无人机集成系统在水利管理中的应用与探索

2022-11-22白亮

农业科技与信息 2022年5期

白亮

（甘肃省张掖市甘州区水务局，甘肃张掖 734000）

随着信息技术的发展，无人机技术被广泛应用于社会发展的各个方面。但单一的无人机搭载摄像头的技术在其发展过程中面临着诸多技术瓶颈，随着各行业的快速发展，对无人机技术提出了更高要求，需要更加专业的无人机系统，集成更加先进的软硬件设备参与工作。因此，无人机集成系统随着行业的需求应运而生。无人机集成化系统与传统的单模块无人机数据采集、后台分析系统相比，具有更高的协调性与智能化，能充分满足各行业的需求。因此，无人机集成系统是未来无人机发展的方向。

随着水利信息化建设的不断推进，采用先进技术手段提高水利行业的工作效率是目前水利工作者的研究重点[1]。无人机集成系统应用于水利管理领域，可利用无人机技术高效、机动、灵活的优点，获取更高效的河道影像资料和重点区域全景照片[2]。同时可充分发挥其运行成本低、覆盖范围广等优势，完成水利管理中渠系灌溉巡查、旱涝情监测、水环境定点监测、日常河湖巡查等任务，最大限度地破解水利例行巡查中巡查线路长、巡查面积大等时空限制难题。因此，无人机集成系统的应用是未来水利管理的方向。

1 无人机系统的应用现状与发展趋势

1.1 无人机系统的应用现状

当前无人机在执行飞行任务时，人工控制仍是主要控制手段[3]。无人机的应用也主要集中在航拍、地形地物观测等相关领域。因此，需采用协调性更高、集成化程度更好的无人机系统参与系统工作。无人机集成系统将遥感技术、信息技术、计算机技术、无线通讯技术等先进科学技术进行整合[4]，形成了一套替代人力以及部分脑力进行相关领域工作研究的辅助工作系统，目前只应用于部分高科技领域。

1.2 无人机系统的发展趋势

目前无人机集成系统的理念逐步被各个行业所接受。搭载或链接行业软件，集成各种测量测绘设备等集成化程度更高的定制无人机系统也将被各个行业所青睐，成为未来发展的新趋势。

2 无人机集成巡查系统在水利管理中的应用

2.1 在渠系灌溉运行中的应用

渠道巡查是基层水利管理工作的重中之重，基层管理站（所）投入大量人力物力，对灌溉期内渠道运行状况进行日常巡查，保障渠道输水安全性，确保渠道周边村民的财产安全。灌溉期内渠道24 h 运行，巡查任务十分繁重。一方面，要充分保障灌溉期内渠道的正常运行，防止因管理疏漏而造成渠水淹田等水事纠纷；另一方面，要充分保护渠道安全，防止因淤积物造成水淹渠毁事件。而传统的渠道巡查巡查线路长、覆盖范围广，制约着渠道巡查工作的有效开展。以多系统集成后的无人机巡查，能最大限度地避免环境、人为因素的干扰，从而缩短巡查时间，提高巡查效率，降低巡查成本。

2.2 在抗旱防洪中的应用

无人机巡查系统在抗旱防汛方面，能充分发挥其高机动、高灵活性的特点。以甘州区大满灌区为例，每年6—9月进入主汛期，虽然在重点防洪区内安装了雨量监测系统、防洪预警系统，但要实时监测洪水流向、及时全面评估行洪区内的水毁，还需无人机等辅助监测设备突破环境限制，进行实时实地巡查。把无人机巡查系统高度集成化，使其将更加专业的信息采集系统与旱涝分析系统集成在无人机系统中，能充分发挥其专业、高效、便捷的功能优势，为洪水实时数据采集分析提供技术支撑，为科学防洪提供有力的技术保障。

无人机定高采集农作物及耕地使用信息，通过对农作物叶面色彩的辨识及叶卷形态的分析，能更直观地判断旱情发展程度及受灾面积，为进一步分析旱情及采取有效抗旱措施提供直观全面的决策依据。

2.3 在河道巡查中的应用

传统河湖管理受视频探头、人员安排的限制，不具备空间持续性，突出表现为河湖管理以“点、面”形式为主[5]。河湖巡查无人机集成巡查系统将地理信息处理与环境分析系统集成于一体，在河湖巡查中能发挥其更专业的功能优势。以甘州区为例，我国西北地区第二大内陆河——黑河穿境而过，干流全长约928 km，流域面积约11.6 万km2，其中甘州区过境河道全长57 km，沿途流经9个乡（镇）114个村，开展日常河道巡查，保障河道行洪顺畅，保护流经区域内群众的生命财产安全，责任十分重大。因此，需投入更多巡查力量，加强水域岸线空间管控、保障河道正常行洪、防止发生违法河道采砂等破坏河岸事件。传统的巡查模式需投入大量人力物力，但无法保障巡查的时效性、高效性。因此，需要集成化程度更高的无人机系统，尤其是集专业的影像数据采集与地理信息分析识别于一体的无人机，充分发挥其快速、便捷、高效的优点，参与河道日常巡检。

2.4 在水污染防治及突发水污染处理中的应用

水污染防治、水生态修复和水环境治理是当前水利工作的重中之重。突发水污染时，周围水体及环境会被不同程度污染，需快速识别污染面积、及时分析污染性质、高效判断污染程度，为处理突发水污染事件赢得宝贵时间。集成防灾系统的无人机具有更明显的优势。首先，可利用无人机向水域内进行初步飞行及影像获取，在影像中计算并划定污染范围，制定较为周全的污染处理方案，并通过后期影像合成对污染范围及污染程度进行有效标注及全面评估，大幅度提升工作效率。其次，在对水体污染区进行处理时，无人机可利用悬空功能提供便利条件，作为信息发射传输的中转站，将水污染区域内的信息及时传输出去，从而及时制定水污染处理方案。随着科技的不断发展，利用集成无人机系统对流域内上游水生态情况进行全面评估，通过实景模拟展示，能更直观地实时监测高风险区域内的水环境，提前预警，大幅度降低污染风险。

3 无人机巡查系统应用于水利领域的技术难点及应用对策

3.1 基于云平台的无人机控制系统

无人机巡查系统应用于水利灌溉管理，首先面临着无人机系统的控制难题。传统的无人机以人工控制的方式采集数据，更为先进的无人机控制系统加入了GPS 导航和路径设置模式，保证了无人机按照指示路径飞行并采集数据，但无法自动控制无人机在特殊观测点位悬停并采集数据。因此，无人机控制平台设计过程中，需将操控无人机悬停与数据采集系统联系起来，锚定拍摄位置，为捕捉拍摄对象、调整拍摄角度做好前期准备。同时，无人机集成系统能根据前期设定的数据采集对象特征，自主判断并完成悬停与数据采集的协调工作，保障了数据采集的真实性、有效性。

3.2 基于采集对象特征识别的无人机数据采集系统

无人机数据采集主要根据预设路径对特定目标物进行拍照，在拍照过程中有效信息自主甄别难度大。以水利灌溉为例，无人机对闸体过水量、淤积情况进行巡查，要求无人机以渠系为预设路径飞行并实时传输数据，因而产生的数据量大、无效信息多。因此，在数据采集初期要对观测系统加入约束条件，采用路径位置锚定与采集对象特征识别相结合的方式，操控无人机系统对巡查对象进行巡查拍照。水利灌溉渠系巡查中最常见的闸口过水量与淤积情况，可以启闭机、闸房、闸口等特征明显的构筑物作为特征点，采用无人机目标定位方法，确定目标定位过程中的坐标转换关系并推导出摄像机视轴角的计算模型，对同一目标点多次测量定位[6]。

3.3 基于数字化的无人机数据传输系统

无人机数据采集完成后，需要对采集完成的数据进行传输，传输数据采用全要素数据传输和分析结果传输2 种模式。全要素传输模式将采集的原始数据全部传输到后台系统，其优点是数据采集全面，为数据分析提供了有力支撑；缺点是传输条件局限性大，在水利渠系巡查中大多数路径以渠系为依据，信号不稳定，而在水情监测中更是受到传输信号的限制。随着5G 技术的应用普及，这一难题将得到彻底解决。无人机集成数据分析模块将采集完成的数据及时分析，并将分析结果传输到后台系统，其优点是数据分析速度快、一体化程度高，缺点是集成分析模块技术要求高。

3.4 后台数据分析系统与反馈系统

无人机后台分析系统与信息反馈系统将传输来的数据进行进一步的甄别、分析，然后建立对应的数据模型，得出科学的结论，并以图表等形式展示出来，为决策提供直观依据。后台分析系统与反馈系统是整个无人机巡查集成系统的关键，完善的分析系统能进一步确保分析结果科学有效。因此，分析过程中要保证数据的完整性、真实性，同时数据结构要更加严谨，分析要素要更加全面，条件判断要更加科学，算法要更加优化，不仅要横向判断整个分析结果，还要纵向通过历年积累的数据进行验证，从而保证分析结果更加贴近于实际。

3.5 基于数字化的无人机图形图像拼接与实景成像

无人机图形图像拼接技术是将一定数量的包含重叠区域的航拍序列影像进行拼接以获取一幅全景图像的技术方法[7]，能弥补无人机在航拍过程中图像覆盖幅宽不足的缺陷，充分扩大无人机巡查范围与视角。无人机实景成像是先期对巡查区域内的实景进行采集，对采集到的宽幅影像数据进行后台实景建模，作为数据实景成像的依据，将采集的数据与原始采集的宽幅数据图库影像进行比较，从而发现问题，并将问题区域内的影像数据传输至之前建立的实景模型，使其高度融合。不仅保留了原始实景图形图像的细节信息，还能对特殊拍摄区域进行全局把握与信息分析，从而获得并呈现出更加直观的实景巡查成果。局部图像融合到全局模型能大幅度降低数据传输量，减少数据传输能耗，从而优化无人机飞行能耗。目前准确、高效的图像拼接与实景成像技术是无人机图像处理与视觉成像的难点与热点，也是无人机集成系统发展过程中必须攻克的堡垒。