无人机在灌区巡视中的应用

王巧玲

(甘肃省疏勒河流域水资源利用中心,甘肃 玉门 735211)

0 引 言

疏勒河双塔灌区地处河西走廊疏勒河下游,属于瓜州县境内,海拔1100～1300m,灌区年平均降水量47.4mm。灌区目前有效灌溉面积3.1万hm2,现有水库1座,总库容2.4亿m3,总干渠1条,长度32.613km,干、支、斗、农渠3144条,总长度1858.05km。双塔总干渠是双塔灌区的主干输水渠道,全长32.613km,自1973年建成投运至今,灌溉季灌区用水量大,为保证渠道安全运行,提高供水的可靠性,总干渠工程管理所需安排巡视人员对渠道的运行情况进行现场人工巡查,但因渠道较长,渠道周围环境条件较差,巡查工作量大,巡查效率较低。

随着现代科技水平的提升,无人机在水利信息化建设方面取得了显著的成就,其作为航空摄影、卫星遥感的补充,不仅可实现对数据的灵活采集,而且分辨率高,可获得高质量影像,近年来被应用于水体污染事件、洪涝灾害等监测中[1]。灌区引入无人机技术,一方面可以弥补传统监测手段数据采集难度大、用时长、作业范围小的缺陷;另一方面避开了卫星遥感、航空测量成本高、受天气影响大的实际问题,利用遥感技术可定量、定性、定时获得高精度数据,并予以分析,具有鲜明的优势。

2019年疏勒河水资源利用中心开展了安全巡查系统建设项目,沿重点建筑物部位架设红外球型摄像机15台,无特殊建筑物区间架设云台摄像机11台,共计26台摄像机。该项目于2020年组织实施并通过了初步验收,经过近1a的试运行,该系统的成功实施为昌马新旧总干的日常巡检提供了很好的辅助支撑,利用云台和球机远程操控,可实时查看渠道现场工况,提升了巡渠的效率与质量,减少了现场巡渠工作人员的劳动强度。为配合该灌区配套续建及节水改造,采用了无人机对工程范围的地形进行巡查、断面测量,提高了测绘效率,减轻了巡测中心管理人员工作压力。

1 无人机灌区巡视系统设计

研究结合灌区实际情况,结合现实需求设计了无人机灌区巡视系统,遵循实用性、共享性、安全性原则,对各性能指标进行全面综合考虑,确保符合网络优化配置、业务拓展需要,在此基础上方便后期维护。安全巡查系统采用事件触发的方式与连续监测方式相结合。双塔总干渠安全巡查系统的建设,集机器视觉、通信网络、信息技术、计算机技术等为一体,可实现双塔总干渠的全景监控、预警等功能[2]。结合双塔总干渠现场的特点,架设可视范围广、监控范围大的云台摄像机,在分水闸、渡槽、农桥等监视范围较小的区域架设红外球型摄像机,实现渠道全程可视化与重点闸门特别监控;在渠道末端设1套水尺摄像机,实现渠道的水位监测。

1.1 数据采集系统

将疏管局综合管控平台为核心,双塔总干渠工程管理所为节点,利用光纤网络建立了监控点,对双塔总干渠沿线渠道及周边视频图像进行远程监视管理。

1)视频监控点布置:双塔总干渠全长32.613km,其中0+000-3+525段、26+623-30+028段为矩形明渠,渠道长度约6.93km,以上段落渠道建筑物运行工况良好,且上面有格栅,不需要进行远程视频监控。根据现场实际,剩余渠线共需布线云台摄像机11台,水尺球形摄像机1台,高清球型摄像机2台,共计14台。现地视频监控点布置见表1。

表1 现地视频监控点布置

2)航线编辑:在河道等比较狭窄、细长的区域,应合理规划航线,采用航带飞行模式,杭点尽量选择河道中心上方,方便对通道外扩进行统一设置。一般外扩距离应延展至河岸5～10m,便于后续重建、地图定位。

3)重复率设置:为确保后期重建能够达到理想效果,可设置重叠率为40%～60%,航线规划应满足河岸上对应的所有区域,便于后期有足够的图像可拼接重建。为避免环境风所致的位置偏移,可采用定距拍摄的方式。

4)相机设置:在相机中将畸变修正关闭,以保障拍摄的图像质量。建议在对获得的原片进行后处理时关闭该选项,保存设置。选择飞行页面对调试好的航线规划进行执行。

1.2 通讯与网络系统

沿双塔总干渠架设1条48芯单模光缆,作为工程的主干通信光缆,总干渠沿线的视频监控设备就近通过交换设备接入主干光纤网络。总干渠共设14套视频监控设备,选用工业级全千兆环网交换机,通过级联的方式组建环网。分别在双塔总干工程所和双塔水库管理所设置工业级汇聚交换机,实现视频数据的汇聚管理[3]。利用双塔水库管理所至疏勒河水资源局调度中心已建光纤网络与数据存储管理中心,实现新建双塔总干渠安全系统在双塔总干工程所现地操控应用,在局调度中心统一存储管理。

1.3 管理中心

双塔总干渠安全巡查系统能够实现对新增视频监视点的集中存储与保护,对现有8700平台改造升级,符合管理及安全要求,开发一键巡渠应用,能够根据用户使用习惯灵活配置并完成日常一键巡渠任务,同时集成供电系统管理系统,具备但不限于现地电池剩余电量实时监测与管理、现地电源设备远程监控等功能。

2 无人机在灌区巡视中的实际应用

2.1 灌溉渠系识别维护

田间灌溉管网、渠系是灌区水利工程重要组成部分,及时更新渠系分布信息是农田灌溉重要保障,这就要求定期对灌溉渠道、管道进行巡视,及时发现破损现象,予以有效的维护,保障粮食生产安全。无人机技术经济价值高,且高效,应用遥感技术可有效识别农田灌溉渠系,完成采集图像的预处理,包括校正、去噪、拼接等。图像颜色增强处理及空间转换能够突出目标建筑物的亮度,获得丰富的渠测信息。近年来支持向量机的应用使得图像特征提取、目标识别变得更为方便、快捷,其与无人机相结合能够提升识别效率[4]。在具体应用中首先需要对无人机获得的图像信息进行处理,如高程、坡度以及正像影像等,综合上述数据,提取能够反映渠系特征的数据,建立一个训练样本集,获得提取结果后,实施去噪与优化处理,获得高分辨率数据,评估渠系连续性,判断其是否存在淤泥沉积与淤塞情况,为渠系清淤处理提供可靠的依据。

2.2 断面测量

在进行陆地断面测量时,需要借助机载激光雷达对获得的云信息进行测量,包括过滤地面建筑物、植被等,仅对地面点数据信息予以保留,获得断面高程点数据,利用坐标对点位水平距离、高程作出相应的计算。数据处理需要借助移动站GNSS数据、惯导数据,获得高精度POS数据,经过结算对POS信号予以评估。然后在CoCoord软件上对坐标系进行求取,并转化为七参数[5]。然后对原始激光数据进行解析,对影像同步处理,获得地面、墙体及屋顶等分层处理。针对分层较大的情况,可利用Copre滤波参数予以解算实施精度验证,防止重复采集。

在测量水下断面时,分为横断面与纵断面,前者能够辅助流量及水利项目工程量计算,后者能够评估河流沿程纵坡的落差分布。无人机导航速度可结合实际情况选择手动或自动,利用遥控器对航行模式进行切换,按照预先设置航线予以测量。

2.3 图像监视

监控终端经授权后能够对来自前端摄像机的图像进行监视,且不受距离影响。多个监控终端可对同一前端进行同时监测,同样,一个监控终端也能够在同一时间对多个前端进行监测,计算机上会呈现出画面分割,展示实时活动情况。图像抓拍功能能够将屏幕上活动的图像进行抓拍,并自动保存于磁盘,需要时可以打印出来。另外,无人机还具备自动巡视功能,在具体操作中,需要将自动巡视前端、摄像机加入监控终端,对巡视时间进行设置,完成图像巡视的自动化。用户可根据需求选择单画面或多画面远程监控。

3 结 语

无人机技术弥补了传统测绘系统的不足,信息采集速度快、图像质量高,利用遥感测绘技术,能够对复杂地理环境进行测绘,可对灌区进行全覆盖巡视,在终端可实时、在线持续监控,操作简单、成本低,节省了人力资源,减少了开支,实现了灌区巡视的现代化与智能化,前景广阔。