無人機自主巡檢系統(tǒng)在河湖監(jiān)管巡檢中的應(yīng)用

劉金玉 宋學(xué)山

摘要：隨著潘家口水庫河湖監(jiān)管巡檢任務(wù)的運行常態(tài)化，巡檢監(jiān)管對象更加明確，巡檢里程不減，而巡檢需求和人力缺員的矛盾卻日益突出，本論文從潘家口水庫庫區(qū)及周邊環(huán)境監(jiān)測的需求出發(fā)，進行無人機智能巡檢，指揮中心一鍵式開啟自主作業(yè)，減少人員工作量，提高作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：河湖監(jiān)管; 智能巡檢; 自主作業(yè)

河湖監(jiān)管智能化自主巡檢系統(tǒng)主要包括基于衛(wèi)星遙感影像的大尺度數(shù)字場景，以及定期的衛(wèi)星影像更新處理和與前期數(shù)據(jù)的疊加分析，無人機自主巡檢系統(tǒng)，無人機巡檢數(shù)據(jù)本底數(shù)據(jù)庫，以及無人機運維期數(shù)據(jù)處理和與前期數(shù)據(jù)的疊加分析等，目的是實現(xiàn)巡檢無人值守，遠程操控，數(shù)據(jù)流程化處理。

1、河湖監(jiān)測區(qū)域及目標

通過無人機智能化自主實時視頻、影像，對庫區(qū)水面漂浮物、污染源、捕魚、違規(guī)排放以及“亂占、亂采、亂堆、亂建”等情況進行定期監(jiān)測，提升水庫管理、養(yǎng)護水平，保障良好的水生態(tài)環(huán)境，庫區(qū)水系如圖1所示。

2、河湖監(jiān)管巡檢方案

2.1基于衛(wèi)星遙感影像的大尺度數(shù)字場景建立

衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠準確、及時地提供多種時空分辨率和光譜分辨率的對地觀測數(shù)據(jù)。將多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行結(jié)合，可以獲取包含流域地形地貌、江河水系、土壤植被、土地利用、基礎(chǔ)設(shè)施等的空間信息，結(jié)合流域氣象、水文、經(jīng)濟社會等信息，可以進行流域數(shù)字化，實現(xiàn)水文模型可視化，洪水水位發(fā)展變化預(yù)演，以及防洪預(yù)案部署等，為水利“四預(yù)”提供基礎(chǔ)支撐。

2.2無人機河湖監(jiān)管自主巡檢

2.2.1無人機巡庫系統(tǒng)搭建

無人機巡庫系統(tǒng)，主要由無人機系統(tǒng)、無人機自動起降停機坪、基站或中繼站通訊系統(tǒng)、飛行指揮中心等組成;無人機系統(tǒng)通常是包含無人機平臺、自動駕駛儀、數(shù)據(jù)鏈路、任務(wù)載荷和地面指控五大分系統(tǒng)的自持系統(tǒng)[1]。

無人機自動起降停機坪：主要功能為具備自主起飛，智能巡檢，自動、手動飛行模式無縫切換，精準回巢，遠程控制，快速充電復(fù)飛。

基站及中繼站通訊系統(tǒng)：一般短距離30km以內(nèi)及信號無遮擋，地面站基站就可以滿足一般需求，但往往由于山體或其他信號干擾，會導(dǎo)致視頻信號中斷或延遲，需要架設(shè)中繼站增強傳輸信號，來實現(xiàn)遠距離的信號傳輸，一般30km-50km。

飛行指揮中心：無人機視頻和遙控遙測信息，通過專用通信鏈路傳輸至地面站，再通過網(wǎng)線或4G/5G路由器連接PIS系統(tǒng)，將視頻實時回傳至遠程指揮調(diào)度中心。

2.2.2無人機機型及數(shù)量分析

（1）多旋翼無人機

優(yōu)點，起降靈活，機庫所占空間小;缺點：建庫數(shù)量多，維護不便，由于受載荷和電池容量以及圖傳功率消耗的影響續(xù)航時間更短、飛行高度不高（一般相對高度100m附近）圖傳信號較差，適合于面積5km2作業(yè)范圍。

多旋翼機巡航速度一般15m/s，安全續(xù)航40分鐘，最多巡航36km的航程，往返18km，在水庫管理局布設(shè)一套多旋翼無人機系統(tǒng)，主要覆蓋潘家口水庫大壩及周邊的庫區(qū)約8-10km半徑范圍，進行精細化的巡檢。設(shè)計覆蓋范圍飛機位置及覆蓋巡檢范圍見圖2。

（2）垂直起降固定翼無人機

優(yōu)點，采用1庫1機，方便維護，續(xù)航時間長覆蓋范圍大，圖傳信號強;缺點：機庫比較大，飛機尺寸大，從技術(shù)層面要求更高。

由于固定翼無人機巡航速度61km/小時，水庫庫區(qū)大致呈南北分布，最遠直線距離約30km，其續(xù)航能力為2小時，1架固定翼無人機即可滿足巡航需要。

2.2.3無人機自主巡檢航跡規(guī)劃

為了實現(xiàn)對河湖監(jiān)管要素的自主巡檢，需要規(guī)劃好無人機巡檢作業(yè)的航跡， 根據(jù)巡檢航跡進行飛行路徑的智能規(guī)劃，并實現(xiàn)無人機的復(fù)合避障。根據(jù)河湖監(jiān)管要素的布置特點及巡檢要求，規(guī)劃巡檢路線，實現(xiàn)巡檢部位全覆蓋，規(guī)范無人機巡檢工作。

2.2.4視頻、無人機姿態(tài)及巡檢數(shù)據(jù)傳輸

機庫采用4G/5G通信方式，通過4G/5G連接至指揮中心。

無人機通過數(shù)據(jù)鏈路將航飛可視化視頻數(shù)據(jù)和無人機姿態(tài)數(shù)據(jù)進行實時回傳，回傳數(shù)據(jù)經(jīng)地面基站中轉(zhuǎn)，由指揮中心對地面基站進行遠程觀看及操作。機庫通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)接入指揮中心網(wǎng)絡(luò)接口，確保巡檢數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定的傳輸;云端計算服務(wù)器集中部署在指揮中心內(nèi)網(wǎng)，對數(shù)據(jù)進行集中式處理，并通過防火墻方式與上級單位進行信息交互，實現(xiàn)無人機巡檢目標要素、人工巡檢目標要素的統(tǒng)一閉環(huán)處理[2]。

2.3巡檢分析處理

巡檢圖像數(shù)據(jù)接收處理主要包括基礎(chǔ)處理、數(shù)據(jù)整理入庫、解譯分析和統(tǒng)計分析，具體內(nèi)容如下：

（1）基礎(chǔ)處理

通過無人機采集得到的影像數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理步驟才能用于影像解譯與分析，通過快速拼接功能實現(xiàn)無人機影像數(shù)據(jù)的空中三角測量和數(shù)字正射校正，快速實現(xiàn)對無人機圖片數(shù)據(jù)定義坐標和拼接，獲得測區(qū)高分辨率無人機影像本底數(shù)據(jù)，并可與衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)疊加分析。

（2）數(shù)據(jù)整理入庫

對數(shù)據(jù)進行監(jiān)督和審查，確保數(shù)據(jù)無誤后將無人機監(jiān)測相關(guān)的影像數(shù)據(jù)進行分類、整理、入庫，存入航飛影像數(shù)據(jù)庫，將影像業(yè)務(wù)解譯得到的無人機影像解譯數(shù)據(jù)存入監(jiān)測解譯成果庫，保障數(shù)據(jù)可追述，并可保障數(shù)據(jù)安全[3]。

（3）影像解譯與分析

影像解譯與分析過程在巡檢數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)解譯系統(tǒng)中由人工解譯、或智能解譯完成，解譯系統(tǒng)存放在智慧中心，當有需要時，專業(yè)技術(shù)人員及相關(guān)服務(wù)人員可通過賬號登錄的方式操作解譯系統(tǒng)，開展解譯和分析工作。

3、結(jié)論與討論

本論文從河湖監(jiān)管的實際需求出發(fā)，建設(shè)基于衛(wèi)星遙感影像的大尺度數(shù)字場景，為“四預(yù)”能力建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐，實現(xiàn)河湖監(jiān)管的大尺度監(jiān)控;同時制定一套無人機智能化自主巡檢，及對數(shù)據(jù)處理由人工分析到智能化識別提升的解決流程，實現(xiàn)河湖監(jiān)管巡檢效率和智能化水平的提高。

參考文獻：

[1]韋立富， 沈佩琦， 韓磊，等. 5G無人機全自主巡檢系統(tǒng)在500 kV特大跨越上的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)（9）：4.

[2]黃鄭， 王永強， 王紅星，等. 基于云霧邊異構(gòu)協(xié)同的無人機智慧巡檢系統(tǒng)[J]. 中國電力， 2020（4）.

[3]王博， 宋丹， 王洪玉. 無人機自主巡檢系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 計算機工程與應(yīng)用， 57（9）：9.

作者簡介：劉金玉（1986.11- ），女，漢，山東省臨沂市，工程師，研究生。主要研究方向：衛(wèi)星遙感和無人機遙感技術(shù)在水利工程監(jiān)測中的應(yīng)用。