基于無人機(jī)低空遙感圖像的海上空中巡邏方法

劉前峰 樊蓉 劉偉

摘要：無人機(jī)的使用簡(jiǎn)化了常規(guī)空中作業(yè)過程，常規(guī)海上空中巡邏過程中，使用影像定位技術(shù)針對(duì)一定目標(biāo)實(shí)施定點(diǎn)式巡邏與路線規(guī)劃，但是由于圖像定位限制，造成巡邏目標(biāo)匹配過程精度有偏差。為此研發(fā)基于無人機(jī)低空遙感圖像的海上空中巡邏方法。規(guī)劃無人機(jī)飛行航線，使用遙感圖像技術(shù)對(duì)航線拍攝圖像實(shí)施特征處理，將定點(diǎn)目標(biāo)與圖像特征相匹配，利用遙感圖像特性對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理，最后對(duì)圖像目標(biāo)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)處理，完成無人機(jī)海上空中巡邏方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方法與常規(guī)方法對(duì)比，其巡邏目標(biāo)匹配準(zhǔn)確率更高，更具有效性。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);低空遙感圖像;海上空中巡邏;飛行航線;特征處理

中圖分類號(hào)：V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1基于無人機(jī)低空遙感圖像的海上空中巡邏方法

1.1航線規(guī)劃

無人機(jī)在進(jìn)行低空海上巡邏時(shí)，除受到氣象、空中管制等環(huán)境條件約束外，同樣會(huì)受到自身性能及巡邏任務(wù)約束。因此，分析得到無人機(jī)可飛行最大高度為：

（1）其中，為無人機(jī)載荷相機(jī)焦距; 為單位像元大小;為影像地面分辨率。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，實(shí)際巡邏拍攝分辨率應(yīng)優(yōu)于任務(wù)要求分辨率 ，巡邏時(shí)航拍高度應(yīng)小于 。無人機(jī)飛行高度越高，影像覆蓋范圍越大，所需飛行航帶數(shù)目越少，航程越短，因此根據(jù)巡邏目標(biāo)表制定合適的作業(yè)飛行高度[1]。

確定飛行高度后，根據(jù)巡邏任務(wù)區(qū)域形狀確定航行方向，通常取航帶方向以減少無人機(jī)轉(zhuǎn)換次數(shù)，節(jié)省無人機(jī)電量：

（2）其中，為航攝飛行間相鄰航帶距離;為無人機(jī)影像旁邊的像元;為旁向重疊度。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果規(guī)劃出無人機(jī)巡邏航線。

1.2圖像濾波處理

在航線路徑上通過數(shù)字采集形式獲取圖像特征，將其作為圖形處理最小單位，也是所具有空間特征及屬性特征的整個(gè)圖像信息表達(dá)關(guān)鍵。獲取目標(biāo)圖像后，對(duì)數(shù)字圖像作出去噪處理，得到較為清晰目標(biāo)圖像。

1.3三維數(shù)據(jù)處理

在所得到圖像上，完成無人機(jī)巡邏航向三維數(shù)據(jù)處理，利用無人機(jī)實(shí)行三維建模、匹配云點(diǎn)提取以及攝像機(jī)標(biāo)定等[2]。根據(jù)三維場(chǎng)景還原，確定航線區(qū)域范圍，并根據(jù)三維模型平面精度及高程還原三維真實(shí)圖像，如表1、2所示：

2實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為基于無人機(jī)低空遙感圖像的海上空中巡邏方法能否在實(shí)際中得到較好的應(yīng)用效果，利用仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)比人工巡邏方法與基于無人機(jī)低空遙感圖像的巡邏方法在同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的巡邏效果。實(shí)驗(yàn)中基于無人機(jī)低空遙感圖像的巡邏方法，采用大疆精靈4作為實(shí)驗(yàn)主體，對(duì)某一海域進(jìn)行巡邏。航行高度為400m，影像大小2250×4000，其分辨率為0.17m/像素。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為64位Windows7，Inter（R） Core（TM） i5-6500 CPU@ 3.2GHz處理器，8G內(nèi)存。實(shí)驗(yàn)圈定某一海域，在目標(biāo)海域中隨機(jī)設(shè)定100個(gè)紅色圓圈代表特征帶點(diǎn)，利用兩種巡邏方法對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)在不同閾值下進(jìn)行提取，對(duì)比兩組巡邏方法匹配度的準(zhǔn)確率。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)中，兩組巡邏方法在獲取目標(biāo)影像序列后，選取待識(shí)別影像，影像大小均為2250×4000，利用兩種巡邏方法檢測(cè)特征點(diǎn)數(shù)，得到匹配結(jié)果如表3所示：

分析上表可知，在兩組巡邏方法分別進(jìn)行特征匹配時(shí)，人工巡邏方法匹配到的點(diǎn)數(shù)略少于無人機(jī)巡邏方法點(diǎn)數(shù)。且隨著閾值的不斷增加，匹配特征的點(diǎn)數(shù)相應(yīng)增加，但無人機(jī)巡邏方法匹配準(zhǔn)確率始終保持在90%以上，而人工巡邏方法匹配準(zhǔn)確率明顯下降。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于無人機(jī)低空遙感圖像的海上空中巡邏方法能夠有效分析目標(biāo)區(qū)域成分，同時(shí)達(dá)到對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行去噪、去冗余效果，保留目標(biāo)區(qū)域本質(zhì)信息。

3結(jié)束語(yǔ)

在基于無人機(jī)低空遙感圖像的海上空中巡邏方法研究中，利用無人機(jī)特點(diǎn)設(shè)計(jì)巡邏航線，從而獲取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的圖像信息。在整個(gè)方法體系內(nèi)，首先將無人飛行航跡建模為航點(diǎn)路徑，并確定任務(wù)區(qū)域多邊形焦點(diǎn)，以航拍任務(wù)航程為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)巡邏航線優(yōu)化。利用遙感圖像技術(shù)構(gòu)建投影矩陣降低描述向量維數(shù)，在保證巡邏匹配精準(zhǔn)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了快速匹配，提高海上低空巡邏工作質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]張博.淺析無人機(jī)巡查助力海關(guān)監(jiān)管[J].科技風(fēng)，2020（09）：14.

[2]譚坤，虞喬木.無人機(jī)在森林公安情報(bào)工作中的應(yīng)用——以森林火災(zāi)警情情報(bào)為例[J].森林公安，2019（05）：6-11.

江蘇省軍區(qū)數(shù)據(jù)信息室，江蘇南京?210009