徐蘭玉，張 波，楊浩東

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京 210012；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029；3.深圳市城市公共安全技術(shù)研究院有限公司，廣東深圳 518038）

1 概 述

堤防是重要的防洪工程，《2019 年全國(guó)水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》［1］統(tǒng)計(jì)顯示，截至2019年底，全國(guó)共建成5級(jí)以上江河堤防32.0萬(wàn)km，其中1級(jí)、2級(jí)達(dá)標(biāo)堤防長(zhǎng)度3.5萬(wàn)km。堤防在長(zhǎng)期服役過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂、滑坡、浸散、管涌、流土和沖刷等災(zāi)害現(xiàn)象，引起洪水泛濫、影響居民生命財(cái)產(chǎn)安全及工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)。堤防工程的空間跨度大，造成水文地質(zhì)條件、隱患分布沿線隨機(jī)性變化很大，采用傳統(tǒng)的點(diǎn)式傳感器進(jìn)行堤防安全監(jiān)測(cè)針對(duì)性不強(qiáng)，往往不能發(fā)現(xiàn)堤防工程發(fā)生的隱患及險(xiǎn)情。因此，為掌握堤防工程安全狀態(tài)，特別是汛期堤防的工作性態(tài)，確保堤防工程安全，巡視檢查是較有效的方式之一，目前主要采用的是人工拉網(wǎng)式巡檢。該巡檢方式以目視為主，檢查手段較為落后，需耗費(fèi)大量人力，人工巡檢效率較低、容易漏檢且難以及時(shí)完全發(fā)現(xiàn)堤防隱患缺陷，無(wú)法適應(yīng)國(guó)家提出的構(gòu)建智慧水利體系的要求。

隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步，分布式光纖［1］、紅外熱成像［2-3］、聲發(fā)射［4-5］、雷達(dá)［6-7］、無(wú)人機(jī)［8］及水下機(jī)器人［9］等新型技術(shù)和裝備被引入堤壩無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，利用無(wú)人機(jī)搭載多傳感器獲取堤防多源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)隱患識(shí)別已成為可能，這為堤防巡檢提供了新的思路和手段。

因此，本文緊密結(jié)合堤防巡查的實(shí)際需求，以堤防災(zāi)害及隱患快速診斷為方向，利用無(wú)人機(jī)能實(shí)現(xiàn)大范圍空中快速巡查的優(yōu)勢(shì)，研究利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載可見(jiàn)光、紅外、雷達(dá)等融合技術(shù)載荷用于堤防的日常巡檢，有效提高巡檢工作效率和堤防巡檢的智能化水平，為保障堤防工程運(yùn)行安全提供科技支撐。

2 空中堤防險(xiǎn)情隱患快速巡查技術(shù)裝備

2.1 結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)集成搭載集可見(jiàn)光、熱成像相機(jī)、激光雷達(dá)等傳感器，為堤防隱患巡查提供新的監(jiān)測(cè)手段?？罩械谭离U(xiǎn)情隱患快速巡查成套裝備包括：高可靠性的防雨抗風(fēng)無(wú)人機(jī)，可更換電池和載荷的自主起降保障設(shè)施，可配備有雙光載荷、熱成像荷載、激光雷達(dá)、傾斜相機(jī)、多光譜相機(jī)等的智能載荷，擁有高性能的4G/5G 和無(wú)線電圖傳鏈路，基于云平臺(tái)的智能化大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)堤壩巡檢過(guò)程中航拍、測(cè)繪、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)整理等功能。該系統(tǒng)既可以區(qū)域化部署，也可以全域部署和移動(dòng)部署。

如圖1 所示，利用無(wú)人機(jī)搭載可見(jiàn)光熱紅外雙光相機(jī)及激光雷達(dá)載荷，對(duì)堤壩工程管理范圍進(jìn)行連續(xù)探測(cè)，從而獲得全面覆蓋堤壩的可見(jiàn)光、紅外影像及激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)，再通過(guò)機(jī)載圖傳系統(tǒng)將所采集的圖像實(shí)時(shí)傳輸至地面站，從而實(shí)現(xiàn)堤防隱患的遠(yuǎn)程探測(cè)和實(shí)時(shí)辨識(shí)。

圖1 基于激光雷達(dá)、可見(jiàn)光及熱紅外傳感設(shè)備的空中巡堤平臺(tái)

2.2 技術(shù)路線

通過(guò)分析各傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在堤防巡檢方面的應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢(shì)，采用“實(shí)驗(yàn)分析—機(jī)理剖析—關(guān)鍵技術(shù)—集成應(yīng)用”全鏈條研發(fā)思路，應(yīng)用多學(xué)科交叉融合理論方法，圍繞實(shí)現(xiàn)堤防險(xiǎn)情隱患快速巡查空中成套技術(shù)裝備的總體目標(biāo)，構(gòu)建技術(shù)路線（圖2）。

圖2 技術(shù)路線

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）汛期堤防隱患高精度巡查要求下高可靠性空中平臺(tái)選擇。汛期條件下，尤其是刮風(fēng)降雨以及承擔(dān)一定的任務(wù)條件下，本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)是如何確保空中平臺(tái)的航跡穩(wěn)定、長(zhǎng)航時(shí)保證、巡檢精準(zhǔn)和起降可控以及結(jié)構(gòu)模塊化、通訊一體化和數(shù)據(jù)處理分析邊緣計(jì)算化，使空中平臺(tái)具有適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力。本項(xiàng)目在成熟軍用產(chǎn)品JC-M15模組式多旋翼無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)上，針對(duì)防塵防水性能方面的改進(jìn)要求，通過(guò)對(duì)電機(jī)、外殼、通氣孔、外露緊固件及接插件進(jìn)行防塵防水設(shè)計(jì)，所有緊固件均選用高強(qiáng)度不銹鋼材質(zhì)，防水防銹處理，外露接插件和接口均采用防水接頭或加裝橡膠防水帽，機(jī)臂接插件處加裝防水密封圈等，保證整機(jī)的防塵防水能力，以適應(yīng)汛期惡劣的工作環(huán)境。

（2）汛期堤防隱患高精度快速探測(cè)與定量化表征。堤防滲漏識(shí)別的紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)：堤防實(shí)際環(huán)境復(fù)雜，受植被覆蓋、非滲漏積水等表面溫度場(chǎng)干擾，僅依靠原始紅外圖像讀取溫度異常點(diǎn)進(jìn)行堤防滲漏水病害判別的準(zhǔn)確性很低，因此提出堤防溫度場(chǎng)辨識(shí)新指標(biāo)，建立典型滲漏水病害紅外圖譜，以提高滲漏病害識(shí)別的準(zhǔn)確度；激光雷達(dá)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)：通過(guò)對(duì)堤防巡查范圍的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的獲取和處理，得到精度很高的機(jī)載激光雷達(dá)DEM 產(chǎn)品，擬從定性和定量2個(gè)方面對(duì)多期機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行堵防變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，掌握一定時(shí)間段內(nèi)堤防的變形趨勢(shì)和特征，測(cè)算變形量；技術(shù)載荷的多樣性決定了現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)量大，如何完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和快速預(yù)警成為關(guān)鍵，為此將在應(yīng)用微波通訊、4G/5G等多種無(wú)線通訊方式的基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)路由算法解決數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題，結(jié)合壓縮感知研發(fā)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸智能算法，采用自我生成算法實(shí)現(xiàn)信息的自我增強(qiáng)，采用像素級(jí)、特征集、決策級(jí)等多級(jí)融合算法實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合；通過(guò)收集積累不同的險(xiǎn)情案例，采用分類聚類算法和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)形成險(xiǎn)情動(dòng)態(tài)對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)，采用專業(yè)UI設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)界面友好、實(shí)時(shí)展示、長(zhǎng)期預(yù)報(bào)、隱患預(yù)警、案例對(duì)比等功能的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建和三維可視化軟件開(kāi)發(fā)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在完成前期設(shè)計(jì)、單元開(kāi)發(fā)與室內(nèi)測(cè)試的基礎(chǔ)上，選擇在江蘇省宿遷市南水北調(diào)泗洪站管理所“堤防險(xiǎn)情模擬試驗(yàn)測(cè)試試驗(yàn)場(chǎng)”進(jìn)行野外模擬實(shí)地測(cè)試聯(lián)調(diào)演練，測(cè)試內(nèi)容主要包括無(wú)人機(jī)搭載可見(jiàn)光、紅外、激光雷達(dá)和微型SAR 技術(shù)載荷進(jìn)行堤防空中快速巡查，實(shí)現(xiàn)對(duì)堤防大范圍高精度快速巡查，管涌、大面積滲漏、變形、塌陷、滑坡等多類型險(xiǎn)情。模擬滑坡、滲漏、泥濘路段成C 字型，泥濘路段最接近河道、模擬滲漏堤防垂直于河道、滑坡測(cè)試場(chǎng)景平行于河道，測(cè)區(qū)總面積約0.2 km2（圖3）。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)區(qū)

現(xiàn)場(chǎng)模擬了1 m 范圍的滑坡，塌窩險(xiǎn)情，直徑10 cm 及以上的積水或管涌滲流，溫差4 ℃及以上、背水坡直徑≥5 cm的點(diǎn)狀滲漏隱患以及溫差4 ℃及以上、背水坡直徑≥10 cm的面狀滲漏隱患。在堤壩內(nèi)部設(shè)置了多種滲漏場(chǎng)景，用于模擬不同深度、不同部位、不同流速的滲漏。

無(wú)人機(jī)巡檢時(shí)根據(jù)線路運(yùn)行情況、巡檢要求，搭載可見(jiàn)光相機(jī)/紅外熱像儀、三維激光掃描儀等傳感設(shè)備，各傳感器主要監(jiān)測(cè)目標(biāo)見(jiàn)表1，主要形變及滲流監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4～8所示。

表1 不同空中載荷采集目標(biāo)

圖4 隱患前形變輸出

圖5 隱患后形變輸出

圖6 模擬塌坑形變輸出

圖7 滲漏部位可見(jiàn)光圖像輸出

圖8 滲漏部位紅外影像

測(cè)試基本完成了各空中載荷的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，從激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云和DEM 模型中能較為清晰地看出人為模擬的塌坑、滑坡隱患，并可從模型中量取塌坑的寬度和深度等特征值信息，且測(cè)得的塌坑寬度深度數(shù)據(jù)均與實(shí)際坑的尺寸有較好一致性；滲漏部位在可見(jiàn)光圖像中幾乎不能區(qū)分，不過(guò)在紅外圖像中表現(xiàn)異常，比較顯著，滲漏部位溫度明顯低于周圍土體，但依舊難以與植被區(qū)分開(kāi)來(lái)，可結(jié)合可見(jiàn)光圖像綜合考慮。但由于前期樣本數(shù)量收集及模型訓(xùn)練的不足，本次測(cè)試未能實(shí)現(xiàn)隱患的機(jī)器自動(dòng)識(shí)別。

4 結(jié) 語(yǔ)

空中巡查系統(tǒng)不僅可以在應(yīng)急條件下直觀、便捷地標(biāo)識(shí)出堤防滲漏、形變等隱患險(xiǎn)情，特別是通過(guò)多次巡查影像差分分析實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的形變定量監(jiān)測(cè)，還可為堤防早期隱患識(shí)別和中長(zhǎng)期的變形監(jiān)測(cè)提供重要技術(shù)手段。通過(guò)樣本的不斷積累和模型訓(xùn)練，機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以學(xué)習(xí)和識(shí)別堤防隱患特征，最終實(shí)現(xiàn)堤防隱患險(xiǎn)情的判斷和預(yù)測(cè)，使管理人員能夠更直觀地了解堤防的運(yùn)行性態(tài)。