基于無人機和圖像識別技術(shù)的城市水系垃圾清理方法

馮雅清

摘要：目前無人機技術(shù)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，取得了不錯的效果。利用無人機結(jié)合圖像識別技術(shù)對城市水系垃圾進行偵測、識別、清理和日常維護可以有效提高城市水系垃圾清理的效率，具有一定創(chuàng)新性和可行性。

關(guān)鍵詞：無人機；圖像識別技術(shù)；垃圾清理

前言

無人機（UVA）是一種機上無人駕駛的航空飛行器。其主要包括了動力系統(tǒng)和導航系統(tǒng)，通過人為遙控或自主導航進行飛行[1]。目前無人機技術(shù)發(fā)展迅速，目前已有50多個國家裝備300余種無人機。不論是軍用或是民用，無人機承擔的任務(wù)更加復雜多樣，深入各個領(lǐng)域并取得了不錯的效果。單純的無人機技術(shù)需要同其他遙感或控制技術(shù)相結(jié)合才容易發(fā)揮預(yù)先需求的功能，目前無人機技術(shù)與圖像識別技術(shù)相結(jié)合可以實現(xiàn)無人機自主著陸，無人機識別目標，無人機對特定目標作業(yè)等功能，具有機動性強，識別精度高，低成本，風險小，效率高等特點[2，3]。現(xiàn)階段，圖像識別技術(shù)主要依靠圖像識別處理模塊，GPS導航模塊、通訊，遙感測量等模塊[4]。其主要可實現(xiàn)對偵測到的目標通過一定的算法進行識別，并加以分類，同時提取偵測到的符合預(yù)先設(shè)定要求的目標物[5]。

隨著城市發(fā)展，生活垃圾的處理成為城市維護和環(huán)境治理的重要內(nèi)容[6]。其中城市水系中由于人為和自然因素不可避免會產(chǎn)生漂浮垃圾，有的甚至覆蓋整個河面湖面，成為城市臟亂差的典型代表，因此城市水系垃圾清理對于一個城市的城市形象，為城市居民提供良好的生活環(huán)境，城市防汛等方面至關(guān)重要。現(xiàn)今城市水系清理的主要方法主要依靠人工或駕駛船舶清理[7]，主要存在的問題為效率低，耗費人力，同時存在翻船事故的風險，此外當城市水系復雜，需要清理點過多時又會增加投資與消耗。將無人機結(jié)合圖像識別技術(shù)應(yīng)用于城市水系垃圾清理，利用無人機靈活性強，成本低可以有效提升城市水系垃圾清理效率，在城市垃圾清理和水系環(huán)境維護上具有可行性和創(chuàng)新性。

1無人機和圖像識別系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

無人機（UAV）是一種機上無人駕駛的航空器，具有動力裝置和導航模塊，在一定范圍內(nèi)靠無線電遙控設(shè)備或計算機預(yù)編程序自主控制飛行。無人機系統(tǒng)是一套綜合的技術(shù)支撐系統(tǒng)，它是對 UAV 概念的擴展，它由機體、機上載荷和地面設(shè)備等組成，實現(xiàn)其飛行、操控、數(shù)據(jù)處理和信息傳導等功能[1]。微小型無人駕駛飛機主要有旋翼直升飛機和固定翼飛機2 種。無人駕駛的微小型固定翼飛機具有成本低、效率高、操作簡單、安全性好、抗風能力較強等優(yōu)點。

無人機開展航拍，持久性強，還可采用遠紅外夜拍等模式，實現(xiàn)全天候航監(jiān)測，無人機飛行又不受空間與地形限制，時效性強，機動性好，巡查范圍廣。無人機搭載高清攝像機，可實現(xiàn)高清實時傳輸，其距離可達5km，而標清傳輸距離可達10km。目前無人機最大載重可達60kg，滿足約一個成人的重量，可以輕松實現(xiàn)城市水系垃圾的清理收集工作。

圖像處理，是利用計算機對圖像進行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標和對象的技術(shù)計算機圖像處理技術(shù)的優(yōu)點：再現(xiàn)性好，處理精度高.適用面廣，靈活性高.圖像識別中的模式識別（Pattern Recognition），是一種從大量信息和數(shù)據(jù)出發(fā)，在專家經(jīng)驗和已有認識的基礎(chǔ)上，利用計算機和數(shù)學推理的方法對形狀、模式、曲線、數(shù)字、字符格式和圖形自動完成識別、評價的過程。模式識別包括兩個階段，即學習階段和實現(xiàn)階段，前者是對樣本進行特征選擇，尋找分類的規(guī)律，后者是根據(jù)分類規(guī)律對未知樣本集進行分類和識別。這個模式識別的模板匹配模型簡單明了，也容易得到實際應(yīng)用。

2無人機和圖像識別系統(tǒng)應(yīng)用于城市水系垃圾清理的可行性

基于圖像識別技術(shù)的無人機河道水系清理系統(tǒng)采用無線電遙控和預(yù)編程自主控制型UAV，通過綁定的高清分辨率相機進行水面情況的實時監(jiān)控。并通過圖像識別技術(shù)對圖像進行預(yù)處理、特征選擇。通過模塊識別對偵測到的目標通過一定算法進行識別，并加以分類，同時提取偵測到的符合預(yù)先設(shè)定要求的雜草、水瓶、垃圾袋等目標物。無人機在識別目標后通過預(yù)編程自主控制靠近目標，利用安裝的特質(zhì)機械手與收集機構(gòu)進行垃圾回收。其中，機械手可進行360°旋轉(zhuǎn)，方便進行打撈工作。收集裝置后端底部設(shè)有漏孔，可排除多余水分。在回收機構(gòu)內(nèi)部裝有自動壓縮排水裝置以最大限度利用空間及有效載重，并裝有壓力傳感裝置，當收集機構(gòu)內(nèi)部承載重量接近預(yù)先設(shè)定標準或電量不足時，無人機則向地面控制系統(tǒng)傳達信息或自主進行返航。當目標未被系統(tǒng)識別時，地面工作人員可通過無人機返還畫面對其進行無線電遙控，人工操作無人機進行清理。當機械手承受拉力過大時系統(tǒng)則判斷垃圾超出載重范圍，無人機自動放棄垃圾清理，并對垃圾所在地理信息進行標記，返還地面控制中心，可由地面控制中心進行人工清理。

在這項技術(shù)應(yīng)用于實際工作中時，可采用劃分不同區(qū)域，在某一區(qū)域內(nèi)由特定無人機進行工作的方式。劃定區(qū)域范圍應(yīng)由區(qū)域內(nèi)水系垃圾量以及工作面積等決定，使無人機在其垃圾收集能力范圍以及電池續(xù)航能力內(nèi)達到作業(yè)最優(yōu)效果。并在作業(yè)中多次訓練無人機目標甄別能力，使無人機在特定水域區(qū)域，根據(jù)特定水域垃圾特點加強特征識別能力。

3結(jié)論

綜上，相比傳統(tǒng)的人工清理方式，無人機和圖像識別技術(shù)的自動清理化模式可以更好的增加城市環(huán)境優(yōu)化效率，并相對傳統(tǒng)方法具有節(jié)省人力物力財力、高效、精準的特點。這項技術(shù)結(jié)合了無人機技術(shù)與目前發(fā)展迅速的圖像識別技術(shù)，旨在創(chuàng)造一種更新、更便捷的城市水系清理方法，助力營造更好的城市環(huán)境。這項技術(shù)不僅可以減少城市清潔工作的負擔，還能減輕政府經(jīng)濟負擔。

參考文獻：

[1]汪沛，羅錫文，周志艷，等.基于微小型無人機的遙感信息獲取關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30（18）：1-12.

[2]王林惠，甘海明，岳學軍，等.基于圖像識別的無人機精準噴霧控制系統(tǒng)的研究[J].華南農(nóng)業(yè)大學學報，2016，37（6）：23-30.

[3]田振坤，傅鶯鶯，劉素紅，等.基于無人機低空遙感的農(nóng)作物快速分類方法[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（7）：109-116.