無人機技術在紫坪鋪水庫綜合管理中的應用研究

李 洪， 王 宏 偉， 由 麗 華， 張 藝 冰

(1.四川省紫坪鋪開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610091；2. 四川岷江紫坪鋪實業(yè)有限責任公司，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)網等高新技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)水利逐步向現(xiàn)代水利方向轉型，新技術在水庫工程的建設、管理和維護等方面得到廣泛應用。例如，基于無人機航測的水庫懸浮泥沙及水質分析應用[1-3]。無人機技術也被用于水庫地形測量及庫容分析、庫區(qū)地質災害監(jiān)測水庫高陡邊坡危巖體識別[4-8]、災害監(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，新技術的應用還不普遍，立體化監(jiān)控網絡體系建設仍存在不足，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，存在任務重、效率低、響應不及時、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，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災害頻發(fā)，庫區(qū)滑坡、崩塌時有發(fā)生?？刂屏饔騼茹氪ㄖ炼冀邊^(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，水文地質環(huán)境復雜，日常巡庫中會遇到枯期水位消落導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、汛期行船安全風險較高等問題。為解決當前巡庫工作的難點問題，探求無人機技術在水庫管理體系中信息化、智能化、智慧化應用，特將無人機技術引入到庫區(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、地形條件復雜，無人機需要經過多點長距離飛行，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、應急測繪、災情調查、資源調查、環(huán)境保護監(jiān)測等多種空中任務。該無人機具備較好的環(huán)境適應性，能夠適應大風、降雨等條件下的飛行任務；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。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災害遺址、裸露山體、邊坡的情況，并且在低水位時期記錄關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，復原庫區(qū)巡查軌跡信息與環(huán)境屬性信息，構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，能夠為地質風險的預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容。

4 無人機水庫綜合管理應用實例

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、水質及污染情況、地質災害、岸邊人員活動等相關內容的巡查工作。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。由于水庫的無人機巡查方法在整個行業(yè)內尚處于探索階段，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)強降雨導致流域內發(fā)生百年一遇大洪水，洪水攜帶進入庫區(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)，導致水質偏差，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)范圍內均有分布(圖10)。經多日連續(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日復檢中，庫區(qū)周邊區(qū)域未發(fā)現(xiàn)水華情況，水質良好。

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)非法活動調查

紫坪鋪水庫作為成都平原經濟區(qū)的水源地，水庫內嚴禁非法采砂、網箱養(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可對庫區(qū)非法行為進行拍照取證和跟蹤記錄。年內巡查時發(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 地質災害巡查

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)。無人機參與地質災害巡查，可對庫區(qū)周邊地質災害遺址、正在發(fā)生的地質情況變化以及有潛在風險的地質條件進行記錄，例如崩塌、滑坡、泥石流、裸露山體等。通過無人機實現(xiàn)地質災害空間數(shù)據(jù)采集，建立庫區(qū)地質災害模型，通過對不同批次無人機采集數(shù)據(jù)的疊加分析，對潛在地質災害易發(fā)點位加強巡查管理與加固預防措施，最大程度地規(guī)避地質災害對庫區(qū)以及人民群眾生命財產的威脅。

4.2.4 水質及污染情況

無人機高空水質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，確保人員生命財產安全。

5 結 語

無人機技術在紫坪鋪水庫中的應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合圖像分析技術實現(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、地質災害監(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。