基于多旋翼無人機(jī)的毒品原植物踏查應(yīng)用研究

夏昊天，段 健，毛兆群，許鵬鵬，王 帥，范星亮，楊 照，杜俊儒，劉子卓

（1. 江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與信息學(xué)院， 江蘇 南通 226010；2. 南通市公安局 禁毒支隊(duì)， 江蘇 南通 226007；3. 南通飛瞰智能科技有限公司 無人機(jī)培訓(xùn)部， 江蘇 南通 226001）

0 引言

毒品原植物踏查是禁種鏟毒的日?；A(chǔ)工作，2016 年中國國家禁毒委員會辦公室運(yùn)用衛(wèi)星遙感以及無人機(jī)踏查等科技手段，發(fā)現(xiàn)并鏟除非法種植罌粟超過116 萬株[1]，禁種鏟毒效果十分顯著。通過對罌粟、大麻等毒品原植物的踏查，可以從源頭上有效遏制毒品種植的違法犯罪行為。目前國內(nèi)大面積非法種植毒品植物的現(xiàn)象已得到有效遏制，但是由于我國的領(lǐng)土幅員遼闊，且部分毒品原植物種植在田間溝壑、農(nóng)村院落、高樓頂部等隱蔽區(qū)域，因此少數(shù)地區(qū)依然存在零星非法種植問題。采用傳統(tǒng)的人工踏查方式往往難以覆蓋此類隱蔽區(qū)域，近年來無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為毒品原植物踏查提供了另一種可行的方案。依托無人機(jī)搭載的高清攝像頭，利用空中視角優(yōu)勢，彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工踏查中的盲區(qū)和死角。結(jié)合“航線飛行”+“手動飛行”精準(zhǔn)高效地監(jiān)測獲取地面影像數(shù)據(jù)，并通過人工分析篩選排查，發(fā)現(xiàn)查處非法種植毒品原植物的情況[2-4]。

1 無人機(jī)踏查概述

1.1 無人機(jī)踏查優(yōu)勢

（1）節(jié)省成本。傳統(tǒng)的人工踏查通過工作人員以地毯式踏查來發(fā)現(xiàn)毒品原植物，需要投入大量人力、物力。而無人機(jī)踏查可以預(yù)先規(guī)劃設(shè)定好飛行航線，全程采用航線自主飛行，自動采集圖片數(shù)據(jù)，大大減少踏查人員數(shù)量，有效降低踏查成本[5]。

（2）覆蓋范圍廣。犯罪分子為了避免種植的毒品原植物被路人發(fā)現(xiàn)舉報(bào)，往往將其種植在田間溝壑、農(nóng)村院落、高樓頂部等隱蔽區(qū)域或者是荒無人煙的灘涂、山林，采用傳統(tǒng)的人工踏查難以涉及此類區(qū)域[6]。而采用無人機(jī)踏查可以實(shí)現(xiàn)高空影像實(shí)時(shí)拍攝、多方位拍攝，同時(shí)記錄周邊情況，保存證據(jù)。

（3）踏查效率高。人工踏查在遇到河流、陡坡、茂密森林時(shí)需要繞路，而無人機(jī)不受地形環(huán)境限制，且空中踏查飛行速度快、視野范圍大，相同時(shí)間踏查面積遠(yuǎn)大于人工踏查。另外，采用無人機(jī)踏查，可以避免惡劣地形，有效降低踏查人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 無人機(jī)踏查流程

（1）踏查方案制定與航線規(guī)劃。首先對疑似區(qū)域進(jìn)行初步的人工勘探，根據(jù)踏查面積、作業(yè)時(shí)間、禁飛限制等相關(guān)情況，選擇合適的無人機(jī)機(jī)型進(jìn)行空中踏查。根據(jù)測區(qū)范圍、精度要求、氣象條件、周邊環(huán)境等因素，使用DJI Pilot 軟件合理設(shè)置航線參數(shù)，如飛行器機(jī)型、掛載設(shè)備、飛行高度、航線速度、重疊率、邊距等，完成飛行航線規(guī)劃。

（2）飛行準(zhǔn)備與任務(wù)執(zhí)行。飛行前需完成飛行器的安裝展開、結(jié)構(gòu)件的固定以及傳感器的檢查等準(zhǔn)備事項(xiàng)。為保證無人機(jī)定位的準(zhǔn)確性，起飛前可根據(jù)軟件的提示依次完成相應(yīng)的動作對無人機(jī)進(jìn)行指南針校準(zhǔn)，將確定踏查方案的任務(wù)航線上傳至無人機(jī)中，并設(shè)置應(yīng)急操作流程，自主完成飛行航線與數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

（3）罌粟識別。待無人機(jī)完成任務(wù)航線飛行，自動平穩(wěn)降落于地面后，工作人員取出機(jī)身中的內(nèi)存卡，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中，根據(jù)罌粟的主要形態(tài)特征對疑似毒品原植物進(jìn)行識別篩選，對于無法判斷的疑似情況，可以根據(jù)采集照片的經(jīng)緯度坐標(biāo)確定疑似點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，并進(jìn)行二次復(fù)飛，定點(diǎn)航攝觀察，確定最終情況。

2 實(shí)際案例分析

2.1 案例描述

2021 年6 月公安機(jī)關(guān)接到熱心群眾舉報(bào)，某區(qū)域存在疑似罌粟非法種植情況，民警現(xiàn)場處置后發(fā)現(xiàn)舉報(bào)材料中的一處疑似點(diǎn)，始終無法確定實(shí)際位置。根據(jù)舉報(bào)圖片的顯示，在疑似點(diǎn)附近的河邊有一片蘆葦蕩。由于該區(qū)域水網(wǎng)密布，蘆葦叢生，相似場景較多，同時(shí)缺少道路，難于行走，人工踏查工作量大，因此借助于無人機(jī)空中踏查，快速精準(zhǔn)地搜尋該區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境勘探，初步選用了大疆精靈4PRO V2.0 無人機(jī)作為本次任務(wù)的執(zhí)行平臺，所搭載的相機(jī)參數(shù)如表1 所示。

表1 大疆精靈4PRO V2.0 無人機(jī)相機(jī)參數(shù)表

2.2 航高設(shè)置

無人機(jī)飛行高度過高會導(dǎo)致采集圖像數(shù)據(jù)的分辨率較低，無法精準(zhǔn)快速地識別毒品原植物罌粟的非法種植情況；而無人機(jī)飛行高度過低，則會大大增加無人機(jī)自動航線飛行時(shí)長，采集的圖像數(shù)據(jù)也會增多，從而使分析識別毒品原植物的工作量增大，工作效率降低，與此同時(shí)，無人機(jī)飛行高度的降低會導(dǎo)致飛行碰撞事故頻發(fā)，造成人身財(cái)產(chǎn)損失。因此，選擇適當(dāng)?shù)娘w行高度既有利于提高數(shù)據(jù)采集的效率，又可以保證圖像分辨率與飛行安全。

根據(jù)《中國植物志》32 卷，罌粟科中介紹，罌粟果實(shí)呈球形或橢圓狀，直徑約4 cm 至5 cm[7]。因此本文選取4 cm 作為無人機(jī)數(shù)據(jù)采集的最低地面分辨率。根據(jù)大疆官網(wǎng)所提供的無人機(jī)飛行高度與分辨率的關(guān)系如下方公式所示：

式中，H 表示無人機(jī)飛行高度；f 表示無人機(jī)搭載的相機(jī)焦距，具體數(shù)值見表1；a 表示無人機(jī)搭載的相機(jī)像元大小，具體數(shù)值見表1；GSD（Ground Sample Distance）表示地面采樣間隔，指數(shù)字影像中用地面距離單位表示的像素大小，通常認(rèn)為地面分辨率= 2*地面采樣間隔。

經(jīng)過上述公式計(jì)算，為保證無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)影像能夠識別罌粟果實(shí)的最高飛行高度為73.0 m。

綜合考量圖像識別精準(zhǔn)度、數(shù)據(jù)采集效率、飛行安全保障、飛行時(shí)間與人力資源成本等因素，考慮周邊存在的高壓電塔，從工程實(shí)際出發(fā)，確定以50 m 作為本次踏查任務(wù)的飛行航高。

2.3 飛行航線規(guī)劃

本次踏查對疑似區(qū)域的周邊環(huán)境開展勘探調(diào)查并通過飛行觀察確定初始的航線規(guī)劃區(qū)域，同時(shí)結(jié)合本次毒品原植物踏查精度要求，完成規(guī)劃航線相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，具體數(shù)值如表2 所示。在大疆DJI Pilot 軟件中的地圖上設(shè)置毒品原植物踏查區(qū)域的邊界線，并依次輸入表2 中的各項(xiàng)規(guī)劃航線參數(shù)，確認(rèn)無誤后，軟件將自動生成無人機(jī)飛行踏查航線，如圖1 所示。

表2 規(guī)劃航線相關(guān)參數(shù)表

圖1 無人機(jī)飛行踏查航線

2.4 圖像數(shù)據(jù)篩選分析

飛行航線在50 m 高度時(shí)，共計(jì)采集圖像516 張。為減少排查工作量，提高踏查工作效率，將明顯不包含蘆葦蕩特征的圖像剔除，剩余有效圖像398 張。對余下的圖像數(shù)據(jù)逐個(gè)排查，對照罌粟的植物形態(tài)特征，進(jìn)行人工篩選分析，最終發(fā)現(xiàn)疑似點(diǎn)一處。

該處疑似區(qū)域靠近一條灌溉水渠，在水邊有部分蘆葦，疑似區(qū)域被一片玉米田包圍在中間，根據(jù)現(xiàn)有的圖像顯示存在非法種植罌粟的可能性。但是由于外界氣象環(huán)境因素的影響以及無人機(jī)所搭載的相機(jī)自身的限制，無法準(zhǔn)確判斷該疑似區(qū)域是否存在罌粟的非法種植情況。鑒于以上情況，查詢疑似區(qū)域圖像數(shù)據(jù)的精確經(jīng)緯度信息，并進(jìn)行現(xiàn)場二次踏查，最終排除了該疑似區(qū)域。

2.5 飛行高度分析

為了更好地探究無人機(jī)飛行高度對采集圖像的分析效果、數(shù)據(jù)采集的效率等因素的影響，本文分別計(jì)算了飛行高度40 m、50 m、60 m 時(shí)的地面分辨率、預(yù)計(jì)飛行時(shí)間以及采集照片數(shù)量等參數(shù)[8]，如表3 所示。

表3 飛行高度與地面分辨率對照表

通過上表數(shù)據(jù)對比可知，無人機(jī)的飛行高度越低，地面分辨率數(shù)值越小，所采集數(shù)據(jù)圖像越清晰，但是無人機(jī)航線飛行所需時(shí)間越長，后期人工分析篩選排查的時(shí)間越長。

在保證飛行速度、旁向重疊率、航向重疊率等參數(shù)不變的情況下，本次踏查依次完成了40 m 以及50 m的航線飛行，并分別選取一張疑似區(qū)域的圖像。通過兩張不同高度下的疑似區(qū)域圖像的對比，可以發(fā)現(xiàn)50 m飛行高度下的疑似區(qū)域存在較大不確定性，而40 m 飛行高度下，基本可以憑借經(jīng)驗(yàn)排除疑似案例。采用40 m的飛行高度，將比50 m 飛行高度增加19.3%的飛行時(shí)間，采集圖像數(shù)據(jù)的地面分辨率可以提高24.5%。在今后的毒品原植物踏查過程中，使用大疆精靈4PRO V2.0 無人機(jī)時(shí)，可以優(yōu)先選用40 m 的高度作為無人機(jī)規(guī)劃航線的飛行高度。但是目前國內(nèi)的高壓電塔高度普遍為25 m 至40 m，采用40 m 的飛行高度存在發(fā)生碰撞的可能，需要在前期的勘探過程中，確定踏查任務(wù)區(qū)域內(nèi)的建筑物高度，以避免飛行高度過低導(dǎo)致的碰撞事故。

3 結(jié)束語

無人機(jī)踏查憑借著其覆蓋范圍廣、踏查效率高、成本低等優(yōu)勢，在毒品原植物的踏查中發(fā)揮越來越重要的作用，極大地提升了公安機(jī)關(guān)的禁毒工作效率。本研究以大疆精靈4PRO V2.0 無人機(jī)為載體，分析飛行高度對地面分辨率，數(shù)據(jù)采集效率的影響，并確定以40 m 的飛行高度作為毒品原植物踏查任務(wù)的優(yōu)先選擇高度。隨著人工智能的持續(xù)進(jìn)步發(fā)展，無人機(jī)踏查毒品原植物將借助于多光譜相機(jī)，人工智能算法輔助識別等技術(shù)，自主規(guī)劃航線飛行，并完成對疑似目標(biāo)精準(zhǔn)確認(rèn)，有效解決人工踏查中的諸多問題，實(shí)現(xiàn)罌粟踏查的自動化與智能化。