無(wú)人機(jī)自然資源巡查一體化設(shè)備研究與應(yīng)用

周長(zhǎng)江,王中元,葛偉偉,李永生

(1.韶關(guān)市國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 韶關(guān) 512026;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

0 引 言

我國(guó)幅員遼闊，人口眾多，非法侵占基本農(nóng)田和開(kāi)采礦產(chǎn)資源情況時(shí)有發(fā)生。對(duì)于一些特殊場(chǎng)合，如尋常區(qū)域難以到達(dá)(如山區(qū)、高山區(qū)、沒(méi)有路地方)、被巡查對(duì)象較隱蔽靠人工無(wú)法全面巡查時(shí)，基層自然資源執(zhí)法取證往往存在困難。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)遙感發(fā)展迅速?gòu)V泛應(yīng)用于各行各業(yè)[1-3]，通過(guò)無(wú)人機(jī)開(kāi)展自然資源外業(yè)巡查，可以進(jìn)行拍照取證，也可以后處理生成影像與衛(wèi)星影像疊加對(duì)比，提取違法信息，是一種很好輔助手段。然而，在實(shí)際工作中，無(wú)人機(jī)、巡查系統(tǒng)往往是兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)接，這在一定程度上也影響無(wú)人機(jī)在自然資源巡查使用效率，本文通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐，搭建一整套軟硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與基層國(guó)土所巡查系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接。

1 系統(tǒng)組成模塊

整個(gè)系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理黑匣子、黑匣子供電模塊(車載逆變器)、數(shù)據(jù)處理、分析App等模塊構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊構(gòu)成圖

1.1 無(wú)人機(jī)模塊

主要用于在野外現(xiàn)場(chǎng)采集巡查區(qū)域原始照片和POS，實(shí)現(xiàn)“非接觸式”巡查，提高外業(yè)巡查效率。無(wú)人機(jī)操控應(yīng)該傻瓜化，方便基層國(guó)土所人員使用，本文系統(tǒng)搭配時(shí)選擇使用DJI PHANTOM 4 RTK 四旋翼無(wú)人機(jī)(圖2)。

圖2 無(wú)人機(jī)模塊

該型無(wú)人機(jī)配有差分GPS模塊，在具有4G信號(hào)區(qū)域，可以基于千尋位置服務(wù)獲取到高精度CGCS 2000 坐標(biāo)系或是WGS 84 坐標(biāo)系下厘米級(jí)精度POS，使得最終拼接影像在不依賴地面控制點(diǎn)情況下能夠達(dá)到較高平面位置精度，配備有智能電池，能夠自動(dòng)計(jì)算返航位置，配置有避障功能，能夠自動(dòng)規(guī)避航線上障礙物，安全性高。飛控(圖3)采用自身攜帶飛控軟件，只需要設(shè)置航線相對(duì)高度、航向重疊度、旁向重疊度即可完成，操作簡(jiǎn)單、傻瓜化。

圖3 航線規(guī)劃

1.2 數(shù)據(jù)處理黑匣子

數(shù)據(jù)處理黑匣子由硬件和軟件兩個(gè)部分構(gòu)成，硬件方面應(yīng)從經(jīng)濟(jì)、便攜性、性能方面選購(gòu)合適主機(jī)并安裝ubuntu 16.04操作系統(tǒng)，軟件是在硬件基礎(chǔ)上基于C++、python語(yǔ)言以及特征點(diǎn)提取匹配、無(wú)約束平常、點(diǎn)云融合等影像拼接算法[4-7]實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)采集多幅序列照片拼成全幅影像(圖4)，要求影像拼接精度能夠滿足日常巡查工作要求，拼接時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，且拼接后影像格式為tif，拼接完成后對(duì)影像切片處理，采用一定瓦片地圖切片算法將tif數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理產(chǎn)生tpk格式切片數(shù)據(jù)包。

圖4 影像拼接生成正射影像

1.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸Drone Map是安裝在手機(jī)端，采用java語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)與黑匣子通信，控制黑匣子內(nèi)置影像處理程序運(yùn)行對(duì)無(wú)人機(jī)航拍影像進(jìn)行拼接，主要按鍵如表1所示。

表1 Drone Map 軟件按鈕

系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：首先是連接主機(jī)(黑匣子)，建立手機(jī)與黑匣子通信，然后點(diǎn)擊執(zhí)行程序調(diào)用黑匣子影像拼接程序，在完成影像拼接后，對(duì)拼接影像進(jìn)行切片并上傳到國(guó)土所用外業(yè)巡查系統(tǒng)中，系統(tǒng)這個(gè)運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 DroneMap App工作界面和流程

1.4 車載逆變器

車載逆變器(圖6)相當(dāng)于一個(gè)外接電源，主要用于給數(shù)據(jù)處理黑匣子進(jìn)行供電。

圖6 車載逆變器

2 系統(tǒng)使用流程

(1)建立各類非法開(kāi)采影像解譯標(biāo)志

根據(jù)每類非法開(kāi)采所呈現(xiàn)不同紋理特性，建立各類礦產(chǎn)資源非法開(kāi)采影像解譯標(biāo)志，例如稀土非法開(kāi)采在影像上表現(xiàn)特征為有各類沉淀池、注液池等設(shè)施，較大型稀土開(kāi)采點(diǎn)沉淀池往往在同一地點(diǎn)呈格網(wǎng)狀，周圍密布輸反應(yīng)試劑的管道。

(2)無(wú)人機(jī)外業(yè)巡查

采用本系統(tǒng)型號(hào)無(wú)人機(jī)對(duì)計(jì)劃巡查區(qū)域進(jìn)行航線規(guī)劃，獲取巡查區(qū)域航拍照片。

(3)影像拼接

調(diào)用Drone Map APP程序運(yùn)行數(shù)據(jù)處理黑匣子中影像拼接算法對(duì)無(wú)人機(jī)采集照片進(jìn)行拼接和切片處理，生成高分辨率正射影像。

(4)數(shù)據(jù)比對(duì)分析

調(diào)用Drone Map將切片后影像上傳到基層國(guó)土所外業(yè)巡查系統(tǒng)，通過(guò)與前時(shí)相年度衛(wèi)片、無(wú)人機(jī)影像疊加分析，采用人工目視解譯方法比對(duì)[8-11]發(fā)現(xiàn)非法開(kāi)采圖斑，通過(guò)在不同時(shí)期對(duì)同一個(gè)區(qū)域連續(xù)用無(wú)人機(jī)跟蹤拍攝提取變化區(qū)域，然后基于無(wú)人機(jī)影像上呈現(xiàn)出來(lái)紋理特征，例如是否存在稀土開(kāi)采反應(yīng)池、輸送反應(yīng)試劑的注液池等判定巡查區(qū)域是否存在稀土非法開(kāi)采。如圖7所示，左右2張圖片分別是2016年6月20日、2016年7月21日韶關(guān)某區(qū)域航拍影像圖，在短短一個(gè)月時(shí)間內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)同一個(gè)地方有明顯的變化，稀土非法開(kāi)采沉淀池已經(jīng)初步形成規(guī)模。

圖7 不同時(shí)間無(wú)人機(jī)影像對(duì)比發(fā)現(xiàn)稀土非法開(kāi)采

3 應(yīng)用案例

為驗(yàn)證該系統(tǒng)實(shí)際可行性，可操作性，選擇韶關(guān)市新豐縣沙田國(guó)土所作為試點(diǎn)在山區(qū)開(kāi)展自然資源監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，某次野外無(wú)人機(jī)巡查情況如下：外業(yè)無(wú)人機(jī)設(shè)置航高350 m，航向重疊度80%，旁向70%，采集數(shù)據(jù)飛行含起飛降落共花費(fèi)約15 min，共采集95張照片，監(jiān)測(cè)面積約0.4 km2。采用數(shù)據(jù)處理黑匣子進(jìn)行影像拼接共花費(fèi)約10 min，并通過(guò)在手機(jī)上調(diào)用Drone Map將切片后影像成功上傳到外業(yè)巡查系統(tǒng)中，如圖8所示，在巡查系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)將剛獲取無(wú)人機(jī)影像與原有歷史影像分屏對(duì)比瀏覽。

圖8 接無(wú)人機(jī)影像銜接到外業(yè)巡查系統(tǒng)

在新獲取無(wú)人機(jī)影像上能夠清晰看出存在與稀土影像解譯標(biāo)志類似開(kāi)采沉淀池，輸送反應(yīng)試劑的管子等設(shè)施(圖9)，初步判定是稀土非法開(kāi)采點(diǎn)，通過(guò)國(guó)土所巡查人員抵近巡查發(fā)現(xiàn)此處確實(shí)是稀土非法開(kāi)采點(diǎn)(圖10)。

圖9 無(wú)人機(jī)影像拍攝到稀土開(kāi)采點(diǎn)局部放大圖

圖10 現(xiàn)場(chǎng)巡查照片

4 結(jié) 語(yǔ)

從當(dāng)前在試點(diǎn)國(guó)土所使用情況來(lái)看，這套系統(tǒng)能夠滿足基層國(guó)土所尤其是地形復(fù)雜區(qū)域自然資源巡查需要，存在不足之處有以下2個(gè)方面：① 目前小型無(wú)人機(jī)電池續(xù)航能力普遍較低，在一定程度上會(huì)影響巡查效率；② 目前非法開(kāi)采、違法用地圖斑提取主要還是靠人工目視解譯，如果下一步能實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)拍攝影像與巡查系統(tǒng)中衛(wèi)片自動(dòng)識(shí)別變化圖斑，無(wú)人機(jī)與巡查系統(tǒng)無(wú)縫銜接則更為完善，在自然資源巡查中應(yīng)用也將更加深入高效。