堤防險情隱患快速巡查系統研究與設計

徐蘭玉，張 波，楊浩東

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

1 概 述

堤防是重要的防洪工程，《2019 年全國水利發展統計公報》［1］統計顯示，截至2019年底，全國共建成5級以上江河堤防32.0萬km，其中1級、2級達標堤防長度3.5萬km。堤防在長期服役過程中容易出現開裂、滑坡、浸散、管涌、流土和沖刷等災害現象，引起洪水泛濫、影響居民生命財產安全及工農業的生產。堤防工程的空間跨度大，造成水文地質條件、隱患分布沿線隨機性變化很大，采用傳統的點式傳感器進行堤防安全監測針對性不強，往往不能發現堤防工程發生的隱患及險情。因此，為掌握堤防工程安全狀態，特別是汛期堤防的工作性態，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式巡檢。該巡檢方式以目視為主，檢查手段較為落后，需耗費大量人力，人工巡檢效率較低、容易漏檢且難以及時完全發現堤防隱患缺陷，無法適應國家提出的構建智慧水利體系的要求。

隨著傳感技術的發展和遙感技術的不斷進步，分布式光纖［1］、紅外熱成像［2-3］、聲發射［4-5］、雷達［6-7］、無人機［8］及水下機器人［9］等新型技術和裝備被引入堤壩無損檢測領域，利用無人機搭載多傳感器獲取堤防多源數據實現隱患識別已成為可能，這為堤防巡檢提供了新的思路和手段。

因此，本文緊密結合堤防巡查的實際需求，以堤防災害及隱患快速診斷為方向，利用無人機能實現大范圍空中快速巡查的優勢，研究利用無人機平臺搭載可見光、紅外、雷達等融合技術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，為保障堤防工程運行安全提供科技支撐。

2 空中堤防險情隱患快速巡查技術裝備

2.1 結構組成

系統通過無人機平臺集成搭載集可見光、熱成像相機、激光雷達等傳感器，為堤防隱患巡查提供新的監測手段?？罩械谭离U情隱患快速巡查成套裝備包括：高可靠性的防雨抗風無人機，可更換電池和載荷的自主起降保障設施，可配備有雙光載荷、熱成像荷載、激光雷達、傾斜相機、多光譜相機等的智能載荷，擁有高性能的4G/5G 和無線電圖傳鏈路，基于云平臺的智能化大數據處理平臺，可實現堤壩巡檢過程中航拍、測繪、數據分析、數據整理等功能。該系統既可以區域化部署，也可以全域部署和移動部署。

如圖1 所示，利用無人機搭載可見光熱紅外雙光相機及激光雷達載荷，對堤壩工程管理范圍進行連續探測，從而獲得全面覆蓋堤壩的可見光、紅外影像及激光雷達掃描數據，再通過機載圖傳系統將所采集的圖像實時傳輸至地面站，從而實現堤防隱患的遠程探測和實時辨識。

圖1 基于激光雷達、可見光及熱紅外傳感設備的空中巡堤平臺

2.2 技術路線

通過分析各傳感監測技術在堤防巡檢方面的應用現狀和趨勢，采用“實驗分析—機理剖析—關鍵技術—集成應用”全鏈條研發思路，應用多學科交叉融合理論方法，圍繞實現堤防險情隱患快速巡查空中成套技術裝備的總體目標，構建技術路線（圖2）。

圖2 技術路線

2.3 關鍵技術

（1）汛期堤防隱患高精度巡查要求下高可靠性空中平臺選擇。汛期條件下，尤其是刮風降雨以及承擔一定的任務條件下，本項目的關鍵技術是如何確?？罩衅脚_的航跡穩定、長航時保證、巡檢精準和起降可控以及結構模塊化、通訊一體化和數據處理分析邊緣計算化，使空中平臺具有適應惡劣環境的能力。本項目在成熟軍用產品JC-M15模組式多旋翼無人機的基礎上，針對防塵防水性能方面的改進要求，通過對電機、外殼、通氣孔、外露緊固件及接插件進行防塵防水設計，所有緊固件均選用高強度不銹鋼材質，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，機臂接插件處加裝防水密封圈等，保證整機的防塵防水能力，以適應汛期惡劣的工作環境。

（2）汛期堤防隱患高精度快速探測與定量化表征。堤防滲漏識別的紅外熱成像檢測技術：堤防實際環境復雜，受植被覆蓋、非滲漏積水等表面溫度場干擾，僅依靠原始紅外圖像讀取溫度異常點進行堤防滲漏水病害判別的準確性很低，因此提出堤防溫度場辨識新指標，建立典型滲漏水病害紅外圖譜，以提高滲漏病害識別的準確度；激光雷達變形監測技術：通過對堤防巡查范圍的機載激光雷達數據的獲取和處理，得到精度很高的機載激光雷達DEM 產品，擬從定性和定量2個方面對多期機載激光雷達數據進行堵防變形動態監測，掌握一定時間段內堤防的變形趨勢和特征，測算變形量；技術載荷的多樣性決定了現場采集數據量大，如何完成實時監測和快速預警成為關鍵，為此將在應用微波通訊、4G/5G等多種無線通訊方式的基礎上，采用自適應路由算法解決數據實時傳輸問題，結合壓縮感知研發海量數據實時傳輸智能算法，采用自我生成算法實現信息的自我增強，采用像素級、特征集、決策級等多級融合算法實現多源數據融合；通過收集積累不同的險情案例，采用分類聚類算法和動態數據庫技術形成險情動態對比數據庫，采用專業UI設計實現界面友好、實時展示、長期預報、隱患預警、案例對比等功能的數據庫構建和三維可視化軟件開發。

3 系統實現與現場測試

在完成前期設計、單元開發與室內測試的基礎上，選擇在江蘇省宿遷市南水北調泗洪站管理所“堤防險情模擬試驗測試試驗場”進行野外模擬實地測試聯調演練，測試內容主要包括無人機搭載可見光、紅外、激光雷達和微型SAR 技術載荷進行堤防空中快速巡查，實現對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、滑坡測試場景平行于河道，測區總面積約0.2 km2（圖3）。

圖3 現場測區

現場模擬了1 m 范圍的滑坡，塌窩險情，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。在堤壩內部設置了多種滲漏場景，用于模擬不同深度、不同部位、不同流速的滲漏。

無人機巡檢時根據線路運行情況、巡檢要求，搭載可見光相機/紅外熱像儀、三維激光掃描儀等傳感設備，各傳感器主要監測目標見表1，主要形變及滲流監測結果見圖4～8所示。

表1 不同空中載荷采集目標

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 滲漏部位可見光圖像輸出

圖8 滲漏部位紅外影像

測試基本完成了各空中載荷的監測目標，從激光雷達獲取的點云和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，且測得的塌坑寬度深度數據均與實際坑的尺寸有較好一致性；滲漏部位在可見光圖像中幾乎不能區分，不過在紅外圖像中表現異常，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分開來，可結合可見光圖像綜合考慮。但由于前期樣本數量收集及模型訓練的不足，本次測試未能實現隱患的機器自動識別。

4 結 語

空中巡查系統不僅可以在應急條件下直觀、便捷地標識出堤防滲漏、形變等隱患險情，特別是通過多次巡查影像差分分析實現厘米級的形變定量監測，還可為堤防早期隱患識別和中長期的變形監測提供重要技術手段。通過樣本的不斷積累和模型訓練，機器學習算法可以學習和識別堤防隱患特征，最終實現堤防隱患險情的判斷和預測，使管理人員能夠更直觀地了解堤防的運行性態。