无人机低空遥感技术在堤防工程管理中的应用

邱俊杰 杨兢 沈小平 林杰

摘要：本文以东苕溪导流东大堤为例，通过将无人机低空遥感技术应用于堤防工程的日常常态化管理中，实现了无人机的堤防巡检、二维及三维建模、远距离实时空中监控。应用结果表明，无人机低空遥感技术可有效弥补现有“人工+监控”的堤防管理模式所存在的不足，适用于大范围堤防的全方位监管，从而为堤防的现代化管理提供了新的方法和途径。

关键词：无人机  低空遥感技术  堤防工程管理  东苕溪导流东大堤

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围广、距离长，地形地貌比较复杂，现有的传统“人工+监控”的巡查模式在堤防工程的日常长效监管中往往存在大量盲区和死角，且巡查结果受制于巡查人员的素质高低，许多问题无法及时发现并得到解决。无人机具有体积小且机动性较强，不受时间空间限制，具备数据采集全面、时效性高、精度强，自动化信息化程度高等优点，可有效弥补现有堤防工程日常管理中所存在的不足，带来监管效能上质的提升。

1.研究背景

堤防是抵挡风浪，抵御洪水，保障沿河人民群众生命和财产安全的重要屏障，在整个水利工程领域中占据着至关重要的位置。堤防工程的管理历来是水利部门管理的重点和难点，由于堤防工程往往面广量大、距离又长，许多堤防又分布在人烟稀少、交通条件较差的区域，给堤防的长效管理带来了挑战[1]。

目前，对于堤防的管理主要是采用常态化的人工巡查辅以地面监控的方式，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、巡查范围有限的问题，巡查结果受制于巡查人员的素质高低，特别是对无交通条件的农村偏远河道堤防易产生大量的巡查盲区和死角。而地面监控虽然一定程度上改善了传统人工巡查的不足，但由于是定点监控数量有限，无法对整条堤防管理范围进行全覆盖，且整套监控系统的资金投入大、维护成本高，只适用于在重点骨干堤防的监管上，无法大范围推广使用。这些现有管理方式所存在的不足直接导致了水利部门每年高投入下的堤防监管效能大打折扣。

近年来，随着无人机低空遥感技术的发展，利用无人机在水利行业的应用已崭露头角[2]。无人机低空遥感是一种以自动控制的低空飞行无人机为平台，以机载遥感设备为有效载荷，以获取高分辨率的影像数据为目标的新兴技术。它不受时间空间限制，具备数据采集全面、时效性高、精度强，自动化信息化程度高，可重复性强，性价比高等优点，可有效弥补和避免现有的“传统人工巡查+地面监控”的堤防监管方式存在的不足，特别适用于大范围堤防的全方位监管，由其获得的海量基础数据，可为后续堤防的保护规划设计、防灾减灾、工程建设管理、水利智慧平台系统建设等奠定重要基础，具有很大的行业市场应用前景[3]。

2技术路线

基于无人机低空遥感技术，通过采用无人机搭载高分辨率摄像头，对堤防高分辨率影像数据进行采集，进而实现主要以下3个方面的内容。

（1）定期进行无人机堤防巡检。通过在无人機上搭载高精度云台相机，低空拍摄高精度的堤防影像，获取全线堤防的完整影像数据，同时对拍摄过程中发现的疑似涉堤违建、河湖岸线侵占、偷排偷倒、水利工程设施破坏等影响堤防安全的问题进行重点采集。每次巡检结束后，通过对每次巡检影像进行分析比对，查找出相关涉堤问题，出具巡检报告。

（2）对堤防全线开展无人机倾斜摄影建模，建立堤防的二维和三维数字化可视模型[4-7]。通过在无人机上搭载多镜头相机，在飞行过程中从垂直、倾斜等多个角度同时采集堤防影像，获取更为完整的堤防地物信息，再将具有一定重叠度的无人机航拍倾斜摄影数据导入ContextCapture建模软件，计算机中的图形处理GPU会结合像片所包含的POS信息自动进行空中三角测量计算，生成点云并加密为密集点云，构成三角网格模型，最后结合倾斜影像中的像素信息生成富有纹理的二维及三维模型，支持对堤防管理范围区域的点、线、面数据进行经纬度读取及量测判断。

（3）采用无人机4G图传技术，实现无人机远距离巡检图像的实时传输至已有的地面堤防监控管理系统，从而初步构建“天地一体化”的堤防监控体系。通过在无人机上搭载4G无线图传设备，可以将无人机的巡检图像以1080P的分辨率实时传输至地面管理终端，从而让管理者可以实时获知巡检情况，对巡检中发现的涉堤违建、河湖岸线侵占、偷排偷倒、水利工程设施破坏等行为可以第一时间进行处置。

3应用案例

3.1东苕溪导流东大堤

东苕溪导流东大堤地处浙江省湖州市，从湖州市区与德清县交界处至湖州船闸，堤防全长约25km，工程集防洪、排涝、供水和改善水环境、航运条件等功能为一体。东苕溪导流东大堤为1级堤防，防洪标准百年一遇，是保护杭嘉湖东部平原及湖州城区防洪安全的重要屏障，所在河道东苕溪导流港主要承担了导引东苕溪流域2265km2的洪水入太湖。东苕溪导流东大堤堤顶高程6.36～5.66m（85国家高程），堤顶宽度8.0m，堤身总宽度大于40m，同时设有15m的景观带和30m的防护林带，2018年在堤身背水坡管理范围内新建东苕溪绿道。

目前，东苕溪导流东大堤的日常管理主要为堤防巡查、绿化养护及零星维修。其中，堤防巡查主要采用人工驾车巡查和徒步巡查的方式，辅以地面监控。由于东苕溪导流东大堤战线长，沿途乡镇村庄多，堤防背水坡又多为茂密的防护林，交通条件差，造成人工徒步巡查的工作量大、效率低，堤背及界墙范围内的巡查盲区和死角多，经常发生沿线村民对堤防侵占、违建、偷排偷倒等问题，却难以及时发现和制止。

3.2堤防无人机巡检

通过引入大疆多旋翼无人机悬挂高分辨率云台相机，自2019年3月至2021年3月的两年时间内，通过对东苕溪导流东大堤全线平均每周一次定期开展无人机巡检，获得了90余次的巡检影像样本数据，对植被茂密的堤背、排水沟、界墙等位置进行了重点拍摄。通过历次的分析比对，共发现了水利设施被破坏、占用堤防、违规建设、偷排偷倒、私设水管、树木倒伏等各类问题500余处。堤防管理单位依据每次巡检后2日内提供的无人机巡检报告，对存在的问题及时进行现场核实及处理，有效提升了堤防监管效能，如图1所示。

3.3堤防二维及三维建模

通过在大疆多旋翼无人机上搭载总像素超过1亿的5镜头相机，于2020年9月对东苕溪导流东大堤全线25km管理范围进行了无人机倾斜摄影，精度为1：500，获得了高分辨率照片10万余张，通过工作站将航拍倾斜摄影照片导入ContextCapture建模软件进行批处理，得到了高精度的东苕溪导流东大堤的正射及三维影像及高程、坐标等详细的地理信息数据。

如图2所示，堤防管理单位通过在三维影像模型中可以查看、测量、计算现有堤防管理范围内所有地面物体的三维可视化数据，不仅可以直接了解到东苕溪导流东大堤现有的全貌，而且将可视化数据嵌入已有的水利工程标准化运行管理平台，为后续堤防的保护规划设计、防灾减灾、工程建设管理、水利智慧平台系统建设等奠定重要基础。

3.4远距离实时空中监控

通过在大疆多旋翼无人机上搭载清新互联4G无线传输单兵，将无人机巡检画面以1080P的像素实时回传至堤防管理单位的管理中心监控平台上，让堤防管理人员能够获得实时的巡检画面，从而掌握巡检的详细情况。尤其是对巡检人员没有及时发现的问题，远程管理人员通过实时画面可以更好地发现相关问题，并及时采取必要的措施来解决问题。结合已有的地面堤防监控系统，初步构建了东苕溪导流东大堤的“天地一体化”的监控体系。

4 结语

通过将无人机低空遥感技术应用到堤防工程的长效运行管理中，可实现对堤防全线无死角的实时动态“天地一体化”监控，采用无人机倾斜摄影建模建立堤防的二维和三维数字化可视模型，可为堤防管理部门提供完整的堤防可视化地理数据信息，从而为后续堤防的保护规划设计、防灾减灾、工程建设管理、水利智慧平台系统建设等奠定重要基础。东苕溪导流东大堤的应用案例表明，无人机低空遥感技术可有效弥补现有“人工+监控”的堤防管理模式所存在的不足，适用于大范围堤防的全方位监管，丰富的技术应用拓展可以为管理者带来多方面的管理效能的提升，为堤防的现代化管理提供了新的方法和途径。

参考文献

[1]陈璐. 我国省域水利现代化建设水平测度及短板分析[D].西安：西安理工大学，2021.

[2]王春雨，钟嘉奇，王博超，等.多旋翼无人机在水利行业中的应用[J].黑龙江水利科技，2020，48（1）：152-155.

[3]蒋涛.无人机遥感技术在水利工程中的应用[J].农业与技术，2021，41（13）：66-68.

[4]高力，徐兴亚.无人机倾斜摄影测量在堤防应急除险中的应用[J].人民长江，2020，51（10）：210-214.

[5]毛久常，赵世军.低空无人机遥感在水利工程测绘中的应用研究[J].建筑技术开发，2020，47（19）：85-86.

[6]陳小龙，王海涛，董快鸽.无人机低空摄影测量技术在水利工程测量中的应用[J].陕西水利，2018（5）：220-221，223.

[7张继贤，刘飞，王坚.轻小型无人机测绘遥感系统研究进展[J].遥感学报，2021，25（3）：708-724.

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