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

為積極推進國家“一帶一路”戰(zhàn)略，促進海洋技術合作與發(fā)展，國家海洋技術中心（以下簡稱“技術中心”）注重加強與一帶一路沿線國家的技術交流與合作。2013年以來，技術中心開展了海洋無人機的應用技術研究、業(yè)務應用及管理工作。2017年在中泰聯(lián)委會上明確了與泰國在無人機技術應用上的合作事宜，并在2018年將項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。

為推進項目落實，技術中心在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監(jiān)測合作。

合作項目的主要內容是選取董里府Libong島及其周邊海域為目標區(qū)域，利用無人機獲取瀕危海洋保護生物儒艮(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)境保護管理提供數據和技術支撐。

圖1：中泰雙方人員合影

本項目實施的具體技術流程分為前期準備、飛行作業(yè)、數據處理和成果制作，如下圖所示。

圖2：項目實施技術流程

坐標系選用WGS84坐標系，UTM投影，中央子午線依據測區(qū)所在經度而定。正射影像分辨率依據不同的監(jiān)測對象設定，不低于10cm。

獲取的數據類型包括正射影像數據、視頻數據、空中全景數據等。

1、前期準備

1）報關申報

提前進行設備報關申報，并在泰國有關航空管理部門進行備案。

2）飛機測試

出發(fā)前測試F200工作狀態(tài)，在寶坻飛行基地進行試飛，確保機身、飛控、數據鏈、相機等均為正常狀態(tài)。

3）設備準備及運輸

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

4）資料收集

與泰方聯(lián)系，收集相關資料，主要有天氣狀況、風力狀況、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，為本項目重點關注區(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）現場勘查

到達現場后，對預先選取的起降點周邊進行現場勘查。主要勘查內容包括環(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

由于本項目中監(jiān)測對象特點不同，經過與普吉海洋生態(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，影像顯示也可達到20-30個像素，完全能夠滿足解譯矢量統(tǒng)計儒艮生物數量及尺寸。

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，制定了無人機遙感監(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，設置無人機飛行高度為620m，分辨率為8cm，能夠滿足1:1000的標準化出圖比例尺。

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)航線設計

依據監(jiān)測對象及監(jiān)測位置不同，利用飛馬無人機管家“智航線”模塊進行航線規(guī)劃設計。根據Dugong的重點分布區(qū)域，監(jiān)測面積10平方千米，規(guī)劃3個飛行架次；依據紅樹林重點分布區(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D1000四旋翼無人機執(zhí)行2個飛行架次。部分航線設計及參數如下所示：

圖3-4：Dugong監(jiān)測-第1&2架次航線

2）現場飛行

2017年12月14日-18日，技術中心與泰國普吉海洋生態(tài)中心在Libong島現場開展了飛行作業(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行了飛行，保證影像效果。

共累計開展F200無人機飛行5架次，D1000無人機飛行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，獲取空中全景數據點位8個。

圖3-5：現場飛行工作場景

3）現場數據管理

通過“智飛行”模塊完成飛行后，立即對數據進行存儲和質量檢查，下載POS及照片數據，及時發(fā)現照片模糊、漏拍、曝光過度問題，具體開展了以下檢查：

1. 檢查POS記錄數與照片數是否一致，不一致應查找原因；

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)虛現象；

4. 檢查照片的曝光情況，是否有曝光過度或曝光不足；

經檢查，在本項目飛行中未出現數據質量不合格問題。同時要及時做好現場飛行記錄，針對每一個架次建立了航攝數據文件夾，存放原始照片和POS信息；建立飛行記錄文件夾，存放航線數據和飛行記錄數據等。

3、數據處理

飛行完獲取照片和POS數據后，按照數字正射影像生產流程進行數據處理。

首先將照片和POS數據導入到無人機管家智檢圖模塊進行影像質檢，設置符合要求的航向重疊度和旁向重疊度，生成質檢報告。通過報告可以詳細了解本架次航飛質量檢查情況和拼接精度評估，直觀顯示由于缺乏特征點而無法進行拼接的像片編號。再將數據導入一鍵式成圖模塊智拼圖模塊，進行特征點匹配、空三解算，DSM匹配，DOM生成等處理，拼接成區(qū)域數字正射影像圖，同時產生空三質量報告。由于此次監(jiān)測重在成圖影像的分析，不關注其絕對精度，因此未進行控制點的布設和量測，僅采用飛機自帶的單點定位GPS系統(tǒng)進行數據處理，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

經過數據處理，形成監(jiān)測DOM成果數據，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行快速描繪與定位。測區(qū)內紅樹林分布較密集區(qū)域，采用面向對象的最鄰近分類方法對紅樹林類型進行了分類研究，實現了區(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現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據，在GIS軟件中疊加拼接后的成果數據,分析Dugong的棲息情況。首先在ArcGIS中導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）的目標特征庫，采用監(jiān)督分類的方法進行計算機自動目標提取，通過人工目視解譯對提取結果進行修正，最后在ArcGIS上的標記與統(tǒng)計，監(jiān)測共發(fā)現147只Dugong, 體長范圍100cm-279cm，發(fā)現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)測成果數據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，可通過二維碼及鏈接方式訪問，有助于直觀了解關注區(qū)域的基本情況。

圖3-10：空中全景成果圖

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

1、提高了無人機航攝穩(wěn)定性及安全性

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

2、實現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。由于當無人機拍攝距離海岸線向海側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，因此傳統(tǒng)的基于SIFT特征匹配的方法不能應用于海水拼接中。技術中心和飛馬無人機團隊，共同研制了應用于海洋瀕危生物遙感監(jiān)測的海水圖像拼接方法。利用無人機方位角姿態(tài)等POS數據，疊加GIS軟件通過定位和旋轉進行快速拼接的方法。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)域內拼接成一幅完整影像的需求，實現解譯和統(tǒng)計瀕危生物的長度大小和數量等信息。

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)測方法是調查人員戶外走訪，記錄動物生活習性，岸邊架設視頻監(jiān)控或定時拍照相機等。據了解此前泰國相關人員租用了大型載人直升機，工作人員在低空中對瀕危生物進行手持攝錄，經濟耗費巨大，外業(yè)工作效率低，獲取數據質量不穩(wěn)定等。飛馬無人機解決了一系列相關問題，其便于攜帶，單人即可快速作業(yè)，獲取數字正射影像圖和視頻影像質量穩(wěn)定，有效提高了海洋生物遙感監(jiān)測保護的工作效率。

本項目拓展了無人機在瀕危海洋生物及海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測調查中的應用，較好地適應了海洋應用場景下特殊的環(huán)境條件，解決了在海洋無人機監(jiān)測中存在的問題，為相關應用場景下的工作開展提供了樣例和參考。同時推進了中泰海洋技術交流與合作，為未來進一步推動無人機在海洋生態(tài)及資源環(huán)境監(jiān)測中的創(chuàng)新應用，深化雙方技術合作，拓展交流領域奠定了堅實基礎。

本項目利用飛馬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、識別方位準確等優(yōu)點，尤其對于海島等復雜地域，發(fā)揮了無人機遙感監(jiān)測不可替代的優(yōu)勢，為島上保護區(qū)劃定、海岸帶保護、人類活動分析提供了有力的數據支撐。項目特點及優(yōu)勢如下：

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

2、在本項目中無人機需要在高潮窗口期飛行，窗口時間短，要求無人機能快捷組裝，操作簡便，降低作業(yè)間隔。特殊情況下可實現2人操作雙機同時飛行，實現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。海洋生態(tài)環(huán)境是地球上最為重要的生態(tài)系統(tǒng)，保護好海洋資源是生態(tài)文明的建設目標，也是人類生存與發(fā)展的基礎。

本項目充分發(fā)揮了無人機作為新型監(jiān)測手段的技術優(yōu)勢，進一步擴展了無人機在海洋領域的應用，為技術中心與泰方開展海洋合作奠定了較好的基礎。未來技術中心將繼續(xù)探索與推廣無人機在海洋領域的應用，繼續(xù)加強與泰國等一帶一路沿線國家的海洋技術合作，促進無人機新技術的應用與發(fā)展。

建議飛馬無人機未來進一步升級和完善，更加地智能化、便捷化，針對海洋生物調查、紅樹林監(jiān)測、珊瑚礁監(jiān)測、海岸帶監(jiān)測等業(yè)務開發(fā)搭載MiniSAR、多光譜等新型載荷，進一步適應海洋領域應用環(huán)境，更好地滿足海洋監(jiān)測需求，助力一帶一路及海洋強國建設。