在自然災(zāi)害頻發(fā)的今天，堤防作為抵御洪水侵襲的重要屏障，其安全性能至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的人工巡檢方式不僅效率低、風(fēng)險(xiǎn)高，而且在面對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)往往力不從心，尤其是在植被茂密、地形復(fù)雜的區(qū)域，滲漏、管涌等險(xiǎn)情隱患如同潛伏的“水怪”難以捉摸，導(dǎo)致潰堤風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)有地球物理探測(cè)技術(shù)雖有一定效果，但對(duì)復(fù)雜自然場(chǎng)景下的適用性仍面臨挑戰(zhàn)。
然而，這一切正在悄然改變。近日，中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院甘肅省災(zāi)害防治智能裝備及大數(shù)據(jù)行業(yè)技術(shù)中心提出了一種基于無(wú)人機(jī)熱紅外成像與深度學(xué)習(xí)的堤防險(xiǎn)情隱患高效檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)人工巡檢到智能無(wú)人機(jī)巡檢的跨越，并成功應(yīng)用實(shí)時(shí)邊緣計(jì)算技術(shù)，為防洪減災(zāi)提供了智能化巡檢的創(chuàng)新技術(shù)方案。相關(guān)論文發(fā)表于《水資源研究》。
團(tuán)隊(duì)野外試驗(yàn)合影。西北生態(tài)環(huán)境資源研究院供圖。
無(wú)人機(jī)+AI：堤防巡檢的“火眼金睛”
堤防巡檢是一項(xiàng)與時(shí)間賽跑的任務(wù)。每年夏季，洪水來(lái)勢(shì)洶洶，巡檢人員需要在短時(shí)間內(nèi)完成大范圍的堤防檢查。2021年，應(yīng)急管理部、工業(yè)和信息化部以及科學(xué)技術(shù)部三大部委根據(jù)國(guó)家需要聯(lián)合發(fā)布了揭榜攻關(guān)項(xiàng)目，堤防險(xiǎn)情檢測(cè)正是其中之一。
西北生態(tài)環(huán)境資源研究院正高級(jí)工程師羅立輝回憶道：“那時(shí)我們意識(shí)到，必須找到一種更高效、更精準(zhǔn)的巡檢方式。”于是，團(tuán)隊(duì)將目光投向了無(wú)人機(jī)與人工智能技術(shù)的結(jié)合。無(wú)人機(jī)如同長(zhǎng)了翅膀的“偵探”，能夠輕松飛越復(fù)雜地形，而人工智能技術(shù)則賦予了它“慧眼”，能夠智能識(shí)別并分析地面情景。
針對(duì)堤防滲漏、管涌災(zāi)害的隱蔽性和隨機(jī)性，研究團(tuán)隊(duì)提出了“空-天-地”協(xié)同的智能巡檢體系。這一體系不僅涵蓋了低空中的無(wú)人機(jī)巡檢，未來(lái)還計(jì)劃結(jié)合衛(wèi)星、機(jī)器狗、無(wú)人船及水下傳感器等多源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全方位的智能巡檢。
為了構(gòu)建這一智能巡檢體系，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的模擬實(shí)驗(yàn)，收集了涵蓋晴雨晝夜、不同植被覆蓋及地形場(chǎng)景的5995張熱紅外圖像，構(gòu)建了堤防滲漏數(shù)據(jù)集。羅立輝表示：“這一數(shù)據(jù)集為后續(xù)的深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。”
無(wú)人機(jī)掛載熱紅外傳感器，能夠捕捉物體因溫度差異發(fā)出的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)化為可視化圖像。這一技術(shù)不僅能穿透植被覆蓋，發(fā)現(xiàn)堤防內(nèi)部的溫度異常區(qū)域，還能通過(guò)對(duì)比不同時(shí)間和天氣條件下的熱紅外圖像，分析堤防的穩(wěn)定性變化。
“熱紅外成像技術(shù)就像給無(wú)人機(jī)裝上了一雙‘火眼金睛’，能夠發(fā)現(xiàn)人眼看不到的隱患。”羅立輝解釋道，“而人工智能則是這雙眼睛背后的‘大腦’，能夠智能分析圖像，精準(zhǔn)識(shí)別險(xiǎn)情。”
無(wú)人機(jī)+AI野外試驗(yàn)。西北生態(tài)環(huán)境資源研究院供圖。
AI賦能：搭建智能數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)識(shí)別
然而，僅僅依靠無(wú)人機(jī)拍攝圖像并進(jìn)行后期分析，仍然無(wú)法滿足防洪減災(zāi)的實(shí)時(shí)性需求。為此，研究團(tuán)隊(duì)引入了邊緣計(jì)算技術(shù)，將GPU計(jì)算模塊直接搭載在無(wú)人機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)堤防險(xiǎn)情隱患的即時(shí)識(shí)別與響應(yīng)。
“邊緣計(jì)算技術(shù)的核心在于實(shí)時(shí)性。”羅立輝解釋道，“無(wú)人機(jī)在飛行中捕獲的圖像和視頻數(shù)據(jù)，能夠被迅速傳遞至搭載邊緣計(jì)算功能的小型設(shè)備中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，顯著提升了應(yīng)急響應(yīng)速度。”
經(jīng)過(guò)人工智能的訓(xùn)練，模型能夠識(shí)別溫度異常區(qū)域的形狀、大小和分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在險(xiǎn)情隱患的快速準(zhǔn)確檢測(cè)。平均檢測(cè)精度達(dá)到了97.7%，單張圖像處理僅需0.015秒。這意味著無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中可以實(shí)時(shí)地捕捉到滲漏區(qū)域，為后續(xù)的應(yīng)急響應(yīng)提供了寶貴的時(shí)間窗口。
“在團(tuán)隊(duì)的持續(xù)探索與不懈努力下，我們成功將無(wú)人機(jī)技術(shù)、熱紅外傳感器與邊緣計(jì)算創(chuàng)新性地融合在一起。”羅立輝說(shuō)道，“這一過(guò)程并非靈感乍現(xiàn)的產(chǎn)物，而是建立在無(wú)數(shù)次試驗(yàn)、不斷遭遇失敗、再堅(jiān)持不懈地重新試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上。”
無(wú)人機(jī)集成邊緣計(jì)算套件實(shí)時(shí)智能巡檢。西北生態(tài)環(huán)境資源研究院供圖。
AI技術(shù)：防洪減災(zāi)的“智慧大腦”
從“人巡”到“機(jī)巡”，羅立輝和他的博士生陳白麗和段群滔通過(guò)無(wú)人機(jī)與AI技術(shù)的結(jié)合，為防洪減災(zāi)工作帶來(lái)了革命性的變革。這一智能巡檢體系具有全天候適應(yīng)性、高效實(shí)時(shí)性、場(chǎng)景普適性等突出優(yōu)勢(shì)。
目前，相關(guān)技術(shù)已在長(zhǎng)江流域、淮河流域及鄱陽(yáng)湖區(qū)域成功實(shí)施了試點(diǎn)應(yīng)用，并積極參與了2024年應(yīng)急安全裝備區(qū)域行的實(shí)戰(zhàn)演練活動(dòng)。應(yīng)急管理部隨后組織的驗(yàn)收工作中，團(tuán)隊(duì)收獲了諸多積極反饋，成效顯著。
“我們?cè)陂L(zhǎng)江中下游的部分堤防段進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，效果非常好。”羅立輝自豪地說(shuō)道，“無(wú)人機(jī)能夠在幾分鐘內(nèi)完成大范圍巡檢，AI模型能夠精準(zhǔn)識(shí)別隱患，邊緣計(jì)算技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)預(yù)警，大幅提升了應(yīng)急響應(yīng)速度。”
此外，該智能巡檢體系還具有廣泛的適用性。研究團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)江、淮河、鄱陽(yáng)湖等不同地質(zhì)條件的堤防段進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。這意味著該體系可以在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行大范圍推廣和應(yīng)用，為堤防的安全運(yùn)行提供有力保障。
“AI技術(shù)不僅在堤防裂縫、動(dòng)物洞穴等檢測(cè)方面展現(xiàn)出色，更具備在鐵路、公路、電力設(shè)施、輸油管線、大壩等眾多行業(yè)廣泛應(yīng)用的巨大潛力。”羅立輝說(shuō)道，“我們希望通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，為更多的行業(yè)帶來(lái)智能化變革。”
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1029/2024WR038931
本文鏈接：從實(shí)驗(yàn)室到堤防線：無(wú)人機(jī)AI“慧眼”守護(hù)江河安瀾http://www.lensthegame.com/show-11-17600-0.html
聲明：本網(wǎng)站為非營(yíng)利性網(wǎng)站，本網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻(xiàn)，不代表本站觀點(diǎn)，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任。天上不會(huì)到餡餅，請(qǐng)大家謹(jǐn)防詐騙！若有侵權(quán)等問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除處理。