【入圍文章·3】無人機(jī)在泰國瀕危海洋生物及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測調(diào)查中的應(yīng)用

為積極推進(jìn)國家“一帶一路”戰(zhàn)略，促進(jìn)海洋技術(shù)合作與發(fā)展，國家海洋技術(shù)中心（以下簡稱“技術(shù)中心”）注重加強(qiáng)與一帶一路沿線國家的技術(shù)交流與合作。2013年以來，技術(shù)中心開展了海洋無人機(jī)的應(yīng)用技術(shù)研究、業(yè)務(wù)應(yīng)用及管理工作。2017年在中泰聯(lián)委會上明確了與泰國在無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用上的合作事宜，并在2018年將項(xiàng)目正式列入了中泰海洋合作第2個五年規(guī)劃（2019-2023）提議中。

為推進(jìn)項(xiàng)目落實(shí)，技術(shù)中心在2017年購置了飛馬F200智能航測系統(tǒng)，并攜F200在2017年12月赴泰國，與普吉海洋生態(tài)中心共同開展了無人機(jī)監(jiān)測合作。

合作項(xiàng)目的主要內(nèi)容是選取董里府Libong島及其周邊海域?yàn)槟繕?biāo)區(qū)域，利用無人機(jī)獲取瀕危海洋保護(hù)生物儒艮(Dugong)、紅樹林、島嶼植被、海岸帶、人類活動情況等監(jiān)測信息，為海洋生態(tài)及資源環(huán)境保護(hù)管理提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

圖1：中泰雙方人員合影

本項(xiàng)目實(shí)施的具體技術(shù)流程分為前期準(zhǔn)備、飛行作業(yè)、數(shù)據(jù)處理和成果制作，如下圖所示。

圖2：項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)流程

坐標(biāo)系選用WGS84坐標(biāo)系，UTM投影，中央子午線依據(jù)測區(qū)所在經(jīng)度而定。正射影像分辨率依據(jù)不同的監(jiān)測對象設(shè)定，不低于10cm。

獲取的數(shù)據(jù)類型包括正射影像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、空中全景數(shù)據(jù)等。

1、前期準(zhǔn)備

1）報關(guān)申報

提前進(jìn)行設(shè)備報關(guān)申報，并在泰國有關(guān)航空管理部門進(jìn)行備案。

2）飛機(jī)測試

出發(fā)前測試F200工作狀態(tài)，在寶坻飛行基地進(jìn)行試飛，確保機(jī)身、飛控、數(shù)據(jù)鏈、相機(jī)等均為正常狀態(tài)。

3）設(shè)備準(zhǔn)備及運(yùn)輸

為提高突發(fā)情況應(yīng)對能力，本項(xiàng)目攜帶設(shè)備為2架飛馬F200無人機(jī)，1架D1000。搭載載荷為SONYRX1R-II相機(jī)、視頻模塊。（由于項(xiàng)目對精度無嚴(yán)格要求，因此未攜帶F200差分地面站設(shè)備）

4）資料收集

與泰方聯(lián)系，收集相關(guān)資料，主要有天氣狀況、風(fēng)力狀況、海水潮汐資料及航測區(qū)域位置等。

表1：收集資料類型

圖3-1：任務(wù)位置分布圖

監(jiān)測區(qū)塊1是紅樹林、海洋生物儒艮的監(jiān)測區(qū)域，為本項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域；監(jiān)測區(qū)塊2和3分別監(jiān)測人類聚居區(qū)和海岸帶區(qū)域。

5）現(xiàn)場勘查

到達(dá)現(xiàn)場后，對預(yù)先選取的起降點(diǎn)周邊進(jìn)行現(xiàn)場勘查。主要勘查內(nèi)容包括環(huán)境、地形、交通、居民分布等，并確定起降場地，規(guī)劃飛行航線。

2、飛行作業(yè)

1）飛行規(guī)劃

a)飛行需求

由于本項(xiàng)目中監(jiān)測對象特點(diǎn)不同，經(jīng)過與普吉海洋生態(tài)中心充分溝通監(jiān)測需求，確定了對海洋生物儒艮、紅樹林、人類聚集區(qū)和海岸帶等的監(jiān)測方案。海洋生物儒艮成體平均長約2.7米，幼年體長隨年齡大小而不同。針對儒艮的遙感監(jiān)測將其分辨率設(shè)定為3cm-5cm，這樣在影像上成年體長的儒艮顯示大約為50-80個像素，考慮到幼年儒艮假定體長約1米，影像顯示也可達(dá)到20-30個像素，完全能夠滿足解譯矢量統(tǒng)計(jì)儒艮生物數(shù)量及尺寸。

圖3-2：儒艮（dugong）外觀圖

紅樹林生長在海岸帶的潮間帶上部，是陸地與海洋交界的灘涂淺灘。紅樹林具有防風(fēng)消浪、促淤保灘、凈化海水和空氣的功能，針對其生長分布特點(diǎn)，制定了無人機(jī)遙感監(jiān)測方案。首先通過衛(wèi)星影像獲取紅樹林分布的大概區(qū)域，由于紅樹林分布區(qū)域覆蓋范圍較大，要求提高單架次的監(jiān)測面積，設(shè)置無人機(jī)飛行高度為620m，分辨率為8cm，能夠滿足1:1000的標(biāo)準(zhǔn)化出圖比例尺。

圖3-3：紅樹林外觀圖

另外，由于島上起降場地條件限制，對島上人類聚居區(qū)監(jiān)測、西海岸海岸帶監(jiān)測利用飛馬D1000執(zhí)行飛行架次。

b)航線設(shè)計(jì)

依據(jù)監(jiān)測對象及監(jiān)測位置不同，利用飛馬無人機(jī)管家“智航線”模塊進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)。根據(jù)Dugong的重點(diǎn)分布區(qū)域，監(jiān)測面積10平方千米，規(guī)劃3個飛行架次；依據(jù)紅樹林重點(diǎn)分布區(qū)域確定監(jiān)測范圍，監(jiān)測面積約6平方千米，規(guī)劃1個飛行架次；為更加直觀地獲取岸線及島上道路、人員聚居情況，規(guī)劃1個架次視頻航線；對于島上的小村落聚居區(qū)，規(guī)劃D1000四旋翼無人機(jī)執(zhí)行2個飛行架次；對于西海岸海岸帶，針對典型區(qū)域規(guī)劃D1000四旋翼無人機(jī)執(zhí)行2個飛行架次。部分航線設(shè)計(jì)及參數(shù)如下所示：

圖3-4：Dugong監(jiān)測-第1&2架次航線

2）現(xiàn)場飛行

2017年12月14日-18日，技術(shù)中心與泰國普吉海洋生態(tài)中心在Libong島現(xiàn)場開展了飛行作業(yè)。

對Dugong的監(jiān)測需要在高潮的窗口期才能達(dá)到最佳效果，同時要避開正午陽光的在水面的反射，因此在飛行時依據(jù)潮汐表選取了上午的高潮時間執(zhí)行飛行架次。對于紅樹林和岸線的監(jiān)測選取了光照較充足的條件下進(jìn)行了飛行，保證影像效果。

共累計(jì)開展F200無人機(jī)飛行5架次，D1000無人機(jī)飛行10架次，獲取航攝正射影像面積19平方千米，視頻航攝海島岸線長度20公里，航拍視頻50分鐘，獲取空中全景數(shù)據(jù)點(diǎn)位8個。

圖3-5：現(xiàn)場飛行工作場景

3）現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理

通過“智飛行”模塊完成飛行后，立即對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和質(zhì)量檢查，下載POS及照片數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)照片模糊、漏拍、曝光過度問題，具體開展了以下檢查：

1. 檢查POS記錄數(shù)與照片數(shù)是否一致，不一致應(yīng)查找原因；

2. 檢查原始照片是否都能正常打開，是否有影像損壞的情況；

3. 檢查照片是否有模糊、發(fā)虛現(xiàn)象；

4. 檢查照片的曝光情況，是否有曝光過度或曝光不足；

經(jīng)檢查，在本項(xiàng)目飛行中未出現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量不合格問題。同時要及時做好現(xiàn)場飛行記錄，針對每一個架次建立了航攝數(shù)據(jù)文件夾，存放原始照片和POS信息；建立飛行記錄文件夾，存放航線數(shù)據(jù)和飛行記錄數(shù)據(jù)等。

3、數(shù)據(jù)處理

飛行完獲取照片和POS數(shù)據(jù)后，按照數(shù)字正射影像生產(chǎn)流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

首先將照片和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入到無人機(jī)管家智檢圖模塊進(jìn)行影像質(zhì)檢，設(shè)置符合要求的航向重疊度和旁向重疊度，生成質(zhì)檢報告。通過報告可以詳細(xì)了解本架次航飛質(zhì)量檢查情況和拼接精度評估，直觀顯示由于缺乏特征點(diǎn)而無法進(jìn)行拼接的像片編號。再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入一鍵式成圖模塊智拼圖模塊，進(jìn)行特征點(diǎn)匹配、空三解算，DSM匹配，DOM生成等處理，拼接成區(qū)域數(shù)字正射影像圖，同時產(chǎn)生空三質(zhì)量報告。由于此次監(jiān)測重在成圖影像的分析，不關(guān)注其絕對精度，因此未進(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)和量測，僅采用飛機(jī)自帶的單點(diǎn)定位GPS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，成果影像的絕對位置精度在1m左右。

4、成果制作

1）影像圖集

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，形成監(jiān)測DOM成果數(shù)據(jù)，并基于成果制作了監(jiān)測影像圖集。通過圖集直觀展示了Libong島上紅樹林分布及生長情況,人類聚居活動分布情況以及海岸帶基本情況。

通過無人機(jī)航拍獲取的高分辨率正射影像，可以對分散的紅樹林圖斑進(jìn)行快速描繪與定位。測區(qū)內(nèi)紅樹林分布較密集區(qū)域，采用面向?qū)ο蟮淖钹徑诸惙椒▽t樹林類型進(jìn)行了分類研究，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域級紅樹林與非紅樹林的區(qū)分。同時利用投影后的遙感影像可以通過地理信息軟件實(shí)現(xiàn)紅樹林面積自動量算。

圖3-6：監(jiān)測成果影像圖冊

圖3-7：紅樹林監(jiān)測成果影像

2）Dugong監(jiān)測

基于對海水拼接處理的成果數(shù)據(jù)，在GIS軟件中疊加拼接后的成果數(shù)據(jù),分析Dugong的棲息情況。首先在ArcGIS中導(dǎo)入快速拼接的完整測區(qū)影像，通過紋理、灰度等特征，建立儒艮（Dugong）的目標(biāo)特征庫，采用監(jiān)督分類的方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動目標(biāo)提取，通過人工目視解譯對提取結(jié)果進(jìn)行修正，最后在ArcGIS上的標(biāo)記與統(tǒng)計(jì)，監(jiān)測共發(fā)現(xiàn)147只Dugong, 體長范圍100cm-279cm，發(fā)現(xiàn)72只海龜，基本掌握了瀕危生物Dugong的棲息分布范圍及族群發(fā)育生長態(tài)勢。

圖3-8：海洋生物在影像中的識別情況

圖3-9：Dugong監(jiān)測成果數(shù)據(jù)GIS疊加分析

3） 空中全景

獲取空中全景監(jiān)測成果，并發(fā)布服務(wù)，可通過二維碼及鏈接方式訪問，有助于直觀了解關(guān)注區(qū)域的基本情況。

圖3-10：空中全景成果圖

無人機(jī)應(yīng)用于海洋領(lǐng)域需要面臨許多問題，如海上風(fēng)力較大導(dǎo)致相機(jī)傾角過大、像片重疊度不規(guī)則、海水像片拼接特征點(diǎn)較少等非傳統(tǒng)航攝問題。本項(xiàng)目中技術(shù)中心利用飛馬F200固定翼無人機(jī)解決了此前在海洋應(yīng)用中遇到的問題。

1、提高了無人機(jī)航攝穩(wěn)定性及安全性

F200無人機(jī)在海上航拍飛行多架次，沒有出現(xiàn)因飛機(jī)劇烈抖動等產(chǎn)生的像片傾轉(zhuǎn)問題，已經(jīng)證明了其出色的抗風(fēng)性和飛控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其傘降方式也基本滿足在海岸線內(nèi)陸一側(cè)降落的安全性。

2、實(shí)現(xiàn)了一種解決海水拼接問題的方法

海水拼接一直是傳統(tǒng)的航測方式難以解決的問題。由于當(dāng)無人機(jī)拍攝距離海岸線向海側(cè)一定距離的大面積海水區(qū)域時，采集的影像缺少明顯的特征點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的基于SIFT特征匹配的方法不能應(yīng)用于海水拼接中。技術(shù)中心和飛馬無人機(jī)團(tuán)隊(duì)，共同研制了應(yīng)用于海洋瀕危生物遙感監(jiān)測的海水圖像拼接方法。利用無人機(jī)方位角姿態(tài)等POS數(shù)據(jù)，疊加GIS軟件通過定位和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行快速拼接的方法。該方法雖然定位精度不高，但完全可以滿足在規(guī)定海水區(qū)域內(nèi)拼接成一幅完整影像的需求，實(shí)現(xiàn)解譯和統(tǒng)計(jì)瀕危生物的長度大小和數(shù)量等信息。

3、提高了海洋生態(tài)及空間資源監(jiān)測的工作效率

傳統(tǒng)的瀕危海洋生物監(jiān)測方法是調(diào)查人員戶外走訪，記錄動物生活習(xí)性，岸邊架設(shè)視頻監(jiān)控或定時拍照相機(jī)等。據(jù)了解此前泰國相關(guān)人員租用了大型載人直升機(jī)，工作人員在低空中對瀕危生物進(jìn)行手持?jǐn)z錄，經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)巨大，外業(yè)工作效率低，獲取數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定等。飛馬無人機(jī)解決了一系列相關(guān)問題，其便于攜帶，單人即可快速作業(yè)，獲取數(shù)字正射影像圖和視頻影像質(zhì)量穩(wěn)定，有效提高了海洋生物遙感監(jiān)測保護(hù)的工作效率。

本項(xiàng)目拓展了無人機(jī)在瀕危海洋生物及海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測調(diào)查中的應(yīng)用，較好地適應(yīng)了海洋應(yīng)用場景下特殊的環(huán)境條件，解決了在海洋無人機(jī)監(jiān)測中存在的問題，為相關(guān)應(yīng)用場景下的工作開展提供了樣例和參考。同時推進(jìn)了中泰海洋技術(shù)交流與合作，為未來進(jìn)一步推動無人機(jī)在海洋生態(tài)及資源環(huán)境監(jiān)測中的創(chuàng)新應(yīng)用，深化雙方技術(shù)合作，拓展交流領(lǐng)域奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目利用飛馬F200智能航測系統(tǒng)，首次獲取了島上紅樹林、聚居村落、海岸帶等監(jiān)測區(qū)域的高分辨率影像，具有高精度快速、監(jiān)測范圍大、識別方位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，尤其對于海島等復(fù)雜地域，發(fā)揮了無人機(jī)遙感監(jiān)測不可替代的優(yōu)勢，為島上保護(hù)區(qū)劃定、海岸帶保護(hù)、人類活動分析提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。項(xiàng)目特點(diǎn)及優(yōu)勢如下：

1、本項(xiàng)目需要攜帶設(shè)備出國開展合作，要求攜帶的無人機(jī)包裝輕巧、便攜，易于攜帶和運(yùn)輸，降低了運(yùn)輸成本。同時無人機(jī)要滿足海島環(huán)境下的無人機(jī)起降條件。

2、在本項(xiàng)目中無人機(jī)需要在高潮窗口期飛行，窗口時間短，要求無人機(jī)能快捷組裝，操作簡便，降低作業(yè)間隔。特殊情況下可實(shí)現(xiàn)2人操作雙機(jī)同時飛行，實(shí)現(xiàn)更充分地利用窗口監(jiān)測時間。

海洋是人類社會及其重要的自然資源，是人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ)。海洋生態(tài)環(huán)境是地球上最為重要的生態(tài)系統(tǒng)，保護(hù)好海洋資源是生態(tài)文明的建設(shè)目標(biāo)，也是人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目充分發(fā)揮了無人機(jī)作為新型監(jiān)測手段的技術(shù)優(yōu)勢，進(jìn)一步擴(kuò)展了無人機(jī)在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用，為技術(shù)中心與泰方開展海洋合作奠定了較好的基礎(chǔ)。未來技術(shù)中心將繼續(xù)探索與推廣無人機(jī)在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用，繼續(xù)加強(qiáng)與泰國等一帶一路沿線國家的海洋技術(shù)合作，促進(jìn)無人機(jī)新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

建議飛馬無人機(jī)未來進(jìn)一步升級和完善，更加地智能化、便捷化，針對海洋生物調(diào)查、紅樹林監(jiān)測、珊瑚礁監(jiān)測、海岸帶監(jiān)測等業(yè)務(wù)開發(fā)搭載MiniSAR、多光譜等新型載荷，進(jìn)一步適應(yīng)海洋領(lǐng)域應(yīng)用環(huán)境，更好地滿足海洋監(jiān)測需求，助力一帶一路及海洋強(qiáng)國建設(shè)。