无人机遥感技术在巡河场景中的应用研究

罗三强，朱红卫，朱 瑾，赵 涛

（1.三峡大学 水工程智慧建造与管理湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002；2.枝江市水利工程质量安全监督站，湖北 宜昌 443000）

江河湖泊具有重要的资源功能和生态功能，是洪水的通道、水资源的载体、生态环境的重要组成部分。随着经济社会的发展，人类活动对河湖空间的挤压和侵占日益严重，加强对河湖的动态管理刻不容缓。然而在传统的河湖动态监测中，工作量大、效率低、交通不便、地形复杂区域监测及取证困难和定量化分析能力不足，基层单位河湖管理存在监管能力薄弱、监管手段滞后、关键技术受制等问题。

无人机遥感在收集数据方面具有明显优势，也给之后的数据处理带来了新的挑战与机遇。一方面，分辨率高、信息量大会导致信息识别提取难度高的问题；另一方面，海量高分辨率的数据急需更精准的分析算法以达到充分利用。而机器学习，为以上问题提供了良好的解决方法。机器学习不仅能够更为有效地对无人机遥感影像做影像分割处理，提升无人机遥感影像对各类事件的识别精度，还可以模拟极其复杂的关系，为遥感反演提供策略。

1 国内外研究现状分析

在河湖流域的生态保护方面，无人机技术的应用越来越受到重视。无人机技术可以为巡河管理提供高效、精准的技术手段，同时也可以对河湖流域进行全面、实时的监测和管理，为生态保护工作提供有力支持。

目前，无人机技术在巡河管理任务中的应用已经取得了一定的成果。近年来，国内外学者在无人机遥感的飞行控制与导航系统上，非线性动态控制、神经网络智能控制方法已展开较为深入的研究。这些新型方法，如自适应控制方法能够对飞行装置进行灵活、高精度操控，从源头上有效保证了无人机遥感作业的平稳性。国外学者Guillaume J.J Ducard 进行大量的实验研究后明确指出，对于无人机进行卡曼滤波的故障检测与隔离控制系统，即便是受到外部因素的限制与干扰或是模型未知时，也能实现合理控制，促使系统故障与机体损伤进行重构，实现真正意义上的容错性飞行控制与导航，进而为无人机遥感作业安全、稳定开展提供相应支持。

2 研究方案

2.1 工程项目概况

沮漳河流域位于长江中游北岸，系长江一级支流。跨襄阳、宜昌、荆州及荆门等地市，流域地势西北高、东南低。沮漳河集水面积7 305 km2，支流164 条。其中沮河河段长230 km，集水面积3 353 km2，支流67 条。上游地区地势高峻，河流穿行于丛山之间。中游为低山丘陵，下游进入江汉平原边缘，地势开阔坦荡。

沮漳河已于2019 年完成划界确权，有清晰的河道管理范围，便于监控系统的实施和运用，利用上述无人机动态监控、系统监控以及河湖管理动态监控基础平台等技术平台，对沮漳河流域试点进行系统测试和优化，以便在更多河湖推广该套技术，同时力争将沮漳河打造成全省河流空间管控的示范。

2.2 应用参数设定

首先在明确无人机巡河区域后需要对巡查区域具体情况进行安全分析。

2.2.1 飞行安全

安全问题一定是摆在第一位的（以大疆精灵4 为例）在实际外场飞行前，请先进行飞行培训或训练，比如使用调参软件中的模拟器进行练习，或由专业人士进行指导等。飞行前须根据飞行要求和限制，选择合适的飞行环境。

比如大雾天气，能见度是影响无人机飞行航程重要因素。能见度过低会导致无人机无法正常飞行，无法准确观察到地面情况，从而影响无人机的安全飞行。

2.2.2 飞行电力续航

无人机的电力续航设定是影响无人机飞行时间的重要因素，各种选型无人机航程及电力续航皆有差异，在经过大量试飞测试研究后发现，无人机的飞行续航时间受天气气象因素影响较大，主要有以下几点。

1）大风天气。飞行器飞行过程中受到风阻太大会减少电池续航，相对于无风天气在7 m/s 的平均风速情况下维持10 m/s 的无人机巡河速度会由原实际飞行续航时间30 min 缩减至15 min。

2）寒冷天气。在寒冷天气条件下飞行器的电池为了维持温度也会加快电力的消耗。

3 巡航参数设定与分析

3.1 飞行航线节点设计

节点设计以大疆精灵4 无人机为例，宜昌市黄柏河为研究区，按照巡河实际任务不同，以宽度、需要巡查的河道长度等实际情况进行设置。该航线总长度为14.3 km，预计飞行时间为1 166 s，设置飞行节点数11个，飞行器偏航角为沿航线方向，云台俯仰角度依照每个航点进行设置，任务完成后自动返航。

3.2 飞行高度及云台角度

在进行飞行高度以及飞行角度的适应性参数设定之前，可以先进行计算。

首先可以通过无人机的飞行高度、镜头参数计算GSD、幅宽，以大疆精灵4 为例，通过官网提供的参数可知：像素为8 192×5 460；像元大小为4.4 μm；焦段为24、35、50 mm；此外，官方给出了GSD 参数，其中，地面分辨率GSD 的单位cm/像素；飞行高度H 的单位m。24 mm 镜头，GSD=H/55；35 mm 镜头，GSD=H/80；50 mm 镜头，GSD=H/114；

因此，假设无人机飞行高度H=120 m，则有

24 mm：GSD 为2.2 cm/pixel，幅宽为178 m×119 m；

35 mm：GSD 为1.5 cm/pixel，幅宽为122 m×81.9 m；

50 mm：GSD 为1 cm/pixel，幅宽为86 m×57 m。

以项目组试验使用的大疆精灵4 为例飞控系统使用的是GSPRO。

其一，要看选择的照片尺寸是多大，以及对应的宽高比；

其二，对应高度的分辨率（跟飞行高度有关）；例如是Phantom4Pro，照片尺寸为16 MB。

以项目组试验使用的精灵4 热红外系列为例，飞控系统使用的是DJI pilot2。

1）飞行高度。无人机巡河飞行高度主要是为了在合适角度范围内适配不同宽度的河道而设置，这里以大疆精灵4 无人机为例，项目组在经过大量巡河试飞测试研究发现：

由图1 可知，飞行高度太低，无法监测河道全貌及河两岸具体情况；飞行高度太高，无法监测到清晰地物，以及进行判别；飞行高度适中，可以监测河道全貌及河两岸具体情况。

图1 低飞行高度下拍摄的巡河画面

采用30°的俯角β（某一固定宽度的河流）的最佳观测高度。经过之前的无人机巡河活动，可以确认俯角60°以上的俯角不适合用来巡河。而俯角30°较为适宜。以黄柏河的河心公园为例，河面宽度为170 m，对应的视野刚刚符合标准的高度约为110 m，而在320 m 处，对应的高度大约在175 m 左右的位置，对应的河宽（w）与高度（h）的比值（k）估算大约在0.547～0.647 之间比较合适，取0.62 为最佳值，即

h=k·w。

采用45°的俯角β（某一固定宽度的河流）的最佳观测高度。以黄柏河的河心公园为例，河面宽度为170 m，当无人机至少要飞行到130 m 的高空时才可以清晰完整地观测到两侧河岸与中间河床，对应的河宽与高度的比值估算大约在0.647～0.765 之间比较合适，取0.7 为最佳值。

采用60°的俯角β（某一固定宽度的河流）的最佳观测高度。以黄柏河的河心公园为例，河面宽度为170 m，目前采集了若干飞行高度无人机视频，当高度在约175 m 处所获得的视角比较合适，对应的河宽与高度的比值估算大约在0.765～1.000 之间比较合适，取0.87 为最佳值（表1）。

表1 巡河飞行角度适宜设定

当β 值为30°～60°之间时，k=0.000 2 β2-0.009 7 β+0.73。

2）飞行角度。无人机巡河飞行角度主要是为了针对在合适高度范围内适配不同宽度的河道而设置，这里以大疆精灵4 无人机为例，在经过大量巡河试飞测试研究发现：由图2 可知，飞行角度太低，前方河道视野太差；飞行角度太高，无法监测到飞行器下方情况；飞行角度适中，既可以监测河道当下位置情况，前方视野也较好。

图2 不同角度下的无人机航拍视角

在对实际巡河测试数据进行研究发现（以大疆精灵4 为例）在200 m 限高的情况下可以观测到两岸视野的极限宽度范围。经过之前的无人机巡河活动，可以大致确认河宽在320 m 以上的河流不适合只用一台大疆精灵4 无人机巡河。以黄柏河小溪塔大桥段为例，河宽为448 m，超过了320 m。而该型号的无人机在试验地段的限飞高度为200 m，对应的河宽大约为320 m。一旦超过320 m，在俯角保持在30～45°的情况下，会难以一次性捕获两岸的全部视野。最终得出如下结论。一是无人机巡河时应该高度设置与航线设置应该注意附近的高压电站与高压线网的高度，在执行任务前应当肉眼观察附近的高压电站分布，再设定飞行的高度和路线。二是试验数据经过几何模型估算，大疆精灵4 无人机在100 m 高空以30°俯视角时，扫过的最窄宽度约为139.3 m（表2）。

表2 巡河飞行高度适宜设定

3.3 采集影像的对象分析

近年来，由于在海量数据与计算力的加持下，深度学习对图像数据表现出强大的表示能力，成为了机器视觉的热点研究方向。图像的表示学习，或者让计算机理解图像是机器视觉的中心问题。图像理解包括分类、定位、检测与分割等单个或组合任务。

基于YOLOv5 算法构建训练集，通过对河湖岸边建筑物进行自动标识，开发了人机智能交互系统。该系统不仅可实现计算机辅助人工标识疑似违规建筑，而且还可以记录标识结果，并结合人工智能算法和专家知识，实现高效、准确地识别河湖岸边违建。此外，该系统还具有以下优点：通过自动标识，可以大大减轻人工标识的工作量，提高工作效率；通过记录标识结果，可以形成完整的河湖岸边违建信息库，为后续治理提供有力的支持；通过结合人工智能算法和专家知识，可以进一步提高违建识别的准确率，避免漏报和误报的情况发生。交互系统界面如图3 所示。

图3 人机智能交互系统界面

4 结束语

在河湖资源保护和管理方面，进行无人机遥感巡河技术的研究和应用具有重要意义。通过无人机遥感巡河技术对水环境、水生态、水文气象等方面的信息进行采集和处理，可以及时发现和处理水污染等问题，实现对水资源的科学调度和管理，合理利用水资源，满足不同需求。

首先，需要加强对监测设备的研究和开发，需要加强对监测设备的研究和开发，提高设备的稳定性和可靠性，确保监测数据的有效性和准确性。

其次，需要加强对数据处理和管理的研究。目前，大部分监测数据都是通过计算机网络进行传输和处理的，因此需要建立完善的数据处理和管理系统，确保数据的安全性和可靠性。

综上所述，在巡河时应用无人机遥感技术是保护和管理河湖资源的重要手段之一。通过对监测设备、数据处理和管理、监测范围和监测指标以及监测数据的分析和利用等方面的研究和应用，可以更好地保护和管理河湖资源，为人类的生存和发展提供更好的保障。此外，对无人机巡河遥感进行研究还可以促进相关产业的发展和创新，推动经济的发展和社会的进步。