无人机在黄河工程建设中的应用

周万军 ，马晓静 ，马 强

（1.山东黄河河务局，山东 济南 250011；2.山东大学工程管理与控制学院，山东 济南 250000；3.山东黄河河务局工程建设中心，山东 济南 250000）

当前国家正大力提倡支持科技创新，并在各行各业推进信息化以及智能化的发展。随着无人机技术的不断发展，其在不同行业的应用也不断增多，通过将无人机应用于黄河防洪工程建设监管，可以方便监管者对工程建设全过程有更加直观的掌握，从而实现对工程现场的全方位监管，可以最大程度地提高监管效率，减少人力物力财力的浪费。

1 无人机监管系统概述

近年来，随着无人机技术逐渐成熟，且考虑到其安全性、高性价比以及机动性等优点，越来越多的专业项目开始采用无人机来代替人力完成，其最大的作用就是实现对地面信息的空中采集。通过无人机携带的高清摄像头以及GPS定位系统等设备，可以实现对地面信息的实时采集并回传至地面站，再配以相应的影像数据处理软件，可以实现对所采集影像数据的数字化处理，从而实现数字化、智能化监管。

黄河防洪工程建设监管的主要任务有：一是保证工程现场施工设备等的安全运行；二是保证施工人员按照各项规章制度和技术标准来实现工程的正常实施；三是保证施工现场施工进度。为了实现以上3项主要任务，在黄河防洪工程建设中采用了无人机监管系统来替代人力完成部分工作，本系统所采用的无人机监管方式，主要流程如下：

1）人工提前对待监管地区进行航迹规划，并将无人机巡检路线提前载入到无人机飞控。

2）无人机按照预设的时间定时起飞，并按照预设航线和作业方式自主导航进行作业，作业过程中可实现智能避障。

3）无人机将采集的影像实时传输至智能起落站中转，最终至控制室操作中心并上传至云端。

4）巡检任务完成或电池续航能力不足时无人机自动返回智能起落站并更换电池。

5）回传影像至上位机经软件处理后可得到工程管理所需数据，监管人员也可直接观看无人机采集的影像信息实现远程临场监管。

6）作业过程中可由人工更改飞行路径，比如可以实时进行感兴趣区域的补拍、兴趣点环绕等。

2 无人机监管系统设计

2.1 数据采集模块

数据采集模块是整个系统的核心模块，主要由无人机及其搭载的数据采集装置及相关设备组成，其主要功能是通过搭载的高清摄像头等设备对施工现场进行影像数据采集，并通过无线图传数传等数据传输模块将采集的数据实时传输至地面站及控制中心。

本系统选用大疆创新公司生产的经纬M100无人机作为开发平台，该无人机向开发者开放软件开发工具包 （Software Development Kit，SDK），通过其提供的开放式硬件接口以及软件应用编程接口，可以自己设计无人机的外接硬件并通过编写程序调用SDK实现对无人机的二次开发，从而实现不同功能。通过M100无人机，可以不必在无人机的飞行姿态等基础技术上耗费过多的时间和精力，将更多的精力放在系统所需功能的实现上。本系统要求无人机具有自主导航、智能避障、实时信息采集及传输等功能，通过对M100无人机的二次开发，可以实现以上功能。

2.2 数据传输与存储模块

数据的传输与存储模块是连接数据采集模块和数据处理模块的桥梁，高效稳定的数据传输可以保证系统工作的实时性和高效性，而可靠的数据存储则可以为数据处理提供数据支持。

本系统选用大疆的Lightbridge高清图像传输系统作为无人机与地面站之间的图像传输模块，其图像传输距离可以达到5.0 km，再加以分布在工地附近的数据传输中继模块，可以将数据通过分级传输的方式实时传输至地面站。

数据的存储可以分为实时数据存储和历史数据存储：实时数据存储是指无人机携带的高清摄像头采集的现场信息可以存储在自带的存储卡内部，但这样的存储方式存储容量有限，只能存储短时间的数据；历史数据存储是指将无人机实时回传至地面站的数据上传至云空间，这样既可以实现数据的安全存储，也可以为将来形成黄河防洪工程建设大数据打下一定的数据基础。

本系统还搭配有无人机智能起落站，可以为无人机自动起落、无人机保护等功能提供地面支持，从而真正实现监管系统的无人值守。对于无人机的自动起飞，选用STM32嵌入式开发板作为机载设备与无人机飞控进行通讯，在预设时间实现对无人机自动起飞SDK的调用。而当无人机飞行任务结束时，通过GPS定位和视觉定位相结合的方式实现无人机的二级定位，从而保证无人机能够精准降落至起落站预设区域。

为了保证无人机的长时间无人化作业，智能起落站还具有无人机自动续航功能。目前常见的无人机自动续航方法主要有自动更换电池和自动充电2种方式，考虑到自动充电的技术难度以及充电时间成本，最终选用自动更换电池的方法实现自动续航。本系统选用的无人机电池采用卡扣式固定在无人机电池仓内，当无人机精准降落至智能起落站之后，通过相应的机械装置将其固定防止出现位移，进而通过机械抓手实现对馈电电池的取出并放至充电插板上，然后将充满电的电池插入无人机电池仓，完成电池的自动更换。

2.3 数据处理模块

数据处理模块是整个系统的大脑，主要是应用遥感数据处理软件来实现对无人机所采集的影像数据的处理，从而得到施工现场的二维数据及三维数据，进而对相关数据进行分析，得到黄河防洪工程建设相关的工程数据，真正实现黄河防洪工程建设的数字化监管。

为了保障本系统的长期稳定运行，并且便于系统后期对遥感影像数据处理软件的二次开发以生成专门针对黄河遥感信息处理的软件平台，本系统选用航天宏图公司研发的遥感数据处理软件PIE作为数据处理软件。

数据处理功能主要是通过对无人机所采集的影像数据进行畸变差纠正及拼接处理，进而通过空三加密，生成数字正射影像图、数字高程模型等，从而供使用者进行数据分析与处理。

目前已经将该数据处理软件应用于影像去雾霾、三维地形景观构建、影像数据拼接等不同方面，通过这些不同功能，可以进一步生成监管者所需的地形面积、体积等现场数据，有利于实现监管的智能化、数字化。

3 结语

将无人机应用于黄河防洪工程建设监管过程中，是一项极具创新性的课题，该系统集自动化与智能化于一体，可以极大程度上提高监管者的工作效率，降低工程监管中的人力物力财力支出，提高工程实施人员的工作质量。

[1] 刘向阳.山东黄河水利工程管理机制研究[D].山东师范大学,2015.

[2] 张凤,孙哲,孟彬.一种基于特征点的移动机器人路径规划算法 [J].Journal of Shenyang Jianzhu University Naturalence,2009,25(6)：1212-1216.