李 洪， 王 宏 偉， 由 麗 華， 張 藝 冰

(1.四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091；2. 四川岷江紫坪鋪實業(yè)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

1 概 述

隨著無人機航測、智能采集終端、移動互聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)水利逐步向現(xiàn)代水利方向轉(zhuǎn)型，新技術(shù)在水庫工程的建設(shè)、管理和維護等方面得到廣泛應(yīng)用。例如，基于無人機航測的水庫懸浮泥沙及水質(zhì)分析應(yīng)用[1-3]。無人機技術(shù)也被用于水庫地形測量及庫容分析、庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測水庫高陡邊坡危巖體識別[4-8]、災(zāi)害監(jiān)測[9]、河道勘察[10]、水土保持監(jiān)管[11-12]等方面。但在水庫尤其是大型水庫的綜合管理中，新技術(shù)的應(yīng)用還不普遍，立體化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)仍存在不足，難以實現(xiàn)全覆蓋。長期以來水庫管理人員進行巡查主要采取車巡和船巡的方式，存在任務(wù)重、效率低、響應(yīng)不及時、覆蓋面小、信息化程度低等突出問題。因此，對大型水庫工程而言，構(gòu)建空天地一體化的水庫綜合管理系統(tǒng)對于維護庫區(qū)生態(tài)穩(wěn)定、保障居民生產(chǎn)生活用水安全意義重大。

2 紫坪鋪水利樞紐工程

紫坪鋪水利樞紐工程是一座以灌溉和供水為主，兼有發(fā)電、防洪、環(huán)境保護、旅游等綜合效益的水利工程。位于岷江上游的都江堰市境內(nèi)，上游與岷江干流映秀電站尾水銜接，下游距都江堰市9 km，距都江堰渠首工程6 km，距成都市60 km(圖1)。紫坪鋪工程是都江堰灌區(qū)的水源工程，也是成都平原的防洪屏障。

圖1 紫坪水利樞紐工程

紫坪鋪水庫壩址以上控制流域面積22 662 km2，占岷江上游流域面積的98%，多年平均流量469 m3/s。正常蓄水位時水庫面積為18.16 km2，回水長度26.54 km。壩址區(qū)基巖山區(qū)為強烈上升區(qū)，地形切割深，高差大，岸坡陡峭，基巖裸露，不良地質(zhì)體發(fā)育。樞紐區(qū)處于龍門山斷裂帶中央斷裂與前山斷裂之間，受“5·12”汶川大地震的影響，水庫控制流域汛期地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，庫區(qū)滑坡、崩塌時有發(fā)生?？刂屏饔騼?nèi)汶川至都江堰區(qū)間是岷江上游暴雨多發(fā)區(qū)，屬著名的川西鹿頭山暴雨區(qū)南端，汛期強降雨形成的大洪水通常夾帶大量漂浮物進入庫區(qū)。水庫控制流域面積廣、管轄范圍大，水文地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，日常巡庫中會遇到枯期水位消落導(dǎo)致巡庫船只不能全庫巡查、不能有效觀察水庫及庫周整體狀況、汛期行船安全風(fēng)險較高等問題。為解決當(dāng)前巡庫工作的難點問題，探求無人機技術(shù)在水庫管理體系中信息化、智能化、智慧化應(yīng)用，特將無人機技術(shù)引入到庫區(qū)綜合管理工作中。

3 無人機選型、航線規(guī)劃及地理數(shù)據(jù)庫建立

由于水庫回水距離較長、水域面積大、地形條件復(fù)雜，無人機需要經(jīng)過多點長距離飛行，因此，對無人機飛行系統(tǒng)性能方面有較高要求，需要選擇適宜機型。同時應(yīng)根據(jù)飛行路線周邊地形地貌等因素，采集記錄河道、峽谷等區(qū)域的氣象信息，初步規(guī)劃飛行區(qū)段和起降位置，制定合理的飛行航線，建立信息完備的地理環(huán)境數(shù)據(jù)庫。

3.1 無人機選型

該研究選用時代星光X-120型無人機，為高性能六旋翼飛行器，整體采用高強度碳鋼材料，支持復(fù)雜航線規(guī)劃、返航點記錄等功能，可廣泛用于數(shù)據(jù)采集、應(yīng)急測繪、災(zāi)情調(diào)查、資源調(diào)查、環(huán)境保護監(jiān)測等多種空中任務(wù)。該無人機具備較好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠適應(yīng)大風(fēng)、降雨等條件下的飛行任務(wù)；續(xù)航能力強，可滿足較大范圍的巡航需求；具備較高的掛載能力，可完成航拍、圖像傳輸、大功率廣播等多種任務(wù)。時代星光X-120型無人機規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 時代星光X-120型無人機規(guī)格參數(shù)

3.2 無人機航線規(guī)劃

無人機執(zhí)行巡查任務(wù)時需遵循特定的飛行航線與高度，為此，前期的研究開展了大量的勘測與試飛工作。針對不同飛行任務(wù)目標，考察、分析、驗證各項飛行數(shù)據(jù)，最終確定無人機垂直起降點9處(圖2)，無人機滑跑起降點1處；勘測空中障礙物17處，確認各障礙物所在位置以及高度范圍；在大量試飛數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立飛行航線9段。所有航線既可保障飛行安全，還可提高巡查效率與效果。

圖2 無人機垂直起降點

3.3 庫區(qū)地理環(huán)境數(shù)據(jù)庫建立

無人機在巡查過程，可定期定點記錄地質(zhì)災(zāi)害遺址、裸露山體、邊坡的情況，并且在低水位時期記錄關(guān)鍵河段的主河道位置以及灘涂形態(tài)。根據(jù)無人機巡庫階段獲得的具體地理坐標和現(xiàn)場環(huán)境信息，建立水庫區(qū)域三維數(shù)字地理模型，復(fù)原庫區(qū)巡查軌跡信息與環(huán)境屬性信息，構(gòu)建水庫綜合管理地理環(huán)境時空數(shù)據(jù)庫，以便從多元多維角度開展水庫綜合管理工作。地理環(huán)境數(shù)據(jù)庫對于庫區(qū)長期地質(zhì)監(jiān)測工作具有重要意義，尤其在山體地形地貌、河道河勢等方面。通過對每年相同時間段地理圖像比對觀察，能夠為地質(zhì)風(fēng)險的預(yù)測和水庫安全管理工作提供重要的參考。

目前地理環(huán)境數(shù)據(jù)庫已完成部分信息的采集，正在完善過程中，下一步將把數(shù)據(jù)庫的建立作為重點研究內(nèi)容。

4 無人機水庫綜合管理應(yīng)用實例

該研究利用無人機的在飛行巡查中的特有優(yōu)勢，開展庫區(qū)環(huán)境、非法活動、水質(zhì)及污染情況、地質(zhì)災(zāi)害、岸邊人員活動等相關(guān)內(nèi)容的巡查工作。無人機以其獨特的高空視角、清晰的拍攝效果，在庫區(qū)水環(huán)境監(jiān)測工作中發(fā)揮了重大作用。

4.1 巡查工作流程

合法、合理、規(guī)范的工作流程是順利開展巡查工作的基礎(chǔ)。由于水庫的無人機巡查方法在整個行業(yè)內(nèi)尚處于探索階段，需要在已有法律法規(guī)的框架中發(fā)揮主觀能動性，整理并驗證一套滿足各方面需求的工作方法和流程。紫坪鋪水庫無人機巡查工作流程見圖3。

圖3 巡查工作流程圖

4.2 應(yīng)用實例

4.2.1 庫區(qū)環(huán)境巡查

通過無人機對水庫周邊及庫區(qū)巡查，掌握水庫漂浮物分布情況，監(jiān)測水華的發(fā)生發(fā)展情況。

4.2.1.1 漂浮物動態(tài)跟蹤監(jiān)測

2020年8月中旬持續(xù)強降雨導(dǎo)致流域內(nèi)發(fā)生百年一遇大洪水，洪水?dāng)y帶進入庫區(qū)的漂浮物超過30萬m2。漂浮物聚集入庫后對工程安全、防汛安全造成巨大威脅。無人機巡查動態(tài)記錄了漂浮物的位置與面積變化趨勢，為漂浮物清理工作提供有力支撐。

(1)漂浮物位置確定。無人機從高空視角精確定位漂浮物的位置及其移動變化情況。分析巡查數(shù)據(jù)后得知：強降雨引發(fā)的兩次洪水過程，前期漂浮物大片集中在庫尾圣音寺村和壽溪2號橋附近(圖4、5)，之后兩處漂浮物部分隨著水流繼續(xù)向下游移動，另一部分由于水位下降擱淺于岸邊。

圖4 某工廠對岸漂浮物聚集點

圖5 壽溪2號橋附近漂浮聚集點

根據(jù)無人機拍攝的影像分析可知，隨著時間的推移，中期階段漂浮物以帶狀緩慢隨水流下移，而后在下游區(qū)域岸邊不斷出現(xiàn)聚集區(qū)，并逐漸向主庫區(qū)緩慢移動。因此隨機采取靠前攔堵的方式，加大力度清理，最大限度避免漂浮物進入主庫區(qū)，減少淤積物在水庫的停留時間，以確保水庫水質(zhì)安全。

(2)面積變化趨勢。由于水上航道被淤積物堵塞，傳統(tǒng)的水庫巡查手段無法進行全庫巡查，只能粗略統(tǒng)計庫區(qū)淤積物的大概面積和分布區(qū)域。通過圖像對比分析法可對庫區(qū)淤積物的清理效果做出較直觀的判斷。2020年8月份的洪水災(zāi)害后，對庫區(qū)的漂浮物進行了完整系統(tǒng)的面積估算，為清漂工作規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)。部分區(qū)域漂浮物面積變化情況見圖6。

圖6 百花大橋附近漂浮面積前后變化情況

(3)無人機圖像采集處理。一直以來，水庫漂浮物面積估算均采用人工拉尺測量的方法，該方法費時費力，且估算誤差較大。筆者基于“垂直正射投影法”估算漂浮物面積，通過無人機在空中垂直拍攝漂浮物圖片，利用攝像機拍攝畫幅的固定視場角特點，結(jié)合相機橫向與縱向像素分布比例，可估算某高度條件下畫幅總體面積，進而結(jié)合漂浮物在圖像中的像素占比，計算出相對精準的漂浮物面積(圖7、8)。今后將繼續(xù)探索 “垂直正射投影法”對漂浮物的面積估算方法，為國內(nèi)水庫管理提供新的思路與方法。

圖7 正射投影法面積估算原理

圖8 水庫漂浮物圖像處理效果

4.2.1.2 庫區(qū)水華跟蹤識別

傳統(tǒng)巡庫方式無法準確識別和判斷水華情況。無人機巡庫飛行高度較高，更容易識別發(fā)生水華的區(qū)域邊界，可迅速確定庫區(qū)水華的發(fā)生位置，并持續(xù)觀測判斷和分析其發(fā)展情況。

2020年6月初，由于上游地區(qū)多個電站泄洪，大量垃圾漂浮物夾雜在水中漂至主庫區(qū)，導(dǎo)致水質(zhì)偏差，且氣溫較高，6月9日主庫區(qū)發(fā)生局部水華，并有進一步擴散趨勢。2020年6月10～13日，開展無人機水華監(jiān)測工作。結(jié)果表明：水華疑似從龍池方向水域發(fā)生，進而擴散至主庫區(qū)各個區(qū)域。部分區(qū)域為疑似水華原發(fā)區(qū)域，部分區(qū)域為水華擴散區(qū)域，可看出水華在老母孔至大壩間呈條帶狀分布(圖9)。該次水華現(xiàn)象存在以下幾個特點：

圖9 2020年6月水華情況巡查區(qū)域示意圖

(1)時間角度。前期主要集中于A區(qū)域，然后逐步擴散至B、C、D區(qū)域。

(2)形 態(tài)。水華區(qū)域多呈現(xiàn)多層次帶狀分布，個別區(qū)域呈現(xiàn)魚鱗狀分布。

(3)擴散趨勢。由于庫區(qū)泄洪，水華由A區(qū)域以較快速度擴散，擴散順序約為A→B→C→D。隨著水位升高，水華由龍溪支庫向主庫呈擴散趨勢。

水華隨水流運動，變化較快，在主庫區(qū)范圍內(nèi)均有分布(圖10)。經(jīng)多日連續(xù)降雨及大壩泄洪，庫區(qū)水華片區(qū)隨水流逐漸排出。在2020年6月24日復(fù)檢中，庫區(qū)周邊區(qū)域未發(fā)現(xiàn)水華情況，水質(zhì)良好。

圖10 6月龍池方向峽口水華原發(fā)位置情況

通過現(xiàn)場取樣和室內(nèi)實驗，對表層水體進行采樣，并測量水溫、透明度和濁度，明確藻密度和藻類構(gòu)成，得出優(yōu)勢藻種。通過藻類基因測序后得知，藻密度含量較高的壩前點位優(yōu)勢藻種為綠藻門四爿藻屬。該藻類常作為餌料用于養(yǎng)殖魚蝦，對水庫水環(huán)境無不利影響。

4.2.2 庫區(qū)非法活動調(diào)查

紫坪鋪水庫作為成都平原經(jīng)濟區(qū)的水源地，水庫內(nèi)嚴禁非法采砂、網(wǎng)箱養(yǎng)殖、捕魚、非法行船等。傳統(tǒng)巡查工作存在巡查時間久、處理滯后取證困難等問題。通過無人機巡查技術(shù)可對庫區(qū)非法行為進行拍照取證和跟蹤記錄。年內(nèi)巡查時發(fā)現(xiàn)的疑似非法活動可及時通報地方政府，并開展聯(lián)合執(zhí)法，有效確保水庫大壩的安全運行。

4.2.3 地質(zhì)災(zāi)害巡查

紫坪鋪水庫所在區(qū)域高山峽谷并存，不同成因的各類第四系松散堆積層沿兩岸均有分布，尤其是在壽溪河以及漩口至壩前岷江的左岸廣泛分布規(guī)模不等的松散堆積體，穩(wěn)定條件相對較差。庫水位的升降、坡腳開挖、地震等可能引起局部崩塌(圖11)。無人機參與地質(zhì)災(zāi)害巡查，可對庫區(qū)周邊地質(zhì)災(zāi)害遺址、正在發(fā)生的地質(zhì)情況變化以及有潛在風(fēng)險的地質(zhì)條件進行記錄，例如崩塌、滑坡、泥石流、裸露山體等。通過無人機實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害空間數(shù)據(jù)采集，建立庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害模型，通過對不同批次無人機采集數(shù)據(jù)的疊加分析，對潛在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)點位加強巡查管理與加固預(yù)防措施，最大程度地規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害對庫區(qū)以及人民群眾生命財產(chǎn)的威脅。

4.2.4 水質(zhì)及污染情況

無人機高空水質(zhì)巡查旨在考察周邊的人類活動對于水庫生態(tài)環(huán)境的影響，及時發(fā)現(xiàn)水庫周邊的污染源并進行跟蹤排查。該項工作巡查目標包括水體污染位置以及圖片取樣、疑似排污管道、其他疑似排污痕跡等。

研究主要針對上游庫區(qū)周圍的村鎮(zhèn)和工廠附近進行巡查和記錄，目前暫未發(fā)現(xiàn)明顯排污跡象。

4.2.5 岸邊人員活動信息

水庫管理岸線較長，周邊常有人員進入庫區(qū)管理范圍，給水庫管理工作造成較大困難。利用無人機開展定期巡查，記錄庫區(qū)、河道附近人員活動情況，初步判斷活動原因與動機，詳細記錄其位置、頻次、人員數(shù)量等信息，巡查重點包括水庫周邊垂釣、游玩、露營等情況。對巡查結(jié)果進行統(tǒng)計分析，并對人員活動進行拍照取證。管理人員可根據(jù)無人機采集的信息對人員進行勸離，對重點區(qū)域進行封閉，有效提高水庫管理效率，確保人員生命財產(chǎn)安全。

5 結(jié) 語

無人機技術(shù)在紫坪鋪水庫中的應(yīng)用極大提高了水庫綜合管理的水平和效率。該研究采用正射投影法結(jié)合圖像分析技術(shù)實現(xiàn)漂浮物面積估算，完成了2020年8月份百年一遇洪水后庫區(qū)的漂浮物完整系統(tǒng)的面積估算。同時，無人機以其獨特的高空視角、清晰的拍攝效果為庫區(qū)水環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、非法活動巡查等工作提供了強有力的支持。但是，今后需在無人機巡查工作的時效性、信息化水平、遠程在線指揮系統(tǒng)等方面展開更加深入的研究，提升無人機在水庫綜合管理應(yīng)用中的精度。例如建立可溯源的庫區(qū)時空數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建水庫三維數(shù)字場景模型，從多元多維角度開展水庫綜合管理工作。