站在湖南省岳陽(yáng)市七弓嶺長(zhǎng)江大堤上，望著如蜿蜒玉帶般的長(zhǎng)江荊江河段，湖南理工學(xué)院黨委書(shū)記、長(zhǎng)江堤岸崩岸三維智能預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張國(guó)雲(yún)心潮澎湃。

“別看有時(shí)江面平緩，其下卻是暗流涌動(dòng)?！睆垏?guó)雲(yún)感慨，“捕捉這種‘暗流涌動(dòng)’，就是我們團(tuán)隊(duì)的使命?！?/p>

湖南是長(zhǎng)江中游重要省份，是維系長(zhǎng)江中下游生態(tài)安全的重要生態(tài)屏障。近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)不斷深入研究，提升長(zhǎng)江和洞庭湖流域治理管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，凝聚起守護(hù)江河安瀾的“科技力量”。

為長(zhǎng)江大堤裝上“預(yù)警系統(tǒng)”

“俗話說(shuō)，萬(wàn)裡長(zhǎng)江，險(xiǎn)在荊江。”岳陽(yáng)市長(zhǎng)江洞庭湖水利事務(wù)中心副主任陳益民介紹，“熊家洲至城陵磯河段，是長(zhǎng)江中游唯一有連續(xù)4個(gè)180度急彎的河段，而七弓嶺正是其中一個(gè)急彎，是個(gè)‘老虎口’。”

陳益民從事水利工作30多年，他說(shuō)，在1954年至1985年，這裡的江岸向南崩退2150米，崩失土地2.2萬(wàn)畝，嚴(yán)重危及岳陽(yáng)城區(qū)防洪安全。然而，傳統(tǒng)巡堤基本只能依靠人工，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率不高，遇到突發(fā)情況也很難及時(shí)應(yīng)對(duì)。

2020年起，團(tuán)隊(duì)與長(zhǎng)江洞庭湖水利事務(wù)中心、岳陽(yáng)市水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院開(kāi)展合作，開(kāi)始建立崩岸智能預(yù)警系統(tǒng)、崩岸治理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，嘗試用智能化設(shè)備和數(shù)字化科技“替代”人工巡檢的“老一套”。

“為讓系統(tǒng)早上線，天一亮，我們就扛著設(shè)備來(lái)到堤岸，在岸邊一厘米一厘米採(cǎi)集數(shù)據(jù)，到了晚上就趕回實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始處理數(shù)據(jù)，構(gòu)建模型。”湖南理工學(xué)院副教授陳思源記得，堤岸上沒(méi)有任何樹(shù)木可以遮陰，大家只能頂著烈日工作，一段時(shí)間下來(lái)，每個(gè)人都黑了不少。

經(jīng)過(guò)18個(gè)月的努力，靠著現(xiàn)代化測(cè)量手段獲取的高精數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)成員復(fù)刻出了一個(gè)“數(shù)字堤岸”，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)堤岸微小的變化，敏銳捕捉堤岸的任何“風(fēng)吹草動(dòng)”。

“藍(lán)色塊代表安全，紅色塊代表危險(xiǎn)，荊江門(mén)這塊標(biāo)紅的堤段有崩岸決堤風(fēng)險(xiǎn)，要重點(diǎn)勘察?！标愃荚聪蛴浾哐菔颈腊吨悄茴A(yù)警系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)江岸堤的監(jiān)測(cè)，“不論在水上水下，不管是多了、少了還是動(dòng)了，在這1.5公裡的堤岸上，只要有超過(guò)10厘米的變化，我們都能發(fā)現(xiàn)?！?/p>

目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)長(zhǎng)江湖南段163千米岸線做了全景測(cè)繪和三維建模，相當(dāng)於在系統(tǒng)裡“克隆”了這段長(zhǎng)江。正是有了這個(gè)數(shù)據(jù)“底座”，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)重點(diǎn)堤段實(shí)時(shí)採(cǎi)集數(shù)據(jù)的比對(duì)，堤壩稍有風(fēng)吹草動(dòng)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)比對(duì)並發(fā)出警報(bào)。

“利用現(xiàn)代化高效技術(shù)手段替代傳統(tǒng)人工巡檢方式，利用高精度數(shù)據(jù)替代傳統(tǒng)人工測(cè)量數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)智能識(shí)別替代人工判斷，徹底改變了河堤巡檢的局面?！焙侠砉W(xué)院教授郭龍?jiān)凑f(shuō)，“近20年裡，長(zhǎng)江中下游干流河道共發(fā)生崩岸1000余處，靠著這項(xiàng)技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期、短間隔的監(jiān)測(cè)，更擺脫了傳統(tǒng)依靠人工巡檢、耗費(fèi)人力物力的情況?！?/p>

2024年以來(lái)，團(tuán)隊(duì)已處理了3次重大崩岸險(xiǎn)情。同時(shí)高精度的岸線水上水下三維數(shù)據(jù)，也為崩岸險(xiǎn)情的后期修復(fù)設(shè)計(jì)方案提供了直觀可視化的實(shí)施依據(jù)。

技術(shù)的成功從來(lái)不是一蹴而就

剛剛加入團(tuán)隊(duì)不久，陳思源就對(duì)拋石防護(hù)堤岸的場(chǎng)景印象深刻：運(yùn)送石塊的船舶接連不斷駛向指定位置，隨即成噸的巨大石籠從船上被吊入水中。拋出多少石籠對(duì)堤岸的防護(hù)效果最好？有多少石籠在水中會(huì)被水流帶走造成物料浪費(fèi)？他對(duì)這些問(wèn)題產(chǎn)生了濃厚的興趣。

“傳統(tǒng)上，計(jì)算拋石整治所需石料全憑經(jīng)驗(yàn)，這導(dǎo)致實(shí)際誤差往往很大?！标愃荚聪蚝脦孜焕蠈＜艺?qǐng)教，但是他們都搖搖頭，覺(jué)得只能靠經(jīng)驗(yàn)去“估摸”，很難完全量化。

“我偏不信這個(gè)邪，一定要搞出個(gè)名堂。”陳思源的“倔脾氣”一下上來(lái)了，“傳統(tǒng)路徑行不通，我就另辟蹊徑?！弊鳛橐幻?jīng)的橋梁道路檢測(cè)工程師，陳思源偶然之間想到，道路橋梁和水利工程兩者是否可以跨界“聯(lián)姻”，形成解決問(wèn)題的方案。

“以前，我們經(jīng)常要對(duì)道路路面坑洞進(jìn)行擬合評(píng)估。”陳思源思考，是不是可以套用相關(guān)模型，進(jìn)行精準(zhǔn)分析？

於是，陳思源利用無(wú)人機(jī)採(cǎi)集船舶上石塊體積數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型構(gòu)建，結(jié)合長(zhǎng)江堤岸三維數(shù)據(jù)，計(jì)算出拋石整治所需要的石塊體積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)這種方式，計(jì)算精度可以提高30%以上。此成果為拋石整治工程提供了科學(xué)的造價(jià)參考，獲得了業(yè)務(wù)單位的肯定。

在崩岸智能預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)中，團(tuán)隊(duì)遇到了一個(gè)看似尋常卻極為棘手的難題：如何教會(huì)人工智能精準(zhǔn)識(shí)別“拋石護(hù)岸”的過(guò)程？這需要海量的視頻數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練模型，然而，崩岸搶險(xiǎn)和拋石施工並非天天上演，可遇不可求。數(shù)據(jù)，成了橫在團(tuán)隊(duì)面前的第一道高牆。

負(fù)責(zé)視頻識(shí)別的湖南理工學(xué)院教授趙林、副教授何偉，便跟這個(gè)難題“倔”上了。除了在水利部門(mén)施工時(shí)第一時(shí)間趕往現(xiàn)場(chǎng)蹲守，他們更開(kāi)啟了一場(chǎng)沿江的“尋寶”之旅。

一天，在繁忙的城陵磯碼頭，他們停下了腳步。眼前，巨大的門(mén)機(jī)吊裝著集裝箱和散貨，重物起吊、移動(dòng)、下落的軌跡，與拋投鋼絲網(wǎng)石籠的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在他們眼中產(chǎn)生了奇妙的“重疊”。“就是它了！”兩人幾乎異口同聲——碼頭上日復(fù)一日的貨物吊運(yùn)，不就是一座天然的、永不枯竭的“動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)寶藏”嗎？

憑著這股倔勁，他們成功地將碼頭數(shù)據(jù)“遷移”到了水利模型上，用創(chuàng)新思維巧妙地破解了數(shù)據(jù)荒的難題，為智能預(yù)警系統(tǒng)補(bǔ)上了關(guān)鍵一環(huán)。

“科研攻關(guān)沒(méi)有捷徑，一項(xiàng)技術(shù)的成功從來(lái)不是一蹴而就的，科研人員要有‘倔脾氣’，才能出好成果?！标愃荚凑f(shuō)。

試驗(yàn)和探索，是成長(zhǎng)的“催化劑”

湖南理工學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院2021級(jí)研究生閆石清楚地記得，自己的研究生生涯是從長(zhǎng)江大堤上開(kāi)始的。

“當(dāng)時(shí)還沒(méi)有正式入學(xué)，我就跟著陳老師上了大堤，從早上7點(diǎn)鐘一直待到太陽(yáng)落山?！闭窃谶@一過(guò)程中，閆石對(duì)水治理有了初步的認(rèn)識(shí)，“長(zhǎng)江和洞庭湖既造福沿線居民，也曾給他們帶來(lái)抹不去的痛。聽(tīng)著老師講述這條河的故事，我心中對(duì)‘水安全’的責(zé)任感油然而生。”

“一張圖片，竟然可以實(shí)現(xiàn)從二維向三維的跨越?！奔尤雸F(tuán)隊(duì)后，閆石最感興趣的，便是這項(xiàng)化抽象為具體的工作——把帶有各種地形色彩信息的二維圖片拼接轉(zhuǎn)化成三維立體模型。

“在項(xiàng)目實(shí)踐中，我們堅(jiān)持以問(wèn)題為導(dǎo)向，鼓勵(lì)學(xué)生用自己的想法解決問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)就是實(shí)踐場(chǎng)，而試驗(yàn)和探索是學(xué)生們成長(zhǎng)的‘催化劑’?！痹趶垏?guó)雲(yún)看來(lái)，吸納各個(gè)專業(yè)的學(xué)生加入團(tuán)隊(duì)，讓團(tuán)隊(duì)擁有了跨學(xué)科的思維碰撞。

如今，經(jīng)過(guò)3年的錘煉，閆石成了水利領(lǐng)域的年輕力量。畢業(yè)后，他去到岳陽(yáng)市水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院工作，還曾有一段時(shí)間到水利局負(fù)責(zé)信息化建設(shè)工作。

在進(jìn)行全景測(cè)繪和三維建模時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)水下測(cè)繪和建模是最大的難點(diǎn)?！皞鹘y(tǒng)的建筑和道路測(cè)量都不涉及水下。並且，在水下放置傳感器，水質(zhì)的渾濁度和水流的擾動(dòng)很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，造成測(cè)量精度下降?！焙蝹ソ忉尅?/p>

“一開(kāi)始，我們利用單波聲吶探測(cè)儀來(lái)進(jìn)行水下測(cè)量。但由於這種探測(cè)儀只能單點(diǎn)測(cè)量，效率很低，因此我們亟須制定新的方案?！焙侠砉W(xué)院教授歐先鋒說(shuō)。

團(tuán)隊(duì)調(diào)研后判斷，多波束技術(shù)可更好地應(yīng)用於渾濁水體水下數(shù)據(jù)測(cè)量。然而，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)僅有一家相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)商，更具挑戰(zhàn)性的是，此前還沒(méi)有把這種技術(shù)應(yīng)用到內(nèi)河流域測(cè)量的先例?！拔覀儓F(tuán)隊(duì)仔細(xì)研究了技術(shù)細(xì)節(jié)，最終決定冒險(xiǎn)嘗試一下?！睔W先鋒說(shuō)。經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)成員刻苦攻關(guān)，短短幾年間，他們攻克了大尺度點(diǎn)雲(yún)處理和拼接等多項(xiàng)難題，從而順利完成長(zhǎng)江湖南段8個(gè)關(guān)鍵斷面的水下三維建模和水上163公裡數(shù)字底圖的構(gòu)建。

近年來(lái)，參與團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)江洞庭湖岸堤研究的研究生有40余人，他們通過(guò)扎實(shí)訓(xùn)練，科研和實(shí)踐能力得到了全方位提升?！爱?dāng)前，團(tuán)隊(duì)融合‘空天地水’多源點(diǎn)雲(yún)與遙感影像，精準(zhǔn)捕獲岸坡三維形變信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)岸坡失穩(wěn)過(guò)程的持續(xù)監(jiān)測(cè)與超前預(yù)警。下一步，我們希望幫助更多新水利人，成為守護(hù)大堤的中堅(jiān)力量?！睆垏?guó)雲(yún)說(shuō)。

（記者 趙嘉偉 禹愛(ài)華 通訊員 吳健輝）

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