無人機(jī)遙感技術(shù)在巡河場景中的應(yīng)用研究

羅三強(qiáng)，朱紅衛(wèi)，朱 瑾，趙 濤

（1.三峽大學(xué) 水工程智慧建造與管理湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2.枝江市水利工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，湖北 宜昌 443000）

江河湖泊具有重要的資源功能和生態(tài)功能，是洪水的通道、水資源的載體、生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人類活動對河湖空間的擠壓和侵占日益嚴(yán)重，加強(qiáng)對河湖的動態(tài)管理刻不容緩。然而在傳統(tǒng)的河湖動態(tài)監(jiān)測中，工作量大、效率低、交通不便、地形復(fù)雜區(qū)域監(jiān)測及取證困難和定量化分析能力不足，基層單位河湖管理存在監(jiān)管能力薄弱、監(jiān)管手段滯后、關(guān)鍵技術(shù)受制等問題。

無人機(jī)遙感在收集數(shù)據(jù)方面具有明顯優(yōu)勢，也給之后的數(shù)據(jù)處理帶來了新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。一方面，分辨率高、信息量大會導(dǎo)致信息識別提取難度高的問題；另一方面，海量高分辨率的數(shù)據(jù)急需更精準(zhǔn)的分析算法以達(dá)到充分利用。而機(jī)器學(xué)習(xí)，為以上問題提供了良好的解決方法。機(jī)器學(xué)習(xí)不僅能夠更為有效地對無人機(jī)遙感影像做影像分割處理，提升無人機(jī)遙感影像對各類事件的識別精度，還可以模擬極其復(fù)雜的關(guān)系，為遙感反演提供策略。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

在河湖流域的生態(tài)保護(hù)方面，無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用越來越受到重視。無人機(jī)技術(shù)可以為巡河管理提供高效、精準(zhǔn)的技術(shù)手段，同時也可以對河湖流域進(jìn)行全面、實時的監(jiān)測和管理，為生態(tài)保護(hù)工作提供有力支持。

目前，無人機(jī)技術(shù)在巡河管理任務(wù)中的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成果。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在無人機(jī)遙感的飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)上，非線性動態(tài)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制方法已展開較為深入的研究。這些新型方法，如自適應(yīng)控制方法能夠?qū)︼w行裝置進(jìn)行靈活、高精度操控，從源頭上有效保證了無人機(jī)遙感作業(yè)的平穩(wěn)性。國外學(xué)者Guillaume J.J Ducard 進(jìn)行大量的實驗研究后明確指出，對于無人機(jī)進(jìn)行卡曼濾波的故障檢測與隔離控制系統(tǒng)，即便是受到外部因素的限制與干擾或是模型未知時，也能實現(xiàn)合理控制，促使系統(tǒng)故障與機(jī)體損傷進(jìn)行重構(gòu)，實現(xiàn)真正意義上的容錯性飛行控制與導(dǎo)航，進(jìn)而為無人機(jī)遙感作業(yè)安全、穩(wěn)定開展提供相應(yīng)支持。

2 研究方案

2.1 工程項目概況

沮漳河流域位于長江中游北岸，系長江一級支流?？缦尻枴⒁瞬?、荊州及荊門等地市，流域地勢西北高、東南低。沮漳河集水面積7 305 km2，支流164 條。其中沮河河段長230 km，集水面積3 353 km2，支流67 條。上游地區(qū)地勢高峻，河流穿行于叢山之間。中游為低山丘陵，下游進(jìn)入江漢平原邊緣，地勢開闊坦蕩。

沮漳河已于2019 年完成劃界確權(quán)，有清晰的河道管理范圍，便于監(jiān)控系統(tǒng)的實施和運用，利用上述無人機(jī)動態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)監(jiān)控以及河湖管理動態(tài)監(jiān)控基礎(chǔ)平臺等技術(shù)平臺，對沮漳河流域試點進(jìn)行系統(tǒng)測試和優(yōu)化，以便在更多河湖推廣該套技術(shù)，同時力爭將沮漳河打造成全省河流空間管控的示范。

2.2 應(yīng)用參數(shù)設(shè)定

首先在明確無人機(jī)巡河區(qū)域后需要對巡查區(qū)域具體情況進(jìn)行安全分析。

2.2.1 飛行安全

安全問題一定是擺在第一位的（以大疆精靈4 為例）在實際外場飛行前，請先進(jìn)行飛行培訓(xùn)或訓(xùn)練，比如使用調(diào)參軟件中的模擬器進(jìn)行練習(xí)，或由專業(yè)人士進(jìn)行指導(dǎo)等。飛行前須根據(jù)飛行要求和限制，選擇合適的飛行環(huán)境。

比如大霧天氣，能見度是影響無人機(jī)飛行航程重要因素。能見度過低會導(dǎo)致無人機(jī)無法正常飛行，無法準(zhǔn)確觀察到地面情況，從而影響無人機(jī)的安全飛行。

2.2.2 飛行電力續(xù)航

無人機(jī)的電力續(xù)航設(shè)定是影響無人機(jī)飛行時間的重要因素，各種選型無人機(jī)航程及電力續(xù)航皆有差異，在經(jīng)過大量試飛測試研究后發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)的飛行續(xù)航時間受天氣氣象因素影響較大，主要有以下幾點。

1）大風(fēng)天氣。飛行器飛行過程中受到風(fēng)阻太大會減少電池續(xù)航，相對于無風(fēng)天氣在7 m/s 的平均風(fēng)速情況下維持10 m/s 的無人機(jī)巡河速度會由原實際飛行續(xù)航時間30 min 縮減至15 min。

2）寒冷天氣。在寒冷天氣條件下飛行器的電池為了維持溫度也會加快電力的消耗。

3 巡航參數(shù)設(shè)定與分析

3.1 飛行航線節(jié)點設(shè)計

節(jié)點設(shè)計以大疆精靈4 無人機(jī)為例，宜昌市黃柏河為研究區(qū)，按照巡河實際任務(wù)不同，以寬度、需要巡查的河道長度等實際情況進(jìn)行設(shè)置。該航線總長度為14.3 km，預(yù)計飛行時間為1 166 s，設(shè)置飛行節(jié)點數(shù)11個，飛行器偏航角為沿航線方向，云臺俯仰角度依照每個航點進(jìn)行設(shè)置，任務(wù)完成后自動返航。

3.2 飛行高度及云臺角度

在進(jìn)行飛行高度以及飛行角度的適應(yīng)性參數(shù)設(shè)定之前，可以先進(jìn)行計算。

首先可以通過無人機(jī)的飛行高度、鏡頭參數(shù)計算GSD、幅寬，以大疆精靈4 為例，通過官網(wǎng)提供的參數(shù)可知：像素為8 192×5 460；像元大小為4.4 μm；焦段為24、35、50 mm；此外，官方給出了GSD 參數(shù)，其中，地面分辨率GSD 的單位cm/像素；飛行高度H 的單位m。24 mm 鏡頭，GSD=H/55；35 mm 鏡頭，GSD=H/80；50 mm 鏡頭，GSD=H/114；

因此，假設(shè)無人機(jī)飛行高度H=120 m，則有

24 mm：GSD 為2.2 cm/pixel，幅寬為178 m×119 m；

35 mm：GSD 為1.5 cm/pixel，幅寬為122 m×81.9 m；

50 mm：GSD 為1 cm/pixel，幅寬為86 m×57 m。

以項目組試驗使用的大疆精靈4 為例飛控系統(tǒng)使用的是GSPRO。

其一，要看選擇的照片尺寸是多大，以及對應(yīng)的寬高比；

其二，對應(yīng)高度的分辨率（跟飛行高度有關(guān)）；例如是Phantom4Pro，照片尺寸為16 MB。

以項目組試驗使用的精靈4 熱紅外系列為例，飛控系統(tǒng)使用的是DJI pilot2。

1）飛行高度。無人機(jī)巡河飛行高度主要是為了在合適角度范圍內(nèi)適配不同寬度的河道而設(shè)置，這里以大疆精靈4 無人機(jī)為例，項目組在經(jīng)過大量巡河試飛測試研究發(fā)現(xiàn)：

由圖1 可知，飛行高度太低，無法監(jiān)測河道全貌及河兩岸具體情況；飛行高度太高，無法監(jiān)測到清晰地物，以及進(jìn)行判別；飛行高度適中，可以監(jiān)測河道全貌及河兩岸具體情況。

圖1 低飛行高度下拍攝的巡河畫面

采用30°的俯角β（某一固定寬度的河流）的最佳觀測高度。經(jīng)過之前的無人機(jī)巡河活動，可以確認(rèn)俯角60°以上的俯角不適合用來巡河。而俯角30°較為適宜。以黃柏河的河心公園為例，河面寬度為170 m，對應(yīng)的視野剛剛符合標(biāo)準(zhǔn)的高度約為110 m，而在320 m 處，對應(yīng)的高度大約在175 m 左右的位置，對應(yīng)的河寬（w）與高度（h）的比值（k）估算大約在0.547～0.647 之間比較合適，取0.62 為最佳值，即

h=k·w。

采用45°的俯角β（某一固定寬度的河流）的最佳觀測高度。以黃柏河的河心公園為例，河面寬度為170 m，當(dāng)無人機(jī)至少要飛行到130 m 的高空時才可以清晰完整地觀測到兩側(cè)河岸與中間河床，對應(yīng)的河寬與高度的比值估算大約在0.647～0.765 之間比較合適，取0.7 為最佳值。

采用60°的俯角β（某一固定寬度的河流）的最佳觀測高度。以黃柏河的河心公園為例，河面寬度為170 m，目前采集了若干飛行高度無人機(jī)視頻，當(dāng)高度在約175 m 處所獲得的視角比較合適，對應(yīng)的河寬與高度的比值估算大約在0.765～1.000 之間比較合適，取0.87 為最佳值（表1）。

表1 巡河飛行角度適宜設(shè)定

當(dāng)β 值為30°～60°之間時，k=0.000 2 β2-0.009 7 β+0.73。

2）飛行角度。無人機(jī)巡河飛行角度主要是為了針對在合適高度范圍內(nèi)適配不同寬度的河道而設(shè)置，這里以大疆精靈4 無人機(jī)為例，在經(jīng)過大量巡河試飛測試研究發(fā)現(xiàn)：由圖2 可知，飛行角度太低，前方河道視野太差；飛行角度太高，無法監(jiān)測到飛行器下方情況；飛行角度適中，既可以監(jiān)測河道當(dāng)下位置情況，前方視野也較好。

圖2 不同角度下的無人機(jī)航拍視角

在對實際巡河測試數(shù)據(jù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)（以大疆精靈4 為例）在200 m 限高的情況下可以觀測到兩岸視野的極限寬度范圍。經(jīng)過之前的無人機(jī)巡河活動，可以大致確認(rèn)河寬在320 m 以上的河流不適合只用一臺大疆精靈4 無人機(jī)巡河。以黃柏河小溪塔大橋段為例，河寬為448 m，超過了320 m。而該型號的無人機(jī)在試驗地段的限飛高度為200 m，對應(yīng)的河寬大約為320 m。一旦超過320 m，在俯角保持在30～45°的情況下，會難以一次性捕獲兩岸的全部視野。最終得出如下結(jié)論。一是無人機(jī)巡河時應(yīng)該高度設(shè)置與航線設(shè)置應(yīng)該注意附近的高壓電站與高壓線網(wǎng)的高度，在執(zhí)行任務(wù)前應(yīng)當(dāng)肉眼觀察附近的高壓電站分布，再設(shè)定飛行的高度和路線。二是試驗數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何模型估算，大疆精靈4 無人機(jī)在100 m 高空以30°俯視角時，掃過的最窄寬度約為139.3 m（表2）。

表2 巡河飛行高度適宜設(shè)定

3.3 采集影像的對象分析

近年來，由于在海量數(shù)據(jù)與計算力的加持下，深度學(xué)習(xí)對圖像數(shù)據(jù)表現(xiàn)出強(qiáng)大的表示能力，成為了機(jī)器視覺的熱點研究方向。圖像的表示學(xué)習(xí)，或者讓計算機(jī)理解圖像是機(jī)器視覺的中心問題。圖像理解包括分類、定位、檢測與分割等單個或組合任務(wù)。

基于YOLOv5 算法構(gòu)建訓(xùn)練集，通過對河湖岸邊建筑物進(jìn)行自動標(biāo)識，開發(fā)了人機(jī)智能交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)計算機(jī)輔助人工標(biāo)識疑似違規(guī)建筑，而且還可以記錄標(biāo)識結(jié)果，并結(jié)合人工智能算法和專家知識，實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確地識別河湖岸邊違建。此外，該系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點：通過自動標(biāo)識，可以大大減輕人工標(biāo)識的工作量，提高工作效率；通過記錄標(biāo)識結(jié)果，可以形成完整的河湖岸邊違建信息庫，為后續(xù)治理提供有力的支持；通過結(jié)合人工智能算法和專家知識，可以進(jìn)一步提高違建識別的準(zhǔn)確率，避免漏報和誤報的情況發(fā)生。交互系統(tǒng)界面如圖3 所示。

圖3 人機(jī)智能交互系統(tǒng)界面

4 結(jié)束語

在河湖資源保護(hù)和管理方面，進(jìn)行無人機(jī)遙感巡河技術(shù)的研究和應(yīng)用具有重要意義。通過無人機(jī)遙感巡河技術(shù)對水環(huán)境、水生態(tài)、水文氣象等方面的信息進(jìn)行采集和處理，可以及時發(fā)現(xiàn)和處理水污染等問題，實現(xiàn)對水資源的科學(xué)調(diào)度和管理，合理利用水資源，滿足不同需求。

首先，需要加強(qiáng)對監(jiān)測設(shè)備的研究和開發(fā)，需要加強(qiáng)對監(jiān)測設(shè)備的研究和開發(fā)，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。

其次，需要加強(qiáng)對數(shù)據(jù)處理和管理的研究。目前，大部分監(jiān)測數(shù)據(jù)都是通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和處理的，因此需要建立完善的數(shù)據(jù)處理和管理系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

綜上所述，在巡河時應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)是保護(hù)和管理河湖資源的重要手段之一。通過對監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)處理和管理、監(jiān)測范圍和監(jiān)測指標(biāo)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和利用等方面的研究和應(yīng)用，可以更好地保護(hù)和管理河湖資源，為人類的生存和發(fā)展提供更好的保障。此外，對無人機(jī)巡河遙感進(jìn)行研究還可以促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新，推動經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步。