★智慧城市典型案例展示★
大型水库实景三维与智慧巡查关键技术探索性应用
马朝威 贾高 黄鹤 毛征科
航天规划设计集团有限公司
北京建筑大学
北京四维益友信息技术有限公司
一、建设背景
中国，是一个水资源时空分布不均的国家，而水资源是决定国家发展与民族复兴的重要战略资源之一。如何解决水资源的分布不均的问题，水库作为主要的调节措施，其存在具有重要的意义。
据水利部公布的数据显示，截止到目前，我国共有水库9.49万个，而水库污染事故高发且每年都在1700起以上。当前我国水库水源地水质有近11％的不达标，严重制约了水库相关地区经济发展和损害人民群众生命财产安全。
2014年北京市人民政府办公厅关于印发《进一步加强密云水库水源保护工作的意见》的通知，以保障首都水源安全、加强生态文明建设为主线，以保水质、惠民生、促转型为重点。严格规范水库一级保护区各项人为活动，严禁无证捕捞，严禁从事垂钓、烧烤、观光、游玩等活动，严禁新建与水源保护无关的各类设施。
密云水库作为亚洲最大的人工湖，也是首都北京及其京津冀区域的重要饮用水源与水资源战略储备基地，承担着保障首都水源安全与生态文明建设的重大责任。目前密云水库作为旅游景区，每年外来游客众多，因此进入水库的人员复杂，对于水库水源的安全难以保障。随着大型水库库区内外生态环境日益改善及周边旅游业的快速发展，非法进入库区内游玩、捕鱼和盗采等违规违法现象频发，导致水库的正常管理运维工作难以有效进行，其中“发现难、取证难、反应慢”的三大主要痛点已成为制约管理者进行合规执法工作的关键瓶颈。因此迫切需要发展新的理论、方法和技术，实现饮用水水源水库智慧巡查与执法。
二、建设内容
1.建设目标
本研究以落实《进一步加强密云水库水源保护工作的意见》为政策导向，围绕“保障首都水源安全、加强生态文明建设”的核心任务，针对当前水库管理中存在的监管盲区大、人员进入复杂、违法行为隐蔽性强、执法响应滞后等难点痛点问题，提出建设一套基于无人机、实景三维、数字孪生、AI图像识别与GIS技术融合的智慧巡查系统，实现对密云水库及周边区域的全方位、全天候、高精度立体感知与智能监管。
2.总体架构
围绕“智能感知-数据融合-分析决策-持续优化”的主线展开，构建了一套“人-机-云”协同的智能巡查机制，通过无人机巡航、智能视频监控和物联网传感设备的融合，实现了对库区全域的实时监测能力。在执法环节打通"发现-取证-处置"全流程闭环管理。通过各级别的数据共享机制，最终形成"监测精准化、预警智能化、处置高效化、管理协同化"的智慧执法新模式，实现水库管理从被动响应到主动防控的转型升级，为水域生态保护提供可持续的技术支撑。
图1 整体框架
3.主要建设内容
3.1 构建“人-机-云”深度融合的协同巡查方法
针对传统巡查模式效率低、覆盖不足的问题，提出“人-机-云”协同巡查机制，融合地面巡查人员、无人机及云端智能分析，构建空地一体化的立体感知网络。通过动态任务调度、多源数据实时融合与智能决策反馈，实现巡查效率与精度的协同优化。
3.2 研发了无人机新型感知硬件
针对无人航空器在我国北方雨雪、大风、高空和高寒等极端环境下需面临的实时响应、信息不完整等挑战，结合无人飞行器总体布局设计技术和人工智能技术，研发了E6A型高效垂直起降小型长航时固定翼无人机，集成昼夜光电载荷、备用电池组及多功能任务模块，具备了常态化多任务执行能力。
图2 E6A型无人机可变翼布局与两套动力系统方案，图左无人机旋翼收起，图右无人机旋翼展开。
3.3 建立大型水库实景三维快速生成方法
针对传统三维重建方法及NeRF在处理无人机航拍数据时存在的泛化能力弱、计算效率低以及动态目标造成的伪影等问题，提出了3DGS与深度约束融合的实景三维快速重建以及TDOM生成算法，实现了无人机数据驱动的大规模实景三维重建与TDOM生成；提出了结合语义信息BRIEF的动态物体检测与去除算法，确保最终生成的三维模型与正射影像无动态残留。
3.4 构建大型水库全要素执法目标智能识别方法
针对大型水库普遍存在的智能化监管水平不足、依赖人工巡查效率低下的问题，研发了异常行为智能识别系统、动态场景中船号识别系统和重点人员面部信息识别系统，实现了从“被动响应式人工巡查”到“主动智能预警与精准响应”的跨越。
4.典型应用场景
本项目技术已经成功应用于密云水库一级保护区的执法保障。在密云水库应用期间，智慧巡查系统执飞295架次，飞行19204公里，发现违法线索172人次，记录了多种新型违法形态。
三、创新亮点
1.构建“人-机-云”深度融合的协同巡查方法
针对传统人工巡查模式存在发现难、取证难、反应慢问题，提出“人-机-云”协同巡查方法，通过一张图融合技术，将地面巡查人员、无人机巡查力量与云端智能分析系统进行有机整合，实现大型水库全要素时动态可视化展示。
1.1 构建了“一张图”双向交互系统
针对移动端与桌面端数据孤岛问题，提出多端一体化协同感知架构。通过构建双平台无缝对接的“一张图”系统，实现PC端与移动APP（Harmony OS/Android/iOS）的指令同步与数据融合；设计巡查人员与渔民的双向信息交互协议，支持实时数据采集、数据回传与预警实时推送，形成“人-机-云”闭环反馈链路，人员平均通信时间由3分钟缩短至5秒。
图3 一张图系统
1.2 打造了空地一体化的感知网络
针对于人工巡查存在效率低、覆盖范围有限、安全风险高等问题，构建了空地一体化的智能网络感知方法，通过平台融合、网络融合、通信融合等关键技术手段，将无人机以及巡查资源和相关业务流、数据流和管理流相互融合，形成“一张网”的综合感知与全链条协同巡查解决方案，平均巡查库区时间由4小时下降至1.5小时。
1.3 开发了基于数字孪生的智能预警及调度平台
针对于大型水库管理中存在预警机制缺失、风险识别滞后、指挥效率低等问题，开发基于数字孪生的智能预警及调度平台，构建了集实时监测、风险评估、自动预警与辅助决策于一体的全流程智能管理系统，满足对大型水库的全面感知与异常事件预警及精准调度，实现事后执法向事前预防的转型。
图4 基于数字孪生的智能预警及调度平台
2.研发了无人机新型感知硬件
针对无人航空器在我国北方雨雪、大风、高空和高寒等极端环境下需面临的实时响应、信息不完整等挑战，结合无人飞行器总体布局设计技术，研发了E6A型高效垂直起降小型长航时固定翼无人机，集成昼夜光电载荷、备用电池组及多功能任务模块，具备了常态化多任务执行能力。
图5 E6A型无人机执行任务时飞行状态
针对北方雨雪、高空和高寒等极端环境中无人机起降与巡航性能矛盾，创新性提出可变翼无人机与双动力系统，通过无人机旋翼收放控制机构和收放系统以及螺旋桨桨叶锁定机构，实现了旋翼动力装置在展开工作模式和回收待命模式间主动切换。可在展开垂直起降和回收巡航两种模式间主动切换：起降时，旋翼提供升力实现无跑道起降；巡航时，旋翼自动回收，切换为固定翼模式。
3.建立大型水库实景三维快速生成方法
针对传统三维重建方法及NeRF在处理无人机航拍数据时存在的泛化能力弱、计算效率低以及动态目标造成的伪影等问题，提出了3DGS与深度约束融合的实景三维快速重建以及TDOM生成算法，实现了无人机数据驱动的大规模实景三维重建与TDOM生成；提出了结合语义信息BRIEF的动态物体检测与去除算法，确保最终生成的三维模型与正射影像无动态残留。
3.1 搭建了3DGS与深度约束融合自动建模框架
针对传统三维重建方法及NeRF在处理无人机航拍数据时存在的泛化能力弱、计算效率低等问题，提出了一种融合3DGS与深度约束的实景三维快速重建与TDOM生成算法。结合3DGS在几何表达与渲染效率上的优势，引入深度约束机制，提升了模型对复杂场景的适应能力和重建精度。
图6 经过3DGS与深度约束融合的自动化建模框架技术处理过的影像
3.2 设计了融合语义信息的BRIEF特征动态物体检测与去除算法
针对无人机航拍过程中动态目标位置变化所导致的三维重建误差及正射影像中出现伪影的问题，提出了一种融合语义信息的BRIEF特征动态物体检测与去除算法。在传统BRIEF特征描述子的基础上引入语义分割信息，增强了对动态物体的识别能力，实现了在复杂场景下对运动目标的高效检测与精准剔除。
4.构建大型水库全要素执法目标智能识别方法
针对大型水库普遍存在的智能化监管水平不足、依赖人工巡查效率低下的问题，研发了异常行为智能识别系统和动态场景中船号识别系统，实现了从“被动响应式人工巡查”到“主动智能预警与精准响应”的跨越。
4.1 研发了异常行为智能识别系统
针对大型水库中违法行为呈现多样化趋势，以及传统人工监控难以实现对目标对象进行全天候、连续性监管的问题，研发了异常行为智能识别算法。基于计算机视觉与深度学习技术，能够对无人机回传视频中人员行为进行实时分析与理解，并在发现异常时即时触发报警机制，有效弥补了人工监控易疲劳及响应滞后等缺陷，异常行为的识别率显著提升。
4.2 研发了动态场景中船号智能识别系统
针对于渔船船号易被遮蔽，光照不均匀等问题导致船号不清楚，影响渔船识别、追踪和管理等难题，提出了动态场景中船号识别算法。通过Advanced EAST+CRNN模型实现了船号区域的精准定位与检测与船号区域字符序列识别，显著提升动态环境下船号识别的准确率。
四、推广价值
本项目以无人机巡查为先导、地理信息建设为基础、实景三维为核心，多传感器协同感知为数据来源，同时融合了人工智能、大数据与物联网等新一代信息技术，构建了一套集地面巡查、无人机航拍与云端分析于一体的智慧巡查执法保障体系。系统化实现了全天候、全覆盖、实时化的监测与管理，有效提升了应急响应速度和执法取证效率，保障了水源地安全与生态环境。该系统不仅推动了水库管理由传统模式向数字化、智能化的转型，也为全国水域水资源管理提供了可复制、可推广的示范样板。
END
编辑：于菲菲
初审：李 萍
审核：李 洁
