基于图像处理技术的无人机河道巡查系统

李明军

科技创新

基于图像处理技术的无人机河道巡查系统

李明军

河道巡查是预防河道水污染的重要环节，但目前主要采用的人工巡查方式效率低下，需花费大量的人工成本，同时无法全面掌握河道污染情况。现提出使用无人机进行河道巡查，采用图像处理技术，可实现自动拼接图像识别河道存在问题，花费少量人工成本完成巡查工作，从而提升河道巡查质量与效率。

图像处理技术；无人机；河道巡查系统

近年河道巡查的主要方式仍为人工巡查，巡查工作可分为3个阶段：人工巡查、上报数据、处理数据。河长制实施前，大部分的河道并没有安排巡查工作，因此河道水污染至肉眼可见时才制定相关处理措施，但为时已晚，无法使河道生态恢复至最初状态。河长制实施后，安排专业人员定期对河道巡查工作，通过采集水样品以及观察水物理状态判断河水是否被污染。但人工巡查方式存在许多不足，需要安排大量的人员参与巡查，人工记录数据因个人主观判断存在误差，同时如果更换记录员会导致数据差异性更大。人工巡查存在一定的失误，搜集和记录数据过程中会出现失误导致数据失准。

除此之外，人工巡查方式一般定期巡查，因此不能实时监测河道的水污染情况，监管中心无法快速治理河道污染，因此会造成河道水污染加重。由于河道巡查采集的数据较为庞大，需要耗费大量的人工成本，同时也容易出现差错，导致数据和实际情况差异过大，从而制定错误的应对方法，影响治理水污染的效果，且效率低下，无法提高监管效率。因此，现阶段尝试应用有图像处理技术的无人机进行河道巡查工作，具有高效摄影、获取河道信息的功能，在确保数据准确的前提下，基于图像处理技术的无人机河道巡查系统，可提升获取河道信息的准确性和及时性，具有良好的应用前景。

1.图像处理技术

1.1 图像拼接流程

为了将无人机航拍图像拼接，需要应用相关算法以及数学与物理领域的相关知识。图1为图像拼接的基本流程。

1.2 图像预处理

图像预处理可确保图像都具有一定的数据信息，提升后续处理数据信息的效率。图像预处理可体系配准的精度。在无人航拍图像中会存在噪声和畸变，采取图像预处理措施提升搜集的图像的准确性。在不同的河道需选用不同的图像预处理方法，拼接的图像为数字图像。此文所述图像预处理措施，无人机航拍获得图像通过传输、存储过程中，会导致图像存在噪声和畸形，导致无法通过图像获取信息，最终进行图像拼接也无法为河道污染处理提供信息。

图像预处理是通过将图像在传输、存储过程中出现的噪声和畸变除去，提高图像的质量，为后续图像拼接奠定基础，也能提高图像拼接的效率。图像平滑至通过减弱、消除图像的噪声提升图像的质量的过程，在图像空间域上与变换域上可执行该操作。前者利用原图进行相关的图像预处理操作以便改善图像的质量，较为常见的方法为多幅图平均法、邻域平均法和中值滤波法等；后者可消除频域上较高频率分量的噪声，达到图像平滑的目的。

图1 图像拼接基本流程

图2 无人机搭载云台相机

图3 图传发射天线

图4 多旋翼无人机

表1 飞行指导信息表

图5 地理信息界面

图6 任务上载界面

图7 图像监测界面

图8 排污口数据查询记录界面

1.3 图像配准

图像配准是图像拼接过程中的核心步骤。图像配准为了找出具有重叠区域的图像的相同点，利用相同点实现图片匹配，利用数学领域的知识将二者进行关联。图像配准过程中需应用合适的技术找出相同点，否则无法找出图像的重叠部分。

1.4 图像融合

每副图像的亮度、曝光度都是不同的，进行图像配准后所有的图像都在同一坐标系种，由于图像的亮度和曝光度不同，无法采用简单叠加的拼接方式，会因亮度差和曝光度差异导致图像出现失真、模糊、噪声等问题，该过程为拼缝。而图像融合可解决上述存在的问题，利用平滑边界的方式使图像变得更加自然，最终得到的拼接图像可为工作人员提供河道污染信息。

2.巡查无人机选型

2.1 巡查无人机选型

无人驾驶飞机（Unmanned Aerial Vehicle）简称无人机，利用无线遥控设备和相关程序实现远距离操控不载人飞行器，无人机航拍系统主要由无人机、飞机平台系统、信息采集系统、远程操控系统组成。相比于载人飞机，无人机体积更加小巧、成本低下、操作简单，同时可远距离操控无人机。目前可将无人机划分为3种类型：多旋翼无人机、固定翼无人机、无人飞艇。

2.2 图传系统

无人机通过远距离操控使采集相关的信息数据，并实时测量并记录、存储数据，通过航空拍摄得到河道相关的图像，由于无人机机身与机翼小巧，更加容易颤抖，因此由于晃动与振动会造成拍摄的图片模糊或具有噪音。因此采用云台带动相机，实现各角度平稳翻转，增强相机的稳固性，提高拍摄图片的质量。云台相机如图2所示。

无人机利用图像传输系统将利用云台相机拍摄获得的图片和采集的相关数据传输至操控员的显示屏幕中，主要通过图传发射天线实现信息的传输，因此操控者可远距离观察河道的信息，实现远距离监测，并且不受时间的限制，随时可进行河道巡查工作。图3为图传发射天线实物图。

2.3 航拍功能

将数码相机或者摄像机安装至无人机上，经过操控飞行拍摄图像和获取信息，利用数据处理技术同步信息，为工作人员实时提供河道的相关信息和图像。航拍前需要设置航拍点、摄影比例、重叠度等参数，以便航拍过程中通过飞行控制体系调整飞行的速率拍摄质量好的图像，为图像拼接提供高质量的图像，提升图像拼接效率效果。

2.4 无人机选型

2.4.1固定翼机型

固定翼型无人机具有许多有点，其续航能力强，飞行的速度相比于其他类型无人机更快，在飞行的同时能装备许多巡查设备；且抗风能力强。但固定翼型无人机获取信息的质量低下，由于飞行速度快，容易导致机身出现晃动和振动，导致拍摄的图像模糊或存在噪音，因此无法为监测中心提供高质量的图像。除此之外，该机型的无人机无法在定点出悬停，无法采集河道的详细信息。因此由于上述的缺点无法为河道巡查提供有效的信息，一般不采用该机型无人机进行河道巡查工作。

2.4.2多旋翼机型

多旋翼机型无人机具有多旋翼，一般为四旋翼、六旋翼、八旋翼。该机型无人机更加小巧轻便、操作简单，航拍的图像质量高；并且能定点盘旋，但是由于该机型过于小巧轻便，容易受风速影响，因此在风力较强情况下无法应用该机型无人机。图4为多旋翼无人机实物图。

2.4.3使用机型

为了保证河道巡查工作的效率和质量，尽可能一次航拍完成巡查工作。但由于各类型的无人机操作的难易程度不同、无人机航拍图像质量不同以及抗风能力不同等多方面因素，此文河道巡查实验采用多旋翼无人机进行河道巡查工作。

3.工程应用

3.1 实验系统搭建

实验系统由四旋翼无人机机体、18倍光学变焦相机、地面站计算机、遥控手柄组成。由于该系统安装至无人机的设备重量过大，为了减轻无人机的负担，因此采用电池舱和相机云台相结合的装置。同时采用数据链环节数传模块和图传模块结合的方案，共同采用一个模块实现数据和图像信息的传播，即可满足实验的要求，也可减轻无人机的负重。

无人机搭载了18倍光学变焦的航拍相机，可实现各角度进行拍摄获取河道图像，不受飞行速度、高度的限制。运用地面站计算机和遥控手柄结合的方案，即自动控制方式和手动控制方式相结合方案，通过应用地面站监控软件可使无人机自主航行并完成拍摄和收集信息等任务。由于多旋翼无人机的抗风能力较弱，易受到风速的影响导致无人机坠毁，为了减少经济损失，因此采用遥控手柄进行手动控制。

3.2 预存河段地理信息获取

经过实地考察，该河段南北纵向分布，河道全长约为1500m，宽度范围为3～4m，河道两侧全为农田和住宅区。综合考虑河道的长度以及两岸的环境，决定设置5个监测点。具体环境特征及建议的飞行高度范围和飞行速度对应如表1所示。

如图6所示，应用地面站软件可将河段地理信息存储至软件中，也可将地理数据形成相应的数据表，得到的结果如图5所示。因为在河段周围存在一个排污口，该软件可自动获取排污口的信息，根据信息生成一张与排污口相关的数据表，最后将排污口的图片作为标准对比图片。

3.3 无人机连接与信息上传

做好地面准备工作后，首先在无人机上装载电池以及变焦相机，通过数据链通信盒与地面站计算机连接遥控手柄。利用地面站软件可与无人机连接，实现正常通讯，从而传输信息。在此次实验中首次连接无人机失败，经过故障排查发现由于通信链路不稳定导致连接失败，最后重新启动通信设备才可成功连接无人机。

河道沿岸设置的5个监测点，无人机都可在这些位置起飞和降落，然后设置无人机的飞行航线。此次实验以1号监测点为起始航点，5号监测点为终止航点，按监测点的序号依次飞行，形成无人机飞行航线，如图6所示。由于5号监测点周围存在排污口，为了详细监测排污口附近的水域变化，因此安排的飞行航线每次必经5号监测点。在实验过程中发现，无人机与地面站的信息传输存在一定的延迟，因此在部分航段上需人工操控无人机。

3.4 数据监测与管理

无人机飞行过程中实时传输自身的飞行情况、拍摄的图片以及获取的河道信息。无人机传输的信息经地面站软件将其存储形成相应的飞行数据表，得到飞行日志，拍摄的河道图像以视频的形式在地面站软件中投放。无人机经过5号监测点时，需拍摄排污口，获取图片的信息，同时将图像以及信息都存储至地面站软件中的数据表中，图片需存储至计算机的硬盘中。图像监测面如图7所示。

通过处理、分析排污口的数据表后，按照时间的先后可随时查询河道巡查信息，数据表中含有排污口的图像。选中两时间段的数据表，可对比排污口的实时图像，判断图像出现差异的因素，并将其备注于图像上，完善排污口数据表。排污口数据表查询记录如图8所示。

3.5 河道淤积情况巡查

为提升河道景观效果，全力做河流管理保护工作，采用无人机巡查模式，对河流进行空地结合、人机结合、立体交叉巡查，有力突破了徒步巡河方式单一、发现问题能力不足的“瓶颈”，全面提升了河流精细化管护水平。对辖区内的景观苗木进行浇水养护、整形、病虫害防治，择优补植常绿树种，过去河岸失修、淤积严重、垃圾漂浮的河道换了容颜，吸引了各类水鸟栖息，一个完整的生态圈正在形成，一幅浓墨重彩的生态美丽画卷正在徐徐铺开。

4.结论

水污染是全球普遍存在的环境污染问题，由于我国推行河长制，可有效解决河道水污染问题。河湖保护工作主要为河道巡查、河道信息管理和处理。为了提升河道巡查的效率与质量，通过多方考量，选用经济实惠的无人机河道巡查系统，验证其河道巡查效果。进行了无人机河道巡查实验，通过地面站、图像处理技术、无人机等设备与技术，实现实时获取河道信息，及时展现河道的污染情况，监测中心从而可制定合理的水污染治理措施。但由于无人机目前受到环境的限制，同时采集的信息质量还有很大的提升空间，因此还需深入研究无人机河道巡查系统，不断完善无人机巡查系统，为环境治理工作提供更加先进的技术。

2022-04-29

李明军，男，汉族，甘肃省平凉市崇信县水利工程建设站，工程师。