無人機搭載雙光相機探測堤防滲漏試驗分析

曹文星，張煒杰，游天宇，聶 帥，陳 哲，張友明

（江蘇省防汛防旱搶險中心，江蘇南京 211500）

江河堤防在面臨高水位行洪時，容易發(fā)生滲水、管涌、漏洞等滲漏險情。為保障堤防安全運行，必須定期開展堤防巡檢，超過警戒水位時需組織人員開展駐地巡查以及險工險段重點監(jiān)測。當(dāng)前，針對堤防滲漏險情的巡查方法仍以人工為主，不僅費時、費力，還可能因為專業(yè)知識、經(jīng)驗、責(zé)任心等方面的不足而出現(xiàn)漏檢漏查情況［1］。以無人機為平臺搭載可見光和紅外光（以下簡稱雙光）相機巡航探測堤防滲漏險情，是解決上述問題的一個重要研究方向。目前，在運用紅外熱成像進行混凝土壩滲漏探測的模擬實驗方面，國內(nèi)外已經(jīng)開展了相關(guān)研究，為堤防滲漏險情的實地試驗研究提供了理論基礎(chǔ)和參考方法。

雙光相機的可見光部分是接收環(huán)境反射的可見光進行光學(xué)成像，紅外光部分是接收堤防環(huán)境各類物體自身紅外輻射后轉(zhuǎn)換生成對應(yīng)的圖像，可以有效探測目標(biāo)區(qū)域表面溫度場分布情況。堤防表面環(huán)境中的不同類型物體，由于比熱容、熱傳導(dǎo)率、熱輻射吸收率、植物體熱時間常數(shù)等方面的差異［2］，其自身溫度隨時間的變化速度不同，從而形成了有規(guī)律的溫度場分布。開展全天24 h多天氣條件下的模擬滲漏險情識別，無人機與人工巡查效率對比，堤防表面多介質(zhì)溫度關(guān)系及演變情況等試驗研究，為使用無人機搭載雙光相機進行堤防滲漏險情探測實戰(zhàn)提供參考經(jīng)驗。

1 試驗概述

1.1 工程概況

本次試驗地點為江蘇省防汛搶險訓(xùn)練場堤防、滁河堤防南京段、長江堤防南京段。江蘇省防汛搶險訓(xùn)練場位于南京市六合區(qū)瓜埠鎮(zhèn)，演練區(qū)堤防底高程8.5 m（吳淞高程系，下同），頂高程11.5 m。長江堤防軋花廠站附近堤段堤頂寬6.0 m，草皮護坡。滁河堤防六合段堤頂高程11.2～13.0 m，堤頂寬8.0 m。試驗堤段，堤防保持竣工驗收時尺度，堤頂為瀝青路面，管理單位按照堤防工程養(yǎng)護標(biāo)準(zhǔn)，定期組織清理堤防表面雜草，植被深度小于10 cm，無禁飛區(qū)。試驗過程中，避開了有樹木、高壓線、高塔、房屋等影響航行安全的障礙物的堤段。

1.2 試驗?zāi)繕?biāo)

探索堤防滲漏險情在無人機雙光相機下的成像規(guī)律，為精準(zhǔn)識別堤防滲漏險情積累實踐經(jīng)驗，并通過反復(fù)試驗和訓(xùn)練提升使用無人機開展巡堤查險的準(zhǔn)確性和工作效率。

1.3 試驗方法

在不同天氣、溫度、濕度等條件下，對已發(fā)現(xiàn)的滲漏點和模擬滲漏點，使用無人機搭載雙光相機在指定堤段進行巡航探查，對回傳的雙光圖像進行目視觀察，發(fā)現(xiàn)疑似時利用GPS定位坐標(biāo)引導(dǎo)人工到達現(xiàn)場進行核查確認(rèn)，返航后再使用紅外分析工具對拍攝的雙光圖像進行處理，分析總結(jié)出險區(qū)域的溫度場、異常區(qū)域形狀等特征信息。

1.4 試驗設(shè)備

考慮試驗堤段巡查目標(biāo)溫度較低（一般在40℃以下），探測距離較遠（一般在15 m左右），背景輻射較為復(fù)雜，選用大疆H20T雙光相機及配套的M300RTK無人機，抗風(fēng)等級為7級［3］。此外，還使用了小型水泵、風(fēng)速儀、點溫計、大疆紅外分析工具等設(shè)備。

2 堤防常見介質(zhì)的溫度變化規(guī)律

2.1 堤防常見介質(zhì)溫度關(guān)系

通過在堤防滲漏處設(shè)置滲點（滲漏出水點）、草皮、水流（滲漏形成的地表水流）、積水、磚石等目標(biāo)，使用無人機搭載雙光相機在白天、晚上等不同時間拍攝紅外熱像圖，采集記錄各目標(biāo)介質(zhì)的區(qū)域平均溫度。

經(jīng)對比分析，晴朗天氣下，白天堤防環(huán)境中的各類材質(zhì)目標(biāo)溫度由低到高依次為滲點、草皮、水流、積水、磚石；晚間各類材質(zhì)目標(biāo)溫度由低到高依次為草皮、磚石、水流、積水、滲點，滲點溫度較其他介質(zhì)呈現(xiàn)明顯差異性。陰雨天氣和低溫天氣時，因陽光、空氣等供熱來源減弱，導(dǎo)致堤防環(huán)境中各類材質(zhì)目標(biāo)的溫度差異降低，紅外熱像圖中的溫差特征相對減弱，滲點與其他介質(zhì)溫度差異不明顯。

2.2 表面溫度隨時間演變規(guī)律

在滲漏出水區(qū)域，使用無人機搭載雙光相機每隔1 h拍攝采集1次紅外熱像圖，測量記錄圖中相同的滲水區(qū)域和非滲水區(qū)域的平均溫度。經(jīng)分析可知，在一天中隨著晝夜、光照等條件變化，水的比熱容較大，溫度變化需要吸收或散失更多熱量，溫度變化速度較慢，滲水與堤防表面的溫度高低關(guān)系存在2次反轉(zhuǎn)，一般在晝夜交替的前后產(chǎn)生，時段一般在6：30～7：30和17：00～18：00。

以上分析表明，在滲點溫度相對堤防表面差異不明顯的天氣及時段下，應(yīng)避免采用無人機搭載雙光相機巡航探測，可進行人工巡查。

3 堤防滲漏險情探測分析

3.1 滲漏險情成像的共性特征

在試驗中，滲水、管涌、漏洞等3種滲漏類險情均在紅外熱像圖中呈現(xiàn)出明顯特征，水流對應(yīng)區(qū)域的灰度連續(xù)平滑，積水對應(yīng)區(qū)域的灰度分布均勻，水流、積水區(qū)域的邊緣灰度（溫度）過渡平順。從形態(tài)走勢來看，因滲漏類險情的點發(fā)性，形態(tài)走勢多呈由上向下的擴散狀或由內(nèi)而外的外涌狀。

3.2 滲漏險情成像的個性特征

（1）滲水險情的滲出水量較小、流速較慢，常形成細(xì)條狀流動痕跡，隨著流動距離增長而擴散加寬，最終各條細(xì)流按照地表地形特點匯合形成單片或多片積水。

（2）管涌險情常發(fā)于堤基為砂土的堤防，河道高水位時水在滲透壓力作用下，經(jīng)過堤基強透水層到達堤防背水側(cè)地面，水由下往上沖破表層土壤后流出，不斷將堤基沙粒帶出。在出水點周圍沉積形成沙環(huán)，在紅外熱像圖中自內(nèi)而外呈現(xiàn)出中心涌水點、沙環(huán)區(qū)、外圍積（流）水區(qū)3個層次，在紅外熱像圖中可見明、暗、明間隔分布的圖像形態(tài)。

（3）漏洞險情與滲水險情類似，但因出水速度更快且出水量更大，會快速形成大片積水區(qū)，在紅外熱像圖中可見擴散狀大面積明亮區(qū)域。

3.3 干擾因素及應(yīng)對辦法

復(fù)雜的環(huán)境條件下，多種干擾因素影響紅外識別的準(zhǔn)確性。其中，以綠植為代表的同溫介質(zhì)和遮擋介質(zhì)，是巡堤實踐中影響險情判斷準(zhǔn)確率的最大干擾因素。綠植的長勢充滿隨機性，高低疏密排列多樣，其對應(yīng)的紅外熱像圖區(qū)域與滲水區(qū)域高度相似。在典型的堤防綠植區(qū)紅外圖像中，綠植區(qū)與滲漏區(qū)的灰度分布采用目視方法難以區(qū)分。在紅外軟件中進行溫度測量，溫度范圍高度重疊范圍同樣難以區(qū)分。而當(dāng)滲漏險情恰好發(fā)生在綠植區(qū)內(nèi)部時，由于滲水處于綠植下方，其紅外輻射基本被綠植遮擋，即使有溫度差異也無法發(fā)現(xiàn)。

針對堤防現(xiàn)場環(huán)境不利巡查的影響因素，可采取以下辦法進行處理：一是在堤防巡查作業(yè)前，應(yīng)對堤防進行清表，減少綠植、枯草等覆蓋物；二是對于堤防環(huán)境中存在的少量綠植干擾，在白天可結(jié)合可見光對比排除，在夜間滲漏水溫一般高于綠植，可擬合零星綠植的分布特點，進行綜合判斷。

4 人工和無人機查險對比分析

4.1 巡查能力

以滁河堤防（迎水、背水面各約16 m覆蓋范圍）、每2 h完成1次全面巡查作為巡查任務(wù)，按照正常休息、設(shè)備維護等要求［4］，以4人和2架無人機進行巡查速度對比。經(jīng)過實踐驗證，無人機巡查堤長約為人工的3.5倍，如表1所示。在實際作業(yè)時，人工徒步巡查體力消耗大，隨著時間推移巡查能力有所下降。

表1 人工與無人機的巡查能力對比

4.2 辨識能力

白天巡查時，光照條件好，人工和無人機可見光圖像查找險情效果接近。夜間巡查時，人工巡堤時主要依靠手提探照燈照明查找險情，燈光覆蓋范圍小，搜索查找效率不高且容易遺漏；無人機依靠紅外熱成像進行辨識查找，覆蓋范圍較全面，滲漏類險情的滲漏水流和積水在多數(shù)時段具有明顯的紅外特征，較容易辨識。

4.3 安全監(jiān)測

針對堤防險工險段定時監(jiān)測及已處置險情跟蹤監(jiān)測等特殊應(yīng)用場景，無人機通過預(yù)定航線自動定點拍照監(jiān)測，實現(xiàn)精準(zhǔn)復(fù)飛、定時監(jiān)測，不同航次拍攝照片可保持較一致的拍攝距離、角度、焦距等參數(shù)，便于對比監(jiān)測險情變化。而人工執(zhí)行上述任務(wù)時，一般需要安排人員駐點連續(xù)觀察。因此，無人機搭載雙光鏡頭巡航探測滲漏險情相較于人工巡查，在巡查能力、夜間辨識、持續(xù)監(jiān)測等方面有一定的優(yōu)勢。

5 結(jié)語

（1）在試驗條件下，滲漏險情滲出水流的紅外成像具有較明顯的溫度差異，分布形狀與實際基本對應(yīng)，區(qū)域內(nèi)部溫度分布較均勻。無人機搭載雙光相機，在晴朗的白天時，對標(biāo)準(zhǔn)管護的堤段，將紅外熱成像與可見光圖像結(jié)合。夜間單獨使用紅外熱成像，通過目視辨識方法可探測滲漏類堤防險情。

（2）在現(xiàn)有裝備和軟件條件下，無人機巡堤方式的巡查效率約為人工方式的3.5倍，且在夜間巡查、安全監(jiān)測等任務(wù)中具有獨特優(yōu)勢，信息化程度高，有效節(jié)約人力成本。

（3）無人機搭載雙光鏡頭巡航探查堤防滲漏隱患，受天氣、時段、干擾物種類及覆蓋率等因素影響較大，須進一步進行實戰(zhàn)應(yīng)用，提高其準(zhǔn)確性和工作效率。