基于多旋翼無人機的毒品原植物踏查應用研究

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. 江蘇航運職業技術學院 智能制造與信息學院， 江蘇 南通 226010；2. 南通市公安局 禁毒支隊， 江蘇 南通 226007；3. 南通飛瞰智能科技有限公司 無人機培訓部， 江蘇 南通 226001）

0 引言

毒品原植物踏查是禁種鏟毒的日?；A工作，2016 年中國國家禁毒委員會辦公室運用衛星遙感以及無人機踏查等科技手段，發現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。目前國內大面積非法種植毒品植物的現象已得到有效遏制，但是由于我國的領土幅員遼闊，且部分毒品原植物種植在田間溝壑、農村院落、高樓頂部等隱蔽區域，因此少數地區依然存在零星非法種植問題。采用傳統的人工踏查方式往往難以覆蓋此類隱蔽區域，近年來無人機技術的快速發展為毒品原植物踏查提供了另一種可行的方案。依托無人機搭載的高清攝像頭，利用空中視角優勢，彌補傳統人工踏查中的盲區和死角。結合“航線飛行”+“手動飛行”精準高效地監測獲取地面影像數據，并通過人工分析篩選排查，發現查處非法種植毒品原植物的情況[2-4]。

1 無人機踏查概述

1.1 無人機踏查優勢

（1）節省成本。傳統的人工踏查通過工作人員以地毯式踏查來發現毒品原植物，需要投入大量人力、物力。而無人機踏查可以預先規劃設定好飛行航線，全程采用航線自主飛行，自動采集圖片數據，大大減少踏查人員數量，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現舉報，往往將其種植在田間溝壑、農村院落、高樓頂部等隱蔽區域或者是荒無人煙的灘涂、山林，采用傳統的人工踏查難以涉及此類區域[6]。而采用無人機踏查可以實現高空影像實時拍攝、多方位拍攝，同時記錄周邊情況，保存證據。

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

1.2 無人機踏查流程

（1）踏查方案制定與航線規劃。首先對疑似區域進行初步的人工勘探，根據踏查面積、作業時間、禁飛限制等相關情況，選擇合適的無人機機型進行空中踏查。根據測區范圍、精度要求、氣象條件、周邊環境等因素，使用DJI Pilot 軟件合理設置航線參數，如飛行器機型、掛載設備、飛行高度、航線速度、重疊率、邊距等，完成飛行航線規劃。

（2）飛行準備與任務執行。飛行前需完成飛行器的安裝展開、結構件的固定以及傳感器的檢查等準備事項。為保證無人機定位的準確性，起飛前可根據軟件的提示依次完成相應的動作對無人機進行指南針校準，將確定踏查方案的任務航線上傳至無人機中，并設置應急操作流程，自主完成飛行航線與數據采集任務。

（3）罌粟識別。待無人機完成任務航線飛行，自動平穩降落于地面后，工作人員取出機身中的內存卡，將數據導入電腦中，根據罌粟的主要形態特征對疑似毒品原植物進行識別篩選，對于無法判斷的疑似情況，可以根據采集照片的經緯度坐標確定疑似點的準確位置，并進行二次復飛，定點航攝觀察，確定最終情況。

2 實際案例分析

2.1 案例描述

2021 年6 月公安機關接到熱心群眾舉報，某區域存在疑似罌粟非法種植情況，民警現場處置后發現舉報材料中的一處疑似點，始終無法確定實際位置。根據舉報圖片的顯示，在疑似點附近的河邊有一片蘆葦蕩。由于該區域水網密布，蘆葦叢生，相似場景較多，同時缺少道路，難于行走，人工踏查工作量大，因此借助于無人機空中踏查，快速精準地搜尋該區域。根據現場環境勘探，初步選用了大疆精靈4PRO V2.0 無人機作為本次任務的執行平臺，所搭載的相機參數如表1 所示。

表1 大疆精靈4PRO V2.0 無人機相機參數表

2.2 航高設置

無人機飛行高度過高會導致采集圖像數據的分辨率較低，無法精準快速地識別毒品原植物罌粟的非法種植情況；而無人機飛行高度過低，則會大大增加無人機自動航線飛行時長，采集的圖像數據也會增多，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，無人機飛行高度的降低會導致飛行碰撞事故頻發，造成人身財產損失。因此，選擇適當的飛行高度既有利于提高數據采集的效率，又可以保證圖像分辨率與飛行安全。

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

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

經過上述公式計算，為保證無人機采集的數據影像能夠識別罌粟果實的最高飛行高度為73.0 m。

綜合考量圖像識別精準度、數據采集效率、飛行安全保障、飛行時間與人力資源成本等因素，考慮周邊存在的高壓電塔，從工程實際出發，確定以50 m 作為本次踏查任務的飛行航高。

2.3 飛行航線規劃

本次踏查對疑似區域的周邊環境開展勘探調查并通過飛行觀察確定初始的航線規劃區域，同時結合本次毒品原植物踏查精度要求，完成規劃航線相關參數的設定，具體數值如表2 所示。在大疆DJI Pilot 軟件中的地圖上設置毒品原植物踏查區域的邊界線，并依次輸入表2 中的各項規劃航線參數，確認無誤后，軟件將自動生成無人機飛行踏查航線，如圖1 所示。

表2 規劃航線相關參數表

圖1 無人機飛行踏查航線

2.4 圖像數據篩選分析

飛行航線在50 m 高度時，共計采集圖像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。對余下的圖像數據逐個排查，對照罌粟的植物形態特征，進行人工篩選分析，最終發現疑似點一處。

該處疑似區域靠近一條灌溉水渠，在水邊有部分蘆葦，疑似區域被一片玉米田包圍在中間，根據現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境因素的影響以及無人機所搭載的相機自身的限制，無法準確判斷該疑似區域是否存在罌粟的非法種植情況。鑒于以上情況，查詢疑似區域圖像數據的精確經緯度信息，并進行現場二次踏查，最終排除了該疑似區域。

2.5 飛行高度分析

為了更好地探究無人機飛行高度對采集圖像的分析效果、數據采集的效率等因素的影響，本文分別計算了飛行高度40 m、50 m、60 m 時的地面分辨率、預計飛行時間以及采集照片數量等參數[8]，如表3 所示。

表3 飛行高度與地面分辨率對照表

通過上表數據對比可知，無人機的飛行高度越低，地面分辨率數值越小，所采集數據圖像越清晰，但是無人機航線飛行所需時間越長，后期人工分析篩選排查的時間越長。

在保證飛行速度、旁向重疊率、航向重疊率等參數不變的情況下，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域的圖像。通過兩張不同高度下的疑似區域圖像的對比，可以發現50 m飛行高度下的疑似區域存在較大不確定性，而40 m 飛行高度下，基本可以憑借經驗排除疑似案例。采用40 m的飛行高度，將比50 m 飛行高度增加19.3%的飛行時間，采集圖像數據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 無人機時，可以優先選用40 m 的高度作為無人機規劃航線的飛行高度。但是目前國內的高壓電塔高度普遍為25 m 至40 m，采用40 m 的飛行高度存在發生碰撞的可能，需要在前期的勘探過程中，確定踏查任務區域內的建筑物高度，以避免飛行高度過低導致的碰撞事故。

3 結束語

無人機踏查憑借著其覆蓋范圍廣、踏查效率高、成本低等優勢，在毒品原植物的踏查中發揮越來越重要的作用，極大地提升了公安機關的禁毒工作效率。本研究以大疆精靈4PRO V2.0 無人機為載體，分析飛行高度對地面分辨率，數據采集效率的影響，并確定以40 m 的飛行高度作為毒品原植物踏查任務的優先選擇高度。隨著人工智能的持續進步發展，無人機踏查毒品原植物將借助于多光譜相機，人工智能算法輔助識別等技術，自主規劃航線飛行，并完成對疑似目標精準確認，有效解決人工踏查中的諸多問題，實現罌粟踏查的自動化與智能化。