无人机在泰国濒危海洋生物及生态环境监测调查中的应用

投稿单位：国家海洋技术中心

联系人： 胡楠

联系方式：022-27536983 18502216065

目 录

无人机在泰国濒危海洋生物及生态环境监测调查中的应用 1

1. 应用背景 1

2. 技术路线 2

3. 实际作业流程 3

3.1 前期准备 3

3.2 飞行作业 4

3.3 数据处理 8

3.4 成果制作 8

4. 解决的生产问题 11

5. 项目特点及优势总结 12

6. 未来展望 13

无人机在泰国濒危海洋生物及生态环境监测调查中的应用

1. 应用背景

为积极推进国家“一带一路”战略，促进海洋技术合作与发展，国家海洋技术中心（以下简称“技术中心”）注重加强与一带一路沿线国家的技术交流与合作。2013年以来，技术中心开展了海洋无人机的应用技术研究、业务应用及管理工作。2017年在中泰联委会上明确了与泰国在无人机技术应用上的合作事宜，并在2018年将项目正式列入了中泰海洋合作第2个五年规划（2019-2023）提议中。

为推进项目落实，技术中心在2017年购置了飞马F200智能航测系统，并携F200在2017年12月赴泰国，与普吉海洋生态中心共同开展了无人机监测合作。

合作项目的主要内容是选取董里府Libong岛及其周边海域为目标区域，利用无人机获取濒危海洋保护生物儒艮(Dugong)、红树林、岛屿植被、海岸带、人类活动情况等监测信息，为海洋生态及资源环境保护管理提供数据和技术支撑。

图1-1 中泰双方人员合影

1. 技术路线

本项目实施的具体技术流程分为前期准备、飞行作业、数据处理和成果制作，如下图所示。

图 2-1项目实施技术流程

坐标系选用WGS84坐标系，UTM投影，中央子午线依据测区所在经度而定。正射影像分辨率依据不同的监测对象设定，不低于10cm。

获取的数据类型包括正射影像数据、视频数据、空中全景数据等。

1. 实际作业流程
   1. 前期准备
2. 报关申报

提前进行设备报关申报，并在泰国有关航空管理部门进行备案。

1. 飞机测试

出发前测试F200工作状态，在宝坻飞行基地进行试飞，确保机身、飞控、数据链、相机等均为正常状态。

1. 设备准备及运输

为提高突发情况应对能力，本项目携带设备为2架飞马F200无人机，1架D1000。搭载载荷为SONY RX1R-II相机、视频模块。（由于项目对精度无严格要求，因此未携带F200差分地面站设备）

1. 资料收集

与泰方联系，收集相关资料，主要有天气状况、风力状况、海水潮汐资料及航测区域位置等。

表 3‑1收集资料类型

序号	资料内容	重要性	描述
1.	近期天气状况	重要	近一周天气变化状况，含起降点、任务区域及航线周边区域
2.	季节风力	重要	任务区域的季节风力变化
3.	潮汐时间变化	重要	任务区域的准确的潮汐变化
4.	任务位置	重要	航测区域的较准确位置

图3-1 任务位置分布图

监测区块1是红树林、海洋生物儒艮的监测区域，为本项目重点关注区域；监测区块2和3分别监测人类聚居区和海岸带区域。

1. 现场勘查

到达现场后，对预先选取的起降点周边进行现场勘查。主要勘查内容包括环境、地形、交通、居民分布等，并确定起降场地，规划飞行航线。

• 1. 飞行作业

1. 飞行规划
2. 飞行需求

由于本项目中监测对象特点不同，经过与普吉海洋生态中心充分沟通监测需求，确定了对海洋生物儒艮、红树林、人类聚集区和海岸带等的监测方案。海洋生物儒艮成体平均长约2.7米，幼年体长随年龄大小而不同。针对儒艮的遥感监测将其分辨率设定为3cm-5cm，这样在影像上成年体长的儒艮显示大约为50-80个像素，考虑到幼年儒艮假定体长约1米，影像显示也可达到20-30个像素，完全能够满足解译矢量统计儒艮生物数量及尺寸。

图3-2儒艮（dugong）外观图

红树林生长在海岸带的潮间带上部，是陆地与海洋交界的滩涂浅滩。红树林具有防风消浪、促淤保滩、净化海水和空气的功能，针对其生长分布特点，制定了无人机遥感监测方案。首先通过卫星影像获取红树林分布的大概区域，由于红树林分布区域覆盖范围较大，要求提高单架次的监测面积，设置无人机飞行高度为620m，分辨率为8cm，能够满足1:1000的标准化出图比例尺。

图3-3红树林外观图

另外，由于岛上起降场地条件限制，对岛上人类聚居区监测、西海岸海岸带监测利用飞马D1000执行飞行架次。

b)航线设计

依据监测对象及监测位置不同，利用飞马无人机管家“智航线”模块进行航线规划设计。根据Dugong的重点分布区域，监测面积10平方千米，规划3个飞行架次；依据红树林重点分布区域确定监测范围，监测面积约6平方千米，规划1个飞行架次；为更加直观地获取岸线及岛上道路、人员聚居情况，规划1个架次视频航线；对于岛上的小村落聚居区，规划D1000四旋翼无人机执行2个飞行架次；对于西海岸海岸带，针对典型区域规划D1000四旋翼无人机执行2个飞行架次。部分航线设计及参数如下所示：

图3-4 Dugong监测-第1&2架次航线

1. 现场飞行

2017年12月14日-18日，技术中心与泰国普吉海洋生态中心在Libong岛现场开展了飞行作业。

对Dugong的监测需要在高潮的窗口期才能达到最佳效果，同时要避开正午阳光的在水面的反射，因此在飞行时依据潮汐表选取了上午的高潮时间执行飞行架次。对于红树林和岸线的监测选取了光照较充足的条件下进行了飞行，保证影像效果。

共累计开展F200无人机飞行5架次，D1000无人机飞行10架次，获取航摄正射影像面积19平方千米，视频航摄海岛岸线长度20公里，航拍视频50分钟，获取空中全景数据点位8个。

图3-5 现场飞行工作场景

1. 现场数据管理

通过“智飞行”模块完成飞行后，立即对数据进行存储和质量检查，下载POS及照片数据，及时发现照片模糊、漏拍、曝光过度问题，具体开展了以下检查：

1. 检查POS记录数与照片数是否一致，不一致应查找原因；
2. 检查原始照片是否都能正常打开，是否有影像损坏的情况；
3. 检查照片是否有模糊、发虚现象；
4. 检查照片的曝光情况，是否有曝光过度或曝光不足。

经检查，在本项目飞行中未出现数据质量不合格问题。同时要及时做好现场飞行记录，针对每一个架次建立了航摄数据文件夹，存放原始照片和POS信息；建立飞行记录文件夹，存放航线数据和飞行记录数据等。

• 1. 数据处理

飞行完获取照片和POS数据后，按照数字正射影像生产流程进行数据处理。

首先将照片和POS数据导入到无人机管家智检图模块进行影像质检，设置符合要求的航向重叠度和旁向重叠度，生成质检报告。通过报告可以详细了解本架次航飞质量检查情况和拼接精度评估，直观显示由于缺乏特征点而无法进行拼接的像片编号。再将数据导入一键式成图模块智拼图模块，进行特征点匹配、空三解算，DSM匹配，DOM生成等处理，拼接成区域数字正射影像图，同时产生空三质量报告。由于此次监测重在成图影像的分析，不关注其绝对精度，因此未进行控制点的布设和量测，仅采用飞机自带的单点定位GPS系统进行数据处理，成果影像的绝对位置精度在1m左右。

• 1. 成果制作

1） 影像图集

经过数据处理，形成监测DOM成果数据，并基于成果制作了监测影像图集。通过图集直观展示了Libong岛上红树林分布及生长情况,人类聚居活动分布情况以及海岸带基本情况。

通过无人机航拍获取的高分辨率正射影像，可以对分散的红树林图斑进行快速描绘与定位。测区内红树林分布较密集区域，采用面向对象的最邻近分类方法对红树林类型进行了分类研究，实现了区域级红树林与非红树林的区分。同时利用投影后的遥感影像可以通过地理信息软件实现红树林面积自动量算。

图3-6 监测成果影像图册

图3-7 红树林监测成果影像

2） Dugong监测

基于对海水拼接处理的成果数据，在GIS软件中叠加拼接后的成果数据,分析Dugong的栖息情况。首先在ArcGIS中导入快速拼接的完整测区影像，通过纹理、灰度等特征，建立儒艮（Dugong）的目标特征库，采用监督分类的方法进行计算机自动目标提取，通过人工目视解译对提取结果进行修正，最后在ArcGIS上的标记与统计，监测共发现147只Dugong, 体长范围100cm-279cm，发现72只海龟，基本掌握了濒危生物Dugong的栖息分布范围及族群发育生长态势。

图3-8 海洋生物在影像中的识别情况

图3-9 Dugong监测成果数据GIS叠加分析

3） 空中全景

获取空中全景监测成果，并发布服务，可通过二维码及链接方式访问，有助于直观了解关注区域的基本情况。

图3-10 空中全景成果图（可扫二维码浏览）

1. 解决的生产问题

无人机应用于海洋领域需要面临许多问题，如海上风力较大导致相机倾角过大、像片重叠度不规则、海水像片拼接特征点较少等非传统航摄问题。本项目中技术中心利用飞马F200固定翼无人机解决了此前在海洋应用中遇到的问题。

1. 提高了无人机航摄稳定性及安全性

F200无人机在海上航拍飞行多架次，没有出现因飞机剧烈抖动等产生的像片倾转问题，已经证明了其出色的抗风性和飞控系统的稳定性。其伞降方式也基本满足在海岸线内陆一侧降落的安全性。

1. 实现了一种解决海水拼接问题的方法

海水拼接一直是传统的航测方式难以解决的问题。由于当无人机拍摄距离海岸线向海侧一定距离的大面积海水区域时，采集的影像缺少明显的特征点，因此传统的基于SIFT特征匹配的方法不能应用于海水拼接中。技术中心和飞马无人机团队，共同研制了应用于海洋濒危生物遥感监测的海水图像拼接方法。利用无人机方位角姿态等POS数据，叠加GIS软件通过定位和旋转进行快速拼接的方法。该方法虽然定位精度不高，但完全可以满足在规定海水区域内拼接成一幅完整影像的需求，实现解译和统计濒危生物的长度大小和数量等信息。

1. 提高了海洋生态及空间资源监测的工作效率

传统的濒危海洋生物监测方法是调查人员户外走访，记录动物生活习性，岸边架设视频监控或定时拍照相机等。据了解此前泰国相关人员租用了大型载人直升机，工作人员在低空中对濒危生物进行手持摄录，经济耗费巨大，外业工作效率低，获取数据质量不稳定等。飞马无人机解决了一系列相关问题，其便于携带，单人即可快速作业，获取数字正射影像图和视频影像质量稳定，有效提高了海洋生物遥感监测保护的工作效率。

1. 项目特点及优势总结

本项目拓展了无人机在濒危海洋生物及海洋生态环境监测调查中的应用，较好地适应了海洋应用场景下特殊的环境条件，解决了在海洋无人机监测中存在的问题，为相关应用场景下的工作开展提供了样例和参考。同时推进了中泰海洋技术交流与合作，为未来进一步推动无人机在海洋生态及资源环境监测中的创新应用，深化双方技术合作，拓展交流领域奠定了坚实基础。

本项目利用飞马F200智能航测系统，首次获取了岛上红树林、聚居村落、海岸带等监测区域的高分辨率影像，具有高精度快速、监测范围大、识别方位准确等优点，尤其对于海岛等复杂地域，发挥了无人机遥感监测不可替代的优势，为岛上保护区划定、海岸带保护、人类活动分析提供了有力的数据支撑。项目特点及优势如下：

1. 本项目需要携带设备出国开展合作，要求携带的无人机包装轻巧、便携，易于携带和运输，降低了运输成本。同时无人机要满足海岛环境下的无人机起降条件。
2. 在本项目中无人机需要在高潮窗口期飞行，窗口时间短，要求无人机能快捷组装，操作简便，降低作业间隔。特殊情况下可实现2人操作双机同时飞行，实现更充分地利用窗口监测时间。
3. 未来展望

海洋是人类社会及其重要的自然资源，是人类生存与发展的基础。海洋生态环境是地球上最为重要的生态系统，保护好海洋资源是生态文明的建设目标，也是人类生存与发展的基础。

本项目充分发挥了无人机作为新型监测手段的技术优势，进一步扩展了无人机在海洋领域的应用，为技术中心与泰方开展海洋合作奠定了较好的基础。未来技术中心将继续探索与推广无人机在海洋领域的应用，继续加强与泰国等一带一路沿线国家的海洋技术合作，促进无人机新技术的应用与发展。

建议飞马无人机未来进一步升级和完善，更加地智能化、便捷化，针对海洋生物调查、红树林监测、珊瑚礁监测、海岸带监测等业务开发搭载MiniSAR、多光谱等新型载荷，进一步适应海洋领域应用环境，更好地满足海洋监测需求，助力一带一路及海洋强国建设。