖技術(shù)(visual Simultaneous Localization and Mapping,vSLAM)尚不足以形成主流方式,尤其在室外有大量動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境時(shí),該技術(shù)的導(dǎo)航精度會(huì)下降[12]。

3.4 無人機(jī)AI應(yīng)用處于起步階段

無人機(jī)行業(yè)尚不存在統(tǒng)一的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定拍攝的畫面分辨率、飛行高度、拍攝角度等因素,導(dǎo)致沒有積累可供視覺AI算法研究和訓(xùn)練的大量素材。而且,無人機(jī)巡查環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致AI算法落地難度非常大,比如水庫庫面的水面漂浮物,就有樹枝、垃圾、煙頭、水瓶、船只等多種目標(biāo)物,每種目標(biāo)物的大小、顏色、質(zhì)地等特征量均不一樣,同一類AI算法無法很好進(jìn)行通用。

3.5 無人機(jī)適航監(jiān)管和上游生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)缺失

無人機(jī)高速發(fā)展和應(yīng)用對(duì)民航運(yùn)輸造成了安全威脅,2017年成都機(jī)場出現(xiàn)的無人機(jī)擾航事件耽誤了上萬名乘客的出行,將無人機(jī)行業(yè)帶來的隱患推到風(fēng)口浪尖[13],但目前并沒有伴隨成熟的監(jiān)管政策出臺(tái),其空域的申報(bào)和飛行管理沒有標(biāo)準(zhǔn)流程[14]。此外,無人機(jī)行業(yè)上游的設(shè)備生產(chǎn)制造缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),缺乏準(zhǔn)入制度,導(dǎo)致市場上的無人機(jī)產(chǎn)品參差不齊,直接造成飛行安全隱患,并且間接導(dǎo)致下游行業(yè)應(yīng)用較難制定統(tǒng)一的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),影響了無人機(jī)行業(yè)的健康有序發(fā)展[15]。

4 未來展望和建議

鑒于無人機(jī)在技術(shù)和行業(yè)監(jiān)管政策等方面目前存在的問題特征,無人機(jī)在水庫運(yùn)維中的應(yīng)用發(fā)展方向有如下思考和建議。

4.1 構(gòu)建空天地立體化智能感知網(wǎng)絡(luò)

無人機(jī)自動(dòng)巡檢的全天候、高頻次的特點(diǎn)讓水庫具備了高空視角下的移動(dòng)監(jiān)測能力,但目前主流無人機(jī)的作業(yè)覆蓋范圍比較小,也難以實(shí)現(xiàn)空間監(jiān)測上的連續(xù)性。結(jié)合具有宏觀尺度、低成本的衛(wèi)星遙感,并同步在特定區(qū)域建立地面攝像頭實(shí)施24 h不間斷的監(jiān)控,構(gòu)建從宏觀到微觀、從高空到地面的空天地立體化感知網(wǎng)絡(luò),可加強(qiáng)對(duì)庫區(qū)的空間信息的連續(xù)高效監(jiān)控和分析。

4.2 建立無人機(jī)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系

如前文所述,無人機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)或者水庫大壩協(xié)會(huì)可依托于更多試點(diǎn)總結(jié)一套適用于水利工程巡檢的無人機(jī)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系,用于規(guī)范航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集等過程,來推動(dòng)無人機(jī)視覺AI的商業(yè)化落地。

4.3 無人機(jī)視覺導(dǎo)航技術(shù)是應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變環(huán)境的有效方案

無人機(jī)智能飛行過程中的感知和防碰撞技術(shù)有待提高。VSLAM導(dǎo)航技術(shù)由于其成本低、易攜帶且高度自主,可能依然是復(fù)雜環(huán)境下最優(yōu)的導(dǎo)航方式。目前,不少研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域持續(xù)鉆研,可能是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)真正意義上的“自主”飛行的最容易的路徑。

4.4 無人機(jī)適航管理加強(qiáng)

除了從技術(shù)角度規(guī)避安全問題以外,監(jiān)管部門還需要從法律和政策層面制定相應(yīng)的法律法規(guī),加強(qiáng)無人機(jī)的適航管理,減少無人機(jī)可能造成的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。此外,適航空域申請(qǐng)的流程化也是行業(yè)有序發(fā)展過程中必須要解決的問題。

5 結(jié)語

在國家大力推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和低空經(jīng)濟(jì)的大背景下,無人機(jī)下游行業(yè)在積極探索各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用,并以此拉動(dòng)上游產(chǎn)業(yè)鏈的整合和技術(shù)的進(jìn)步,從而產(chǎn)生了巨大的行業(yè)增長空間。據(jù)Frost&Sullivan行業(yè)分析預(yù)測工業(yè)級(jí)無人機(jī)增長速度將大大超過消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的市場,未來5 a的復(fù)合增長率將達(dá)到50%。無人機(jī)在水利行業(yè)應(yīng)用價(jià)值和市場規(guī)模大小取決于其應(yīng)用場景的廣度和深度,只有流域管理機(jī)構(gòu)、各省市水利主管部門積極主動(dòng)擁抱新技術(shù),探索應(yīng)用場景,才能倒逼無人機(jī)技術(shù)的突破,得到監(jiān)管部門的重視,從而正向推動(dòng)行業(yè)向前發(fā)展。