无人机高空图像的识别技术

付郑语

摘 要 近几年无人驾驶飞机（以下简称无人机）在低空、超低空等领域得到长足的发展，运用范围也逐步扩大，机器也由高精尖向平民化迈进。无人机高空图像识别是无人机应用领域的一个重要部分，但因需求不一致，导致无人机拍摄的图像质量参差不齐，很多图像都不能进行存储和重复利用，导致人力和机器的重复运作和资源浪费。文章结合相关理论，对无人机高空图像识别相关理论进行分析。

【关键词】无人机 高空拍摄 图像识别 自动成图

虽然民用无人机应用范围狭窄，但也给生产和生活带来了天翻地覆的变化。玩具飞行器让原来许多不可想的事情变成了现实，运输让相关行业越来越快捷，航拍和高空摄影增加了生活的多彩性，催生了民用精确导航等相关行业。由于无人机自身的局限性，往往拍摄的成果很难一次成形（成图）或图像很难指导下次使用，造成重复拍摄等资源浪费。因此，应该加强无人机拍摄的相关设置，形成无人机导航系统地图，或与GPS相应系统对接使无人机自主飞行、自主着落，或调整相关系数调控无人机的控制范围等……想拓展无人机的运用范围，必须进行自主导航、自主起落等各方面的研究。笔者曾参与相关机器人、无人机研究小组，在这方面做了大量的学习、研究工作。2016年7月3日下午，在德国莱比锡举行的2016第20届机器人世界杯赛决赛。笔者所在的机器人代表队表现优异，最终战胜包括来自德国的33支国际队伍，以总分3400超出第二名伊朗队730分的绝对优势，再次获得救援项目（RescueLine）单项赛世界冠军。在清华大学举办的第二届“登峰杯”全国中学生学术科技创新大赛机器人竞赛“室内空中机器人”项目中，就是设计一个四旋翼机器人，模拟实现小型四旋翼无人直升机遥控飞行，并完成精准定点飞行与飞行避障、航拍等任务，先将不同颜色但相同形状的物料分类搬运到设定的目标区域，再“环游世界”到设定的目标区域，最后在无人遥控下飞行到设定的目标区域。笔者也参与了该项目的比赛。

1 测量相关理论分析

狭义上的测量概念，就是指将现场的构建筑物按照一定的测量规律展布在相关图纸上，这里有四个基本要素，就是测量对象、计量单位、测量方法、精确度。一般使用无人机进行高空图像扫描测量，这四个概念很明确。就是将拟执行航行任务区域的地形、地貌、建筑物、构筑物等均测量扫描清楚。一般的车用导航GPS系统均为二维系统，即有精度不同的长度和宽度，根据卫星反射频率时差的位置变化起到导航作用。但无人机导航时，除确定平面位置外，还需明确周边相应物体的高度，如果物体的高度超越了无人机的飞行高度，则必须采用相应措施（抬升或绕道）。如果人工近距离（视野范围）操作无人机可以避免这个问题，但是如果执行距离较远、精度要求较高的任务，则必须采用无人机自动导航系统。因此，必须建立三维的立体系统模型，准确进行无人机导航操作，这是未来无人机项目发展的必经阶段。目前普遍采用的测量方案为在已有GPS导航的基础上加上高程方面的测量，形成全新的三维立体模式。

2 无人机航拍成图系统理论分析

造价昂贵的无人机或军用无人机，一般配置雷达系统，能直观的体现空间各物体的相应位置。但我们接触到的民用无人机一般因其低廉的价格，很难获得较高的配置。结合目前国内相应的无人机研究机构的研究资料显示，要想建立无人机高空导航系统，就必须建立航拍成图系统，充分利用无人机的航拍功能为其导航服务。

众所周知，由于各种起伏地形地貌的差别，相对于无人机系统来说原始地面高差较大，坐立在原始地面上的各种物体差别也较大。无人机起飞升空后，其携带的摄像头虽然可以实时记录地面的变化，但无法提前预知这些变化；如果人工操作，可以根据这些配备的摄像头来确定升高、降低或者绕道等各种操作指令，但人工智能系统对此识别度较差，很难自主避开相应的障碍物。由于无人机在飞行时，高低起伏不定而所携带的摄像头放大倍数一般不作调整，这样因为前后的高度差、时间差和路程差所拍摄的图片会出现比例严重不一致的现象；相对于固定物体来说，部分大型流动物体（如电车等）、临时性出现的物体（如大巴或短时施工车辆）均会对成图系统形成干扰；另外，各种天气的变化、气候的变化等均会引起地面标志物的些许改变，这都是需要在航拍成图时需要重点关注的问题。这就需要我们在航拍成图时遵循一定的规律，去避免矛盾与重复。

3 无人机航拍拼图理论分析

由于无人机的摄像头视角范围有限，经过多次拍摄的图像系统需要在电脑相关软件上进行拼图，才能形成本地区或本区域的导航地图。在拼图时，应严格按照测量相关理论进行多点重复拼接。例如，两个比例不同的图像在进行比例缩放后，应至少找3点以上的不同区域进行拼图，如果这三点均可以拼图成功，再进行一些“多余”的检查，即检查已经拼接成功的部分，是否有重影和协调不和谐的部分。图像拼接完成后，再结合GPS导航系统建立三维立体的导航系统。

4 “登峰杯”比赛及综合应用

在清华大学举办的第二届“登峰杯”全国中学生学术科技创新大赛机器人竞赛“室内空中机器人”项目中，就是设计一个四旋翼机器人，模拟实现小型四旋翼无人直升機遥控飞行，并完成精准定点飞行与飞行避障、航拍等任务，先将不同颜色但相同形状的物料分类搬运到设定的目标区域，再“环游世界”到设定的目标区域，最后在无人遥控下飞行到设定的目标区域。这是四旋翼直升机机器人作为无人机高空图像识别的一个综合利用案例，尤其是最后的“在无人遥控下飞行到设定的目标区域”这个小项目。虽然是室内比赛，但是项目技术参数、技术指标、航拍理论、拼图理论等均能在比赛中得到应用。

该项目要求参赛的机器人为四旋翼无人机，该无人机型旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。要实现无人遥控下飞行，必须准确判断其所通过的障碍物的情况，计算飞行高度。比赛相对比较简单，如果在野外执行无人遥控任务，这就需要我们在无人机执行任务之前完成航拍进行3D高空图像识别、航拍成图、图像拼接等一系列工作，然后再执行任务。

5 综述

近几年，虽然无人机在民用领域取得了长远的发展，但是还有很多领域需要我们去研究开发，让其具备更优的性能，更好地为生产生活服务。

参考文献

[1]王淼等.无人机辅助巡视及绝缘子缺陷图像识别研究[J].电子测量与仪器学报，2015（12）：62-69.

[2]谢旻旻.无人机降落地点的智能障碍图像识别方法仿真[J].计算机仿真，2015（07）：84-87.

作者单位

大连市第八中学 辽宁省大连市 116021