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

“別看有時江面平緩，其下卻是暗流涌動。”張國雲(yún)感慨，“捕捉這種‘暗流涌動’，就是我們團(tuán)隊的使命?！?/p>

湖南是長江中游重要省份，是維系長江中下游生態(tài)安全的重要生態(tài)屏障。近年來，該團(tuán)隊不斷深入研究，提升長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”。

為長江大堤裝上“預(yù)警系統(tǒng)”

“俗話說，萬裡長江，險在荊江?！痹狸柺虚L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，是長江中游唯一有連續(xù)4個180度急彎的河段，而七弓嶺正是其中一個急彎，是個‘老虎口’?！?/p>

陳益民從事水利工作30多年，他說，在1954年至1985年，這裡的江岸向南崩退2150米，崩失土地2.2萬畝，嚴(yán)重危及岳陽城區(qū)防洪安全。然而，傳統(tǒng)巡堤基本只能依靠人工，費(fèi)時費(fèi)力且效率不高，遇到突發(fā)情況也很難及時應(yīng)對。

2020年起，團(tuán)隊與長江洞庭湖水利事務(wù)中心、岳陽市水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院開展合作，開始建立崩岸智能預(yù)警系統(tǒng)、崩岸治理監(jiān)測系統(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)備來到堤岸，在岸邊一厘米一厘米採集數(shù)據(jù)，到了晚上就趕回實驗室開始處理數(shù)據(jù)，構(gòu)建模型?！焙侠砉W(xué)院副教授陳思源記得，堤岸上沒有任何樹木可以遮陰，大家只能頂著烈日工作，一段時間下來，每個人都黑了不少。

經(jīng)過18個月的努力，靠著現(xiàn)代化測量手段獲取的高精數(shù)據(jù)，團(tuán)隊成員復(fù)刻出了一個“數(shù)字堤岸”，通過實時監(jiān)測堤岸微小的變化，敏銳捕捉堤岸的任何“風(fēng)吹草動”。

“藍(lán)色塊代表安全，紅色塊代表危險，荊江門這塊標(biāo)紅的堤段有崩岸決堤風(fēng)險，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)對長江岸堤的監(jiān)測，“不論在水上水下，不管是多了、少了還是動了，在這1.5公裡的堤岸上，只要有超過10厘米的變化，我們都能發(fā)現(xiàn)?！?/p>

目前，團(tuán)隊已經(jīng)對長江湖南段163千米岸線做了全景測繪和三維建模，相當(dāng)於在系統(tǒng)裡“克隆”了這段長江。正是有了這個數(shù)據(jù)“底座”，實現(xiàn)了各個重點(diǎn)堤段實時採集數(shù)據(jù)的比對，堤壩稍有風(fēng)吹草動，系統(tǒng)就會自動比對並發(fā)出警報。

“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)人工測量數(shù)據(jù)，利用計算機(jī)智能識別替代人工判斷，徹底改變了河堤巡檢的局面?！焙侠砉W(xué)院教授郭龍源說，“近20年裡，長江中下游干流河道共發(fā)生崩岸1000余處，靠著這項技術(shù)，不僅實現(xiàn)了長周期、短間隔的監(jiān)測，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，團(tuán)隊已處理了3次重大崩岸險情。同時高精度的岸線水上水下三維數(shù)據(jù)，也為崩岸險情的后期修復(fù)設(shè)計方案提供了直觀可視化的實施依據(jù)。

技術(shù)的成功從來不是一蹴而就

剛剛加入團(tuán)隊不久，陳思源就對拋石防護(hù)堤岸的場景印象深刻：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。拋出多少石籠對堤岸的防護(hù)效果最好？有多少石籠在水中會被水流帶走造成物料浪費(fèi)？他對這些問題產(chǎn)生了濃厚的興趣。

“傳統(tǒng)上，計算拋石整治所需石料全憑經(jīng)驗，這導(dǎo)致實際誤差往往很大。”陳思源向好幾位老專家請教，但是他們都搖搖頭，覺得只能靠經(jīng)驗去“估摸”，很難完全量化。

“我偏不信這個邪，一定要搞出個名堂?！标愃荚吹摹熬笃狻币幌律蟻砹耍皞鹘y(tǒng)路徑行不通，我就另辟蹊徑?！弊鳛橐幻?jīng)的橋梁道路檢測工程師，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”，形成解決問題的方案。

“以前，我們經(jīng)常要對道路路面坑洞進(jìn)行擬合評估?！标愃荚此伎?，是不是可以套用相關(guān)模型，進(jìn)行精準(zhǔn)分析？

於是，陳思源利用無人機(jī)採集船舶上石塊體積數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型構(gòu)建，結(jié)合長江堤岸三維數(shù)據(jù)，計算出拋石整治所需要的石塊體積。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過這種方式，計算精度可以提高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)隊遇到了一個看似尋常卻極為棘手的難題：如何教會人工智能精準(zhǔn)識別“拋石護(hù)岸”的過程？這需要海量的視頻數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型，然而，崩岸搶險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)隊面前的第一道高牆。

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

一天，在繁忙的城陵磯碼頭，他們停下了腳步。眼前，巨大的門機(jī)吊裝著集裝箱和散貨，重物起吊、移動、下落的軌跡，與拋投鋼絲網(wǎng)石籠的動態(tài)過程，在他們眼中產(chǎn)生了奇妙的“重疊”?！熬褪撬耍　眱扇藥缀醍惪谕暋a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)沒有捷徑，一項技術(shù)的成功從來不是一蹴而就的，科研人員要有‘倔脾氣’，才能出好成果?！标愃荚凑f。

試驗和探索，是成長的“催化劑”

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

“當(dāng)時還沒有正式入學(xué)，我就跟著陳老師上了大堤，從早上7點(diǎn)鐘一直待到太陽落山。”正是在這一過程中，閆石對水治理有了初步的認(rèn)識，“長江和洞庭湖既造福沿線居民，也曾給他們帶來抹不去的痛。聽著老師講述這條河的故事，我心中對‘水安全’的責(zé)任感油然而生?！?/p>

“一張圖片，竟然可以實現(xiàn)從二維向三維的跨越?！奔尤雸F(tuán)隊后，閆石最感興趣的，便是這項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。

“在項目實踐中，我們堅持以問題為導(dǎo)向，鼓勵學(xué)生用自己的想法解決問題?，F(xiàn)場就是實踐場，而試驗和探索是學(xué)生們成長的‘催化劑’?！痹趶垏?yún)看來，吸納各個專業(yè)的學(xué)生加入團(tuán)隊，讓團(tuán)隊擁有了跨學(xué)科的思維碰撞。

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

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

“一開始，我們利用單波聲吶探測儀來進(jìn)行水下測量。但由於這種探測儀只能單點(diǎn)測量，效率很低，因此我們亟須制定新的方案。”湖南理工學(xué)院教授歐先鋒說。

團(tuán)隊調(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)測量。然而，當(dāng)時國內(nèi)僅有一家相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)商，更具挑戰(zhàn)性的是，此前還沒有把這種技術(shù)應(yīng)用到內(nèi)河流域測量的先例?！拔覀儓F(tuán)隊仔細(xì)研究了技術(shù)細(xì)節(jié)，最終決定冒險嘗試一下?！睔W先鋒說。經(jīng)過團(tuán)隊成員刻苦攻關(guān)，短短幾年間，他們攻克了大尺度點(diǎn)雲(yún)處理和拼接等多項難題，從而順利完成長江湖南段8個關(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，參與團(tuán)隊長江洞庭湖岸堤研究的研究生有40余人，他們通過扎實訓(xùn)練，科研和實踐能力得到了全方位提升?！爱?dāng)前，團(tuán)隊融合‘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，實現(xiàn)對岸坡失穩(wěn)過程的持續(xù)監(jiān)測與超前預(yù)警。下一步，我們希望幫助更多新水利人，成為守護(hù)大堤的中堅力量?！睆垏?yún)說。

（記者 趙嘉偉 禹愛華 通訊員 吳健輝）

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