CN111122053B - 小型水库坝体早期非稳定渗漏的检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及小型水库坝体早期非稳定渗漏的检测装置与方法，通过无人机搭载红外热像仪拍摄小型水库坝面热像图，基于温度场来判断坝体是否渗漏；如果坝体渗漏，则记录此时无人机的飞行参数和热像仪的拍照参数，以及辨识热像图低温/高温区域并计算其面积，经过合适的时间间隔，遥控无人机再次复飞至此位置，再次拍摄热像图并计算低温/高温区域面积，通过比较前后两次低温/高温区域面积大小来判断此渗漏位置是否为早期非稳定渗漏。本发明的方法和装置可高效检测小型水库坝体早期非稳定渗漏。

Description

小型水库坝体早期非稳定渗漏的检测装置与方法

技术领域

本发明涉及坝体渗漏检测的相关领域，具体为基于无人机平台的小型水库坝体早期非稳定渗漏的检测装置与方法。

背景技术

新中国成立以来，我国建成水库86992座，其中小型水库占了90％以上。由于历史原因，我国小型水库存在工程标准偏低、建设质量较差、老化失修严重、配套设施不全、缺乏良性的管理体制与机制等一系列问题，致使部分小型水库渗漏隐患严重。发现渗漏是渗漏隐患治理的前提，但是目前仍然有着较大比例的渗漏不能及时发现，尤其是小(2)型水库，主要原因如下：

(1)对于小型水库，尤其是小(2)型水库，由于数量众多，人工巡查法效率低，无法满足普检到位的要求；

(2)由于疏于维护，小型水库坝体下游面往往生长了大量植被，这些植被的存在又遮掩了渗漏部位，使得渗漏点更难被发现；

(3)大中型水库坝体中常用的渗漏监测技术，需要埋设传感器和人工定期测读，在小型水库坝体中，尤其是小(2)型水库坝体中，由于经济性原因很少被采用。

更进一步，检查和发现小型水库大坝的早期非稳定渗漏更是一个难题。早期非稳定渗漏是指处于早期发展阶段的渗漏，具有渗漏量逐渐增大而又未能形成可见水流的特点。早期非稳定渗漏具有较高的危险性，及早发现，意义重大。

由于经济原因，小型水库坝体渗漏检查最常采用的方法是人工巡检法，主要依靠人的视力，通过观察坝面是否有明显的潮湿印迹来判断坝体是否渗漏。非稳定渗漏的辨识是通过比较连续两次或多次巡查发现的渗漏范围的大小，以判断是否为非稳定渗漏。这种判定方式依赖于人的记忆力和感觉，人为影响很大，并且效率低下，实际中能够及时于早期发现的较少。

采用热像仪检查渗漏已经成为常用的技术，如地下室渗漏检查、管道渗漏检查等，方法是通过人工拍摄热像图，搜索热像图中的低温点，判别为渗漏点。该方法在小型水库坝体早期非稳定渗漏检查中无法使用的原因如下：

(1)效率低，满足不了效率要求：小型水库量大面广，目前安排人员定期巡查坝体都难以办到。因此，新的技术必须在效率上要高于人工巡查，人工拍摄热像的办法，效率较低。

(2)环境复杂、误判率高：小型水库坝体由于疏于管理和维护，普遍存在坑凹不平、积水、潮湿和植被生长等情况，这些地方往往都是低温点，按照目前的方法，判别低温点为渗漏点，则误判率较高。因为只有坝体下游面的积水是来自于库内的水，才可以判断为渗漏点，而坝体下游面的积水有可能来自于降雨等多种原因。

(3)不具备发现早期非稳定渗漏的能力：危险性较大的是非稳定渗漏，价值比较高的是发现早期非稳定渗漏。非稳定渗漏首先是渗漏，如(1)和(2)所述，人工拍摄热像图的方法发现小型水库坝体渗漏的能力较低，更不具备辨识渗漏发展阶段的能力。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了基于无人机平台实现的小型水库坝体早期非稳定渗漏的检测装置与方法，通过无人机携带检查设备，快速全面地巡检坝体下游面，通过红外热像仪拍摄坝体下游面的温度场来发现疑似渗漏部位；通过复飞并抵近拍照热像图进一步确认是否为渗漏点；通过间隔合适的时间再次复飞并拍摄渗漏点的温度场，比较低温/高温区域面积的变化来判断是否存在早期非稳定渗漏。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案。

一种小型水库坝体早期非稳定渗漏的检测方法，包括如下步骤：

(1)利用无人机携带检查设备，全面巡检坝体下游面，巡检期间通过红外热像仪拍摄坝体下游面的热像图；气温t₁＞库水温度t₂，热像图中最低温度低于阈值t₀，或t₁＜t₂，热像图中最高温度高于t₀时，报警并记录为疑似渗漏部位；继续巡检，直到完成整个坝体下游面的巡检；如巡检完成也没有警报声，则判定该坝体没有渗漏，并结束巡检；

(2)复飞并抵近疑似渗漏部位再次拍摄热像图，如果仍满足报警条件，则确定该部位为渗漏点，并计算热像图中低温区域面积(t₁＞t₂)或高温区域面积(t₁＜t₂)；

(3)间隔T时间后，重新设定温度阈值，再次复飞并抵近渗漏点拍摄热像图，计算热像图中低温/高温区域面积，对比步骤(2)和(3)中低温/高温区域面积的变化，判断是否存在早期非稳定渗漏。

作为本发明的进一步改进，所述温度阈值t₀基于气温t₁、库水温度t₂、坝体表面植被状态和阳光照射状态确定；阳光照射状态分为照射角度在±30°之间的阳光直射状态、照射角度在±30°之外的阳光偏照状态及阴天状态，表面植被状态分为有植被状态和无植被状态，温度阈值t₀计算方式如下：

t₀＝k₁t₁-k₂△t

△t＝(t₁-t₂)/2

其中△t为校正温度；k₁为阳光照射系数，直射状态k₁取值1.1，偏照状态k₁取值1.05，阴天k₁取值1.0；k₂为植被影响系数，有植被状态k₂取值0.9，无植被状态k₂取值1.0。

进一步的，库水温度t₂与空气温度t₁的差值|t₁-t₂|＞2℃。当库水温度t₂与空气温度t₁的差值小于和等于2℃时，由于该温差较小，当坝体下游面出现积水或潮湿时，难以辨别该积水或潮湿的水分是否是来自于库内的水。

作为本发明的进一步改进，库水温度t₂应取距离坝体上游面与库水面交线大于0.5m、水表面下50cm处的水体温度。

作为本发明的进一步改进，步骤(1)报警时，记录无人机的飞行参数，基于记录的飞行参数控制无人机复飞位置；

步骤(2)报警时，记录无人机的飞行参数和红外热像仪的拍照参数，基于记录的飞行参数和拍照参数控制无人机的再次复飞位置。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(1)中，设定无人机巡检线路，如果坝体高度H＜10m，则设置1条航拍线路，调整无人机的高度，使得红外热像仪的拍摄视野能够覆盖坝体整个下游面，然后沿着坝轴线方向航拍一次，完成整个坝体下游面的巡检；如果坝体高度10m≤H＜20m，则设置2条平行的航拍线路，调整无人机的高度，使得2条航拍线路的拍摄视野能够覆盖坝体整个下游面，然后沿着坝轴线方向航拍2次，完成整个坝体下游面的巡检。

作为本发明的进一步改进，在疑似渗漏部位/渗漏点处放置钢直尺，作为低温/高温区域面积计算参考；控制无人机抵近时，无人机距离坝体下游面的垂直距离为2-6m，优选3-4m；并且，再次复飞时，无人机与坝体下游面的距离要与第一次复飞时一致。基于复飞和再次复飞时两次低温/高温范围面积变化(比值)确定是否为早期非稳定渗漏，可以利用前后两次高温/低温区域像素数比值确认。采用钢直尺作为长度参考进行面积计算更精确，避免了无人机无法精确复飞带来的偏差导致结果的误判，此时以热像图中钢直尺的长度等于其总长为参考长度，采用面积积分的方法计算低温/高温范围面积。进一步的，所述钢直尺的总长度为10-50cm(非刻度长度)，优选20-30cm。

作为本发明的进一步改进，t₁＞t₂时，所述低温区域确定为热像图中数值为t_min+0.2△t的等温线以下的范围；t₁＜t₂，时，所述高温区域为热像图中数值为热像图中最高温度t_max+0.2△t的等温线以上的范围。

作为本发明的进一步改进，在非汛期时，所述T取值为2h—8h，优选4h—6h；在汛期，T取值≤2h，优选1h。

作为本发明的进一步改进，步骤(3)中低温/高温区域面积与步骤(2)中低温/高温区域面积比值大于1.1，且低温/高温区域内没有明显的积水时，确定该渗漏处为早期非稳定渗漏，其余情况则为非早期非稳定渗漏，如果有明显积水，则判别为危险渗漏。

本发明的另一目的在于提供小型水库坝体早期非稳定渗漏的检测装置，所述目的基于如下技术方案实现：

一种小型水库坝体早期非稳定渗漏的检测装置，包括无人机、红外热像仪、测距装置、钢直尺和地面遥控台；

所述无人机用于巡检，无人机上搭载红外热像仪和测距装置；

所述红外热像仪用于拍摄坝体下游面的热像图；

所述测距装置用于测量无人机与坝体下游面的垂直距离；

所述钢直尺放置于疑似渗漏部位/渗漏点，作为低温/高温区域面积计算时的长度参考；

所述地面遥控台用于控制无人机的飞行及红外热像仪的拍摄；地面遥控台内设有温度报警模块和低温/高温区域面积积分模块；所述温度报警模块获取热像图，在热像图内最低温度低于设定的温度阈值(气温t₁＞库水温度t₂)，或最高温度高于设定的温度阈值(气温t₁＜库水温度t₂)时报警并记录当前无人机飞行参数和红外热像仪的拍照参数；

所述低温/高温区域面积积分模块获取热像图，以钢直尺为长度参考，计算热像图中低温/高温区域面积。

本发明的方法和装置具有如下有益效果：

(1)效率高：采用无人机搭载红外热像仪，并且设置自动报警模块，实现远距离、大视野、快速、机动地巡检小型水库坝体，同人工徒步巡检相比，效率提高了5倍以上，尤其适合于量大面广的小型水库坝体渗漏检查；

(2)准确度高：以库水温度与气温的差值作为渗漏判别条件的主要参量，并且考虑了日照和植被的影响，抓住了坝体渗漏的本质特点；通过记录疑似渗漏点的飞行参数，自动复飞，抵近拍照，再次核验报警条件，进一步提高了渗漏点辨识的可靠性；通过自动辨识低温/高温区域，计算低温/高温区域面积，明确了渗漏影响范围，为评估坝体安全状况提供了重要依据；

(3)通过间隔合适的时间间隔复飞，再次拍摄渗漏部位温度场，计算比较低温/高温区域面积的变化，判定渗漏部位是否为早期非稳定渗漏。该方法和装置为高效率发现小型水库坝体早期非稳定渗漏提供了手段。

附图说明

图1为基于无人机平台发现小型水库坝体早期非稳定渗漏装置结构的示意图；

图2为典型的坝体渗漏可见光图和热像图，其中a为可见光图，b为复飞时拍摄的渗漏点热像图，c为再次复飞时的渗漏点热像图。

图中：1、无人机；2、红外热像仪；3、地面遥控台；4、坝体下游面；5、坝体上的疑似渗漏点和渗漏点；6、温度报警模块；7、低温/高温区域面积积分模块；8、测距装置；9、钢直尺。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1和图2所示，基于无人机平台发现小型水库坝体早期非稳定渗漏的方法，包括如下步骤：

(1)巡检准备

检查任务是检查某小型水库土坝坝体是否存在渗漏，如果渗漏则需判定其是否为早期非稳定渗漏。该坝坝高为6m。根据检查任务要求，确定起飞位置为坝体左肩；巡检线路为由坝体左肩向右肩巡检，一次完成整个坝体的巡检；无人机巡检时的高度为12m，热像仪的视野可以覆盖整个坝体的下游面；降落位置是坝体的右肩。

通过气温计测定气温t₁＝25℃，通过温度计测定距离坝体上游面与库水面交线0.6m、水表面下50cm处的水体温度t₂＝15℃；天气状况为阴天，阳光照射系数k₁取为1.0；检查坝体下游面4植被状态为有植被状态，植被影响系数k₂取为0.9；△t＝(t₁-t₂)/2＝5℃，报警温度阈值设定为t₀＝k₁t₁-k₂△t＝20.5℃。

(2)巡检

遥控无人机1从起飞位置，上升至巡检高度，使得红外热像仪2的拍摄视野能够覆盖坝体整个下游面4，然后自左至右对坝体下游面4航拍一次，完成整个坝体下游面4的巡检。巡检过程中，温度报警模块6实时读取每一帧热像图中的t_min，并计算报警条件，发现有警报声在位置5处发出，则确定位置5为疑似渗漏点，并自动记录此时无人机1的飞行参数；然后继续巡检，完成了整个坝体下游面4的巡检，没有警报声再次发出。

(3)复飞

根据记录的疑似渗漏点5的无人机1飞行参数，复飞到疑似渗漏点5，在该位置处放置钢直尺9，控制无人机1抵近，通过测距装置8准确测定无人机与坝体下游面的距离，通过反馈调整，使得无人机与坝体下游面的垂直距离为3.5m。然后悬停拍照。通过拍摄的热像图，经温度报警模块6核验，该部位仍然满足报警条件，则确定该处为渗漏点，并记录此时无人机1的飞行参数和拍照参数，且通过低温/高温区域面积积分模块7辨识出低温区域S₁，如图2(b)所示，并以钢直尺9长度作为参考计算出低温区域面积A₁。

所述低温区域为热像图中数值为热像图中最低温度t_min+1℃等温线以下的范围。

(4)再次复飞

距离复飞结束后4h，重新测量气温t₁＝26℃，重新确定阳光照射状态仍为阴天，则重新计算△t＝5.5℃。然后根据复飞时记录的渗漏点5位置的飞行参数和拍照参数，控制无人机1再次复飞到渗漏点5，在该位置放置钢直尺9，并调整无人机，使得无人机与坝体下游面的垂直距离仍为3.5m，悬停拍照，然后通过低温/高温区域面积积分模块7辨识低温区域S₂，如图2(c)所示，并以钢直尺9长度作为参考计算低温区域面积A₂。

所述低温区域为热像图中数值为热像图中最低温度t_min+1.1℃等温线以下的范围。

通过比较，A₂/A₁＝0.98<1.1，且该处没有明显积水，则判断该处为渗漏点，但不属于早期非稳定渗漏。

所述无人机1为大疆M210V2型无人机，所述红外热像仪2为大疆XT2型热像仪，所述地面遥控台3用于控制无人机1的飞行及红外热像仪2的拍摄；地面遥控台3还包含温度报警模块6和低温/高温区域面积积分模块7，其中，获取热像图，在热像图内最低温度低于设定的温度阈值时报警并记录当前无人机飞行参数和红外热像仪的拍照参数；低温/高温区域面积积分模块7获取热像图，以钢直尺为长度参考，计算热像图中低温区域面积，钢直尺的总长度为20cm。

本实施例中：所述温度计的精度为0.01℃，量程为-20℃—100℃，用于测量和记录温差。

所述红外热像仪2的温度分辨率为0.05℃，用于拍摄坝体下游面的温度场。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能认为用于限定本发明的实施范围。凡依据本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (11)

1.一种小型水库坝体早期非稳定渗漏的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用无人机携带检查设备，全面巡检坝体下游面，巡检期间通过红外热像仪拍摄坝体下游面的热像图；气温t₁＞库水温度t₂，热像图中最低温度低于设定的阈值t₀，或t₁＜t₂，热像图中最高温度高于t₀时，报警并记录为疑似渗漏部位；

(2)复飞并抵近疑似渗漏部位再次拍摄热像图，如果仍满足报警条件，则确定该部位为渗漏点，并计算t₁＞t₂时热像图中低温区域面积或t₁＜t₂时的高温区域面积；

(3)间隔T时间后，重新设定温度阈值，再次复飞并抵近渗漏点拍摄热像图，计算热像图中低温/高温区域面积，对比步骤(2)和(3)中低温/高温区域面积的变化，判断是否存在早期非稳定渗漏；当步骤(3)中低温/高温区域面积与步骤(2)中低温/高温区域面积比值大于1.1，且低温/高温区域内没有明显的积水时，判别该渗漏点为早期非稳定渗漏。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，温度阈值t₀基于气温t₁、库水温度t₂、坝体表面植被状态和阳光照射状态确定；阳光照射状态分为照射角度在±30°之间的阳光直射状态、照射角度在±30°之外的阳光偏照状态及阴天状态，表面植被状态分为有植被状态和无植被状态，温度阈值t₀计算方式如下：

t₀＝k₁t₁-k₂Δt

Δt＝(t₁-t₂)/2

其中Δt为校正温度；k₁为阳光照射系数，直射状态k₁取值1.1，偏照状态k₁取值1.05，阴天k₁取值1.0；k₂为植被影响系数，有植被状态k₂取值0.9，无植被状态k₂取值1.0。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，库水温度t₂取距离坝体上游面与库水面交线大于0.5m、水表面下50cm处的水体温度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)报警时，记录无人机的飞行参数，基于记录的飞行参数控制无人机复飞位置；

步骤(2)报警时，记录无人机的飞行参数和红外热像仪的拍照参数，基于记录的飞行参数和拍照参数控制无人机的再次复飞位置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，设定无人机巡检线路，如果坝体高度H＜10m，则设置1条巡检线路，调整无人机的高度，使得红外热像仪的拍摄视野能够覆盖坝体整个下游面，然后沿着坝轴线方向航拍一次，完成整个坝体下游面的巡检；如果坝体高度10m≤H＜20m，则设置2条平行的航拍线路，调整无人机的高度，使得2条航拍线路的拍摄视野能够覆盖坝体整个下游面，然后沿着坝轴线方向航拍2次，完成整个坝体下游面的巡检。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在疑似渗漏部位/渗漏点处放置钢直尺，作为低温/高温区域面积计算参考；无人机距离坝体下游面的垂直距离为2-6m，优选3-4m；再次复飞时，无人机与坝体下游面的距离与第一次复飞时一致。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，无人机距离坝体下游面的垂直距离为3-4m。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，t₁＞t₂时，所述低温区域为热像图中数值为热像图中最低温度t_min+0.2Δt的等温线以下的范围；t₁＜t₂，时，所述高温区域为热像图中数值为热像图中最高温度t_max+0.2Δt的等温线以上的范围。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在非汛期时，所述T取值2h—8h；在汛期时，T取值≤2h。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在非汛期时，所述T取值4h—6h；在汛期时，T取值1h。

11.一种小型水库坝体早期非稳定渗漏的检测装置，其特征在于，包括无人机，红外热像仪、测距装置、钢直尺和地面遥控台；

所述无人机用于巡检，无人机上搭载红外热像仪和测距装置；

所述红外热像仪用于拍摄坝体下游面的热像图；

所述测距装置用于测量无人机与坝体下游面的垂直距离；

所述钢直尺放置于疑似渗漏部位/渗漏点，作为低温/高温区域面积计算时的长度参考；

所述地面遥控台用于控制无人机的飞行及红外热像仪的拍摄；地面遥控台内设有温度报警模块和低温/高温区域面积积分模块；所述温度报警模块获取热像图，在气温t₁＞库水温度t₂，热像图内最低温度低于设定的温度阈值；或气温t₁＜库水温度t₂，最高温度高于设定的温度阈值时报警并记录当前无人机飞行参数和红外热像仪的拍照参数；

所述低温/高温区域面积积分模块获取热像图，以钢直尺为长度参考，计算热像图中低温/高温区域面积。

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