李明軍

科技創(chuàng)新

基于圖像處理技術(shù)的無人機(jī)河道巡查系統(tǒng)

李明軍

河道巡查是預(yù)防河道水污染的重要環(huán)節(jié)，但目前主要采用的人工巡查方式效率低下，需花費(fèi)大量的人工成本，同時(shí)無法全面掌握河道污染情況?，F(xiàn)提出使用無人機(jī)進(jìn)行河道巡查，采用圖像處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動拼接圖像識別河道存在問題，花費(fèi)少量人工成本完成巡查工作，從而提升河道巡查質(zhì)量與效率。

圖像處理技術(shù)；無人機(jī)；河道巡查系統(tǒng)

近年河道巡查的主要方式仍為人工巡查，巡查工作可分為3個(gè)階段：人工巡查、上報(bào)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)。河長制實(shí)施前，大部分的河道并沒有安排巡查工作，因此河道水污染至肉眼可見時(shí)才制定相關(guān)處理措施，但為時(shí)已晚，無法使河道生態(tài)恢復(fù)至最初狀態(tài)。河長制實(shí)施后，安排專業(yè)人員定期對河道巡查工作，通過采集水樣品以及觀察水物理狀態(tài)判斷河水是否被污染。但人工巡查方式存在許多不足，需要安排大量的人員參與巡查，人工記錄數(shù)據(jù)因個(gè)人主觀判斷存在誤差，同時(shí)如果更換記錄員會導(dǎo)致數(shù)據(jù)差異性更大。人工巡查存在一定的失誤，搜集和記錄數(shù)據(jù)過程中會出現(xiàn)失誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)失準(zhǔn)。

除此之外，人工巡查方式一般定期巡查，因此不能實(shí)時(shí)監(jiān)測河道的水污染情況，監(jiān)管中心無法快速治理河道污染，因此會造成河道水污染加重。由于河道巡查采集的數(shù)據(jù)較為龐大，需要耗費(fèi)大量的人工成本，同時(shí)也容易出現(xiàn)差錯，導(dǎo)致數(shù)據(jù)和實(shí)際情況差異過大，從而制定錯誤的應(yīng)對方法，影響治理水污染的效果，且效率低下，無法提高監(jiān)管效率。因此，現(xiàn)階段嘗試應(yīng)用有圖像處理技術(shù)的無人機(jī)進(jìn)行河道巡查工作，具有高效攝影、獲取河道信息的功能，在確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下，基于圖像處理技術(shù)的無人機(jī)河道巡查系統(tǒng)，可提升獲取河道信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，具有良好的應(yīng)用前景。

1.圖像處理技術(shù)

1.1 圖像拼接流程

為了將無人機(jī)航拍圖像拼接，需要應(yīng)用相關(guān)算法以及數(shù)學(xué)與物理領(lǐng)域的相關(guān)知識。圖1為圖像拼接的基本流程。

1.2 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理可確保圖像都具有一定的數(shù)據(jù)信息，提升后續(xù)處理數(shù)據(jù)信息的效率。圖像預(yù)處理可體系配準(zhǔn)的精度。在無人航拍圖像中會存在噪聲和畸變，采取圖像預(yù)處理措施提升搜集的圖像的準(zhǔn)確性。在不同的河道需選用不同的圖像預(yù)處理方法，拼接的圖像為數(shù)字圖像。此文所述圖像預(yù)處理措施，無人機(jī)航拍獲得圖像通過傳輸、存儲過程中，會導(dǎo)致圖像存在噪聲和畸形，導(dǎo)致無法通過圖像獲取信息，最終進(jìn)行圖像拼接也無法為河道污染處理提供信息。

圖像預(yù)處理是通過將圖像在傳輸、存儲過程中出現(xiàn)的噪聲和畸變除去，提高圖像的質(zhì)量，為后續(xù)圖像拼接奠定基礎(chǔ)，也能提高圖像拼接的效率。圖像平滑至通過減弱、消除圖像的噪聲提升圖像的質(zhì)量的過程，在圖像空間域上與變換域上可執(zhí)行該操作。前者利用原圖進(jìn)行相關(guān)的圖像預(yù)處理操作以便改善圖像的質(zhì)量，較為常見的方法為多幅圖平均法、鄰域平均法和中值濾波法等；后者可消除頻域上較高頻率分量的噪聲，達(dá)到圖像平滑的目的。

圖1 圖像拼接基本流程

圖2 無人機(jī)搭載云臺相機(jī)

圖3 圖傳發(fā)射天線

圖4 多旋翼無人機(jī)

表1 飛行指導(dǎo)信息表

圖5 地理信息界面

圖6 任務(wù)上載界面

圖7 圖像監(jiān)測界面

圖8 排污口數(shù)據(jù)查詢記錄界面

1.3 圖像配準(zhǔn)

圖像配準(zhǔn)是圖像拼接過程中的核心步驟。圖像配準(zhǔn)為了找出具有重疊區(qū)域的圖像的相同點(diǎn)，利用相同點(diǎn)實(shí)現(xiàn)圖片匹配，利用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識將二者進(jìn)行關(guān)聯(lián)。圖像配準(zhǔn)過程中需應(yīng)用合適的技術(shù)找出相同點(diǎn)，否則無法找出圖像的重疊部分。

1.4 圖像融合

每副圖像的亮度、曝光度都是不同的，進(jìn)行圖像配準(zhǔn)后所有的圖像都在同一坐標(biāo)系種，由于圖像的亮度和曝光度不同，無法采用簡單疊加的拼接方式，會因亮度差和曝光度差異導(dǎo)致圖像出現(xiàn)失真、模糊、噪聲等問題，該過程為拼縫。而圖像融合可解決上述存在的問題，利用平滑邊界的方式使圖像變得更加自然，最終得到的拼接圖像可為工作人員提供河道污染信息。

2.巡查無人機(jī)選型

2.1 巡查無人機(jī)選型

無人駕駛飛機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle）簡稱無人機(jī)，利用無線遙控設(shè)備和相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離操控不載人飛行器，無人機(jī)航拍系統(tǒng)主要由無人機(jī)、飛機(jī)平臺系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)組成。相比于載人飛機(jī)，無人機(jī)體積更加小巧、成本低下、操作簡單，同時(shí)可遠(yuǎn)距離操控?zé)o人機(jī)。目前可將無人機(jī)劃分為3種類型：多旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)、無人飛艇。

2.2 圖傳系統(tǒng)

無人機(jī)通過遠(yuǎn)距離操控使采集相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)測量并記錄、存儲數(shù)據(jù)，通過航空拍攝得到河道相關(guān)的圖像，由于無人機(jī)機(jī)身與機(jī)翼小巧，更加容易顫抖，因此由于晃動與振動會造成拍攝的圖片模糊或具有噪音。因此采用云臺帶動相機(jī)，實(shí)現(xiàn)各角度平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)，增強(qiáng)相機(jī)的穩(wěn)固性，提高拍攝圖片的質(zhì)量。云臺相機(jī)如圖2所示。

無人機(jī)利用圖像傳輸系統(tǒng)將利用云臺相機(jī)拍攝獲得的圖片和采集的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至操控員的顯示屏幕中，主要通過圖傳發(fā)射天線實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，因此操控者可遠(yuǎn)距離觀察河道的信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測，并且不受時(shí)間的限制，隨時(shí)可進(jìn)行河道巡查工作。圖3為圖傳發(fā)射天線實(shí)物圖。

2.3 航拍功能

將數(shù)碼相機(jī)或者攝像機(jī)安裝至無人機(jī)上，經(jīng)過操控飛行拍攝圖像和獲取信息，利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)同步信息，為工作人員實(shí)時(shí)提供河道的相關(guān)信息和圖像。航拍前需要設(shè)置航拍點(diǎn)、攝影比例、重疊度等參數(shù)，以便航拍過程中通過飛行控制體系調(diào)整飛行的速率拍攝質(zhì)量好的圖像，為圖像拼接提供高質(zhì)量的圖像，提升圖像拼接效率效果。

2.4 無人機(jī)選型

2.4.1固定翼機(jī)型

固定翼型無人機(jī)具有許多有點(diǎn)，其續(xù)航能力強(qiáng)，飛行的速度相比于其他類型無人機(jī)更快，在飛行的同時(shí)能裝備許多巡查設(shè)備；且抗風(fēng)能力強(qiáng)。但固定翼型無人機(jī)獲取信息的質(zhì)量低下，由于飛行速度快，容易導(dǎo)致機(jī)身出現(xiàn)晃動和振動，導(dǎo)致拍攝的圖像模糊或存在噪音，因此無法為監(jiān)測中心提供高質(zhì)量的圖像。除此之外，該機(jī)型的無人機(jī)無法在定點(diǎn)出懸停，無法采集河道的詳細(xì)信息。因此由于上述的缺點(diǎn)無法為河道巡查提供有效的信息，一般不采用該機(jī)型無人機(jī)進(jìn)行河道巡查工作。

2.4.2多旋翼機(jī)型

多旋翼機(jī)型無人機(jī)具有多旋翼，一般為四旋翼、六旋翼、八旋翼。該機(jī)型無人機(jī)更加小巧輕便、操作簡單，航拍的圖像質(zhì)量高；并且能定點(diǎn)盤旋，但是由于該機(jī)型過于小巧輕便，容易受風(fēng)速影響，因此在風(fēng)力較強(qiáng)情況下無法應(yīng)用該機(jī)型無人機(jī)。圖4為多旋翼無人機(jī)實(shí)物圖。

2.4.3使用機(jī)型

為了保證河道巡查工作的效率和質(zhì)量，盡可能一次航拍完成巡查工作。但由于各類型的無人機(jī)操作的難易程度不同、無人機(jī)航拍圖像質(zhì)量不同以及抗風(fēng)能力不同等多方面因素，此文河道巡查實(shí)驗(yàn)采用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行河道巡查工作。

3.工程應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由四旋翼無人機(jī)機(jī)體、18倍光學(xué)變焦相機(jī)、地面站計(jì)算機(jī)、遙控手柄組成。由于該系統(tǒng)安裝至無人機(jī)的設(shè)備重量過大，為了減輕無人機(jī)的負(fù)擔(dān)，因此采用電池艙和相機(jī)云臺相結(jié)合的裝置。同時(shí)采用數(shù)據(jù)鏈環(huán)節(jié)數(shù)傳模塊和圖傳模塊結(jié)合的方案，共同采用一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像信息的傳播，即可滿足實(shí)驗(yàn)的要求，也可減輕無人機(jī)的負(fù)重。

無人機(jī)搭載了18倍光學(xué)變焦的航拍相機(jī)，可實(shí)現(xiàn)各角度進(jìn)行拍攝獲取河道圖像，不受飛行速度、高度的限制。運(yùn)用地面站計(jì)算機(jī)和遙控手柄結(jié)合的方案，即自動控制方式和手動控制方式相結(jié)合方案，通過應(yīng)用地面站監(jiān)控軟件可使無人機(jī)自主航行并完成拍攝和收集信息等任務(wù)。由于多旋翼無人機(jī)的抗風(fēng)能力較弱，易受到風(fēng)速的影響導(dǎo)致無人機(jī)墜毀，為了減少經(jīng)濟(jì)損失，因此采用遙控手柄進(jìn)行手動控制。

3.2 預(yù)存河段地理信息獲取

經(jīng)過實(shí)地考察，該河段南北縱向分布，河道全長約為1500m，寬度范圍為3～4m，河道兩側(cè)全為農(nóng)田和住宅區(qū)。綜合考慮河道的長度以及兩岸的環(huán)境，決定設(shè)置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。具體環(huán)境特征及建議的飛行高度范圍和飛行速度對應(yīng)如表1所示。

如圖6所示，應(yīng)用地面站軟件可將河段地理信息存儲至軟件中，也可將地理數(shù)據(jù)形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)表，得到的結(jié)果如圖5所示。因?yàn)樵诤佣沃車嬖谝粋€(gè)排污口，該軟件可自動獲取排污口的信息，根據(jù)信息生成一張與排污口相關(guān)的數(shù)據(jù)表，最后將排污口的圖片作為標(biāo)準(zhǔn)對比圖片。

3.3 無人機(jī)連接與信息上傳

做好地面準(zhǔn)備工作后，首先在無人機(jī)上裝載電池以及變焦相機(jī)，通過數(shù)據(jù)鏈通信盒與地面站計(jì)算機(jī)連接遙控手柄。利用地面站軟件可與無人機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)正常通訊，從而傳輸信息。在此次實(shí)驗(yàn)中首次連接無人機(jī)失敗，經(jīng)過故障排查發(fā)現(xiàn)由于通信鏈路不穩(wěn)定導(dǎo)致連接失敗，最后重新啟動通信設(shè)備才可成功連接無人機(jī)。

河道沿岸設(shè)置的5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，無人機(jī)都可在這些位置起飛和降落，然后設(shè)置無人機(jī)的飛行航線。此次實(shí)驗(yàn)以1號監(jiān)測點(diǎn)為起始航點(diǎn)，5號監(jiān)測點(diǎn)為終止航點(diǎn)，按監(jiān)測點(diǎn)的序號依次飛行，形成無人機(jī)飛行航線，如圖6所示。由于5號監(jiān)測點(diǎn)周圍存在排污口，為了詳細(xì)監(jiān)測排污口附近的水域變化，因此安排的飛行航線每次必經(jīng)5號監(jiān)測點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)與地面站的信息傳輸存在一定的延遲，因此在部分航段上需人工操控?zé)o人機(jī)。

3.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測與管理

無人機(jī)飛行過程中實(shí)時(shí)傳輸自身的飛行情況、拍攝的圖片以及獲取的河道信息。無人機(jī)傳輸?shù)男畔⒔?jīng)地面站軟件將其存儲形成相應(yīng)的飛行數(shù)據(jù)表，得到飛行日志，拍攝的河道圖像以視頻的形式在地面站軟件中投放。無人機(jī)經(jīng)過5號監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，需拍攝排污口，獲取圖片的信息，同時(shí)將圖像以及信息都存儲至地面站軟件中的數(shù)據(jù)表中，圖片需存儲至計(jì)算機(jī)的硬盤中。圖像監(jiān)測面如圖7所示。

通過處理、分析排污口的數(shù)據(jù)表后，按照時(shí)間的先后可隨時(shí)查詢河道巡查信息，數(shù)據(jù)表中含有排污口的圖像。選中兩時(shí)間段的數(shù)據(jù)表，可對比排污口的實(shí)時(shí)圖像，判斷圖像出現(xiàn)差異的因素，并將其備注于圖像上，完善排污口數(shù)據(jù)表。排污口數(shù)據(jù)表查詢記錄如圖8所示。

3.5 河道淤積情況巡查

為提升河道景觀效果，全力做河流管理保護(hù)工作，采用無人機(jī)巡查模式，對河流進(jìn)行空地結(jié)合、人機(jī)結(jié)合、立體交叉巡查，有力突破了徒步巡河方式單一、發(fā)現(xiàn)問題能力不足的“瓶頸”，全面提升了河流精細(xì)化管護(hù)水平。對轄區(qū)內(nèi)的景觀苗木進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)、整形、病蟲害防治，擇優(yōu)補(bǔ)植常綠樹種，過去河岸失修、淤積嚴(yán)重、垃圾漂浮的河道換了容顏，吸引了各類水鳥棲息，一個(gè)完整的生態(tài)圈正在形成，一幅濃墨重彩的生態(tài)美麗畫卷正在徐徐鋪開。

4.結(jié)論

水污染是全球普遍存在的環(huán)境污染問題，由于我國推行河長制，可有效解決河道水污染問題。河湖保護(hù)工作主要為河道巡查、河道信息管理和處理。為了提升河道巡查的效率與質(zhì)量，通過多方考量，選用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的無人機(jī)河道巡查系統(tǒng)，驗(yàn)證其河道巡查效果。進(jìn)行了無人機(jī)河道巡查實(shí)驗(yàn)，通過地面站、圖像處理技術(shù)、無人機(jī)等設(shè)備與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取河道信息，及時(shí)展現(xiàn)河道的污染情況，監(jiān)測中心從而可制定合理的水污染治理措施。但由于無人機(jī)目前受到環(huán)境的限制，同時(shí)采集的信息質(zhì)量還有很大的提升空間，因此還需深入研究無人機(jī)河道巡查系統(tǒng)，不斷完善無人機(jī)巡查系統(tǒng)，為環(huán)境治理工作提供更加先進(jìn)的技術(shù)。

2022-04-29

李明軍，男，漢族，甘肅省平?jīng)鍪谐缧趴h水利工程建設(shè)站，工程師。