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用无人机和AI守护高原净土：高海拔自然保护区的垃圾检测新方法

news 来源：原创 2025/6/25 23:20:04

这篇题为《Automatic Detection of Scattered Garbage Regions Using Small Unmanned Aerial Vehicle Low-Altitude Remote Sensing Images for High-Altitude Natural Reserve Environmental Protection》的论文，发表于 Environmental Science & Technology，是一项聚焦于高原自然保护区垃圾检测的研究工作。

一、研究背景：高原的生态危机

近年来，中国部分高海拔自然保护区（如珠峰、年保玉则等）频繁因垃圾污染问题而被迫关闭。徒步游客遗留的生活垃圾和牲畜粪便不仅破坏了水源、植被、冰川等生态环境，也使人工清理变得耗时耗力。面对广阔区域、复杂地形和人员缺乏等现实挑战，研究者希望能借助无人机低空遥感图像与AI技术自动识别垃圾区域，大幅提升清理效率。

二、技术难点与挑战

传统深度学习在垃圾检测上难以直接应用于无人机遥感图像，主要面临三大挑战：

1.训练样本极度稀缺：缺乏标注的遥感垃圾图像；

2.视角和尺度多变：不同飞行高度、角度下拍摄的图像变化大；

3.垃圾定义模糊：形状、种类复杂，难以建模。

三、创新点与方法框架

论文提出了一个三步垃圾检测框架，结合图像处理与深度学习，解决上述问题：
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Step 1：图像配准（Image Registration）

由于无人机拍摄时受到风速、姿态、地形等影响，同一地区的多时相图像存在错位和扭曲，不能直接比对。为此，作者采用基于SIFT特征点和EM算法的非刚性配准方法，使用薄板样条（TPS）实现图像对齐。

Step 2：基于变化检测的候选区域提取

作者通过CNN池化特征，检测出多时相图像中的变化区域，提取可能出现垃圾的“候选区域”，再利用超像素分割精细化边界。这样只在发生变化的区域里检测垃圾，减少误报漏报，并缓解样本稀缺问题。

Step 3：使用Faster R-CNN进行目标检测

在提取的候选区域中，作者使用深度学习模型 Faster R-CNN 来识别垃圾目标。为了克服训练数据不足的问题，设计了两种数据增强策略：

DAI：

旋转、平移、镜像等图像处理；

DAII：

将单个垃圾目标“合成”到背景图上形成合成训练样本。
在这里插入图片描述

此外还使用了迁移学习，从 ImageNet 预训练模型微调至垃圾检测任务。

四、实验设置与评估指标

数据采集地：

云南的苍山洱海和玉龙雪山国家自然保护区，平均海拔 >2500m；

设备：

DJI Mavic 2 Pro 和 Phantom 4 Pro；

指标：

使用 Precision、Recall、F1-score、RMSE、MAE；

对比方法：

YOLOv3、SSD、不同版本的Faster R-CNN。

五、实验结果亮点

在这里插入图片描述

此外，尽管速度较慢（平均一张图10.25秒），但该框架极大提升了准确率，是当前SUAV+AI垃圾检测的性能天花板之一。

六、总结与展望

本研究首创性地将小型无人机、遥感图像配准、变化检测与Faster R-CNN目标检测相结合，提出了一种适用于高原自然保护区的垃圾自动识别方法。

研究验证了：

1.在训练样本稀缺条件下，通过数据增强与迁移学习仍可实现高性能检测；

2.图像变化检测大大减轻了全图检测负担；

3.该方法适合推广至其他如城市环境检测、山地巡查等场景。

未来工作建议包括：

1.提高模型对不同光照和天气条件的泛化能力；

2.提升速度，引入轻量化网络；

3.融合2D图像与3D点云进行更精确定位。