基于无人机VR全景的水域岸线监管数字孪生系统研究
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作者:张钟海 管林杰
摘要：目前，人工巡查、自动监测站、无人机、卫星遥感等监测手段已广泛应用于河湖岸线监管业务，但这些成果数据的展示与管理仍存在展示形式单一、不能反映岸线真实场景、无法掌控岸线全局等问题。为提升监测数据管理能力，提出了一种数字孪生系统，通过无人机获取河道及其岸线的全景图及全景视频，并结合VR技术，实现水域岸线监管，提供VR全景下的岸线综合展示、实时监测、远程控制、模拟仿真等功能，并实现室内无人机视角下的水域岸线虚拟巡查，有效解决真实场景大范围、广视角下的监管难题。研究成果可应用于河湖长制巡河、岸线监管等水利业务中。
关键词：水域; 岸线监管; 无人机; 全景VR; 数字孪生
中图法分类号：P237 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.019
文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0102 - 05
0 引 言
水域岸线是指河流（湖泊）两侧（周边）水路边界一定范围内的带状区域，具有行洪调蓄、维护河流健康和土地利用等属性[1]。在河长制建设中，中国明确提出了要加强河湖水域岸线的管理保护，加强岸线监管、建立河湖日常监管巡查制度等工作要求[2]。岸线监管存在点多、面广、工作量大的特点，是一项复杂的系统工程[3]。当前，除了传统的人工巡查、自动监测站外，l星遥感[4]、无人机[5]等监测手段也越来越普及，这些措施大大提高了岸线监测效率。但目前对这些监测数据的管理仍停留在地图展示及图表管理阶段，且存在展示形式单一、不能反映岸线真实场景、无法掌控岸线全局等缺点。在应用系统中克服这些缺陷具有重要的现实意义。当前，数字孪生作为解决虚实之间双向映射、动态交互、实时连接的新技术，备受社会各界的广泛关注[6]，因此，本文提出通过无人机采集岸线的全景图及全景视频，并结合VR技术，构建了水域岸线监管的数字孪生系统。该系统提供岸线全景VR场景下的涉水要素叠加展示、交互查询、实时监测、远程控制、模拟仿真等功能，能够实现河湖水域岸线的数字孪生管理，满足水行政管理部门水域岸线监管需求[7]。
1 系统总体设计
1.1 设计思路
首先使用无人机搭载的高清摄像机或全景视频摄影机沿着河湖岸线进行航拍，再经过匀光调色、图形拼接等操作后，制作完成河湖水域岸线的无人机全景场景[8]。通过Web端的全景组件，实现无人机全景图及全景视频的浏览与管理，并在这些河湖水域岸线场景下，叠加河湖岸线数据、涉水工程分布、前端感知设备分布、涉水问题分布等空间信息，同时结合VR眼镜或头盔，在无人机VR全景下，进行各涉水要素的基本信息、实时信息、告警信息等的查询、展示、地图互操作，以及对数字孪生体的远程控制、模拟仿真等功能，实现河湖水域岸线的数字孪生管理，可应用于河湖长制巡河、岸线监管等水利业务中。
1.2 总体架构设计
系统的总体架构从逻辑上可分为6层，从下至上依次为物联感知层、基础设施层、数据资源层、业务应用层、展示层、用户层，如图1所示。
（1） 物联感知层。运用物联网技术，通过接入河湖水域岸线关联的雨量站、水位站、流量计、水质站、视频监测站等感知设备，实现水雨情实时监测、水质实时监测、视频实时监控。同时，利用无人机搭载高清摄像机或全景视频摄影机，获取岸线的全景图及全景视频，为上层服务提供基础数据资源。
（2） 基础设施层。为系统提供网络及硬件环境支撑，主要包括互联网、4G网络、自建专网等通信链路，以及显示器、服务器、存储设备、网络设备（路由器、交换机等）、安全设备（防火墙、安全审计等）等硬件设备。
（3） 数据资源层。为系统提供数据存储及管理服务，包括无人机全景数据、基础地理数据、业务数据、实时数据和告警数据等。其中，无人机全景数据包括无人机全景图和全景视频，主要由无人机搭载的摄像头获取;基础地理数据包括岸线、涉水工程、前端感知设备、涉水问题等内容;业务数据指涉水工程、涉水问题等基本信息和详情信息，如问题的描述、处置过程、结果等;实时数据由前端的感知设备采集，当设备的监测值超过预设的告警阈值时，系统将产生告警信息。
（4） 业务应用层。提供系统的主要业务应用，通过无人机全景场景，结合VR和数字孪生技术，实现全景VR场景管理、岸线综合展示、实时监测、轨迹地图联动、远程控制、模拟仿真等功能。
（5） 展示层。通过Web端浏览器向用户展示系统的各项功能，同时可结合VR眼镜或头盔等设备，实现岸线虚拟场景中的数据浏览与查询。
（6） 用户层。系统主要面向涉水管理部门进行日常岸线监管，指挥决策人员进行全局概览以把控河湖岸线总体情况，并可供外部体验人员进行VR体验参观。
2 无人机全景
2.1 无人机全景图采集
无人机航拍前，需要对飞行器进行调试，确认飞机是否能正常起飞、电池和备用电池电量情况、拍摄地点天气是否良好以及地形地貌情况、是否存在禁飞（如国家军事区、机场周围、变电站信号干扰）等安全因素[9]。
无人机起飞拍摄后，飞行高度尽量维持在50～120 m，也可视拍摄地情况而定，以拍摄画质清晰为宜。全景图拍摄时，一般要求：① 在水平方向上，摄像头依次旋转45°角连续拍摄8张照片，并保障相邻2张照片有25%的重合角度;② 使摄像头向下45°，依据水平方向的拍摄方法，再拍摄一圈8张照片;③ 使摄像头再向下25°拍摄一圈4张照片;④ 摄像头竖直向下拍摄1张照片。在拍摄过程中，需保持无人机定点悬停，即无人机位置不变，只旋转无人机上的摄像头拍摄角度。
若无人机上搭载的是包含上下两个全景摄像头的全景视频摄影机，则可用于采集现场 360°全景视频，能保证视场的全方位覆盖，并能够实时将上下两个摄影机的图像进行无缝连接，形成完整的球形影像。
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