無人機巡檢圖像數(shù)據(jù)處理平臺的設計與開發(fā)

張斌

[摘 要]為了更好地處理無人機巡檢圖像數(shù)據(jù)，本文從無人機數(shù)據(jù)采集處理的角度提出了一種大型圖像數(shù)據(jù)離散化處理方法，并設計了數(shù)據(jù)處理平臺的系統(tǒng)架構，使無人機采集的數(shù)據(jù)能更加方便、直觀地展示給使用者。

[關鍵詞]圖像處理；地圖引擎；WebGIS

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.12.078

[中圖分類號]TN919.3 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2017）12-0-02

1 無人機概述

近年來，隨著無人機技術的發(fā)展，無人機也較為普遍地出現(xiàn)在公眾的視野，其在各行業(yè)的應用不斷加強，除應用于工業(yè)、農業(yè)、軍事、石油等行業(yè)外，在植保、街景拍攝、環(huán)保、災后救援、線路巡檢等領域也成為熱門。其中，無人機在石油行業(yè)主要用于輸油管線的巡檢，通過高分辨率的圖像信息可以有效發(fā)現(xiàn)輸油管線周圍環(huán)境的變化，提早發(fā)現(xiàn)各類隱患，提高管線運行的安全性。此外，無人機應用在通信線路的巡檢中也開始發(fā)揮重要作用，而無人機巡檢則成為無人機應用的一個重要方向。

無人機要想在線路巡檢領域發(fā)揮作用，必須配備高分辨率的相機，這樣在空中拍攝的照片才能滿足需求，但高分辨率的照片通過拼接后會形成單張很大的圖片，這對圖像的后期使用會帶來一定困難。為解決這一問題，需要設計研發(fā)一種能快速處理大型圖像的數(shù)據(jù)處理平臺，使無人機采集的數(shù)據(jù)能更加方便直觀地展示給使用者，甚至可以在移動端實現(xiàn)數(shù)據(jù)預覽。

2 系統(tǒng)原理

由于無人機采集的圖像數(shù)據(jù)需要經過拼接形成單張大圖才能有效預覽全部信息，而拼接后的單張照片大小通常都有5 GB至10 GB，會帶來諸多問題。

第一，數(shù)據(jù)瀏覽緩慢。通常情況下，圖像瀏覽需要在計算機中完成，如果圖像內存太大，將會造成計算機內存的巨大消耗；如果物理內存不足會造成大量的頁面文件交換，給硬盤帶來較大負擔，造成整個系統(tǒng)響應緩慢。

第二，數(shù)據(jù)存儲和移動困難。數(shù)據(jù)量過大會造成數(shù)據(jù)存儲空間的消耗，通常情況下，數(shù)據(jù)是按照整張圖片存儲的，當圖片中僅存在很小變化時，對于沒有變化的數(shù)據(jù)也需要建立“副本”，而這會造成數(shù)據(jù)冗余。當只需要整張圖片中的局部數(shù)據(jù)時，也需要將整張圖片進行復制，造成數(shù)據(jù)移動困難。

解決上述問題的關鍵是尋找一種有效的方式將圖像數(shù)據(jù)離散化，然后按照需求重新組合，保證在數(shù)據(jù)預覽時只讀取相關數(shù)據(jù)，避免大數(shù)據(jù)的加載，從而在根本上解決數(shù)據(jù)加載問題實現(xiàn)數(shù)據(jù)的局部更新，提高數(shù)據(jù)更新的靈活性。

2.1 數(shù)據(jù)處理

本項目采用的數(shù)據(jù)處理思路是將一張完整的圖片進行離散，將數(shù)據(jù)保存在小的柵格中，需要時將若干個柵格進行重組，形成需要的局部數(shù)據(jù)或完整的全局數(shù)據(jù)。按照這種思路，首先需要尋找將圖像進行離散的規(guī)則，通過分析這類數(shù)據(jù)圖像的特點總結出如下規(guī)律：①圖像的像素分布與距離成正比；②圖像信息可以投影到地理坐標系。

根據(jù)這兩條規(guī)律，可以考慮采用地理坐標對圖像數(shù)據(jù)進行離散，也就是說可以按照經緯度將圖像劃分成若干個柵格，并且進行重新編排，在需要時按照地理坐標再將柵格信息進行重新組合，從而形成需要的圖像信息。

2.2 WMTS技術

通過上述分析已經得出數(shù)據(jù)離散的方法和規(guī)則，現(xiàn)在需要研究的是如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的技術，WMTS（切片地圖Web服務）技術無疑是所有技術中最合適的一種，其是一種采用預定義圖塊方法發(fā)布數(shù)字地圖服務的標準化解決方案。

WMTS彌補了傳統(tǒng)分塊地圖的不足，其通過提供靜態(tài)數(shù)據(jù)來增強伸縮性，這些靜態(tài)數(shù)據(jù)的范圍框和比例尺被限定在各個圖塊內。這些固定的圖塊集使得WMTS服務的實現(xiàn)使用一個僅簡單返回已有文件的Web服務器即可，同時使得利用一些標準的諸如分布式緩存的網絡機制實現(xiàn)伸縮性。

2.3 WMTS的原理和實現(xiàn)

WMTS的切片坐標系統(tǒng)和其組織方式可參考圖1。

在一個WMTS服務中包括以下3個操作：①GetCapabilities（獲取服務的元信息）；②GetTile（獲取切片）；③GetFeatureInfo（可選，獲取點選的要素信息）。

3 系統(tǒng)設計

3.1 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲模塊主要負責圖像切片數(shù)據(jù)的保存，主流的數(shù)據(jù)存儲方式主要有數(shù)據(jù)庫和切片包兩種。

數(shù)據(jù)庫方式主要采用MBTiles格式進行存儲，MBTiles是一種地圖瓦片存儲的數(shù)據(jù)規(guī)范，它使用SQLite數(shù)據(jù)庫，可大大提高海量圖瓦片的讀取速度，比通過瓦片文件方式的讀取要快很多，適用于Android、IPhone等智能手機的離線地圖存儲。

MBTiles數(shù)據(jù)表很容易查詢到一張?zhí)囟ǖ那衅喝绮樵兗墑e為8，列號為116，行號為192的瓦片數(shù)據(jù)為：

sqlit>SELECTtile_dataFROMtilesWHEREzoom_level=8ANDtile_column=116ANDtile_row=192；

tile_data為二進制的流文件，無論用在桌面程序還是Android、iOS都可以很方便地從MBTiles數(shù)據(jù)庫中讀取切片數(shù)據(jù)。

切片數(shù)據(jù)包的文件構成十分簡單，是由很多切片文件按照縮放級別、經緯度等信息進行編排后的一組文件目錄。

3.2 WMTS引擎

WTMS引擎是整個平臺的核心，需要對圖像請求進行響應，WMTS服務和之前反復討論的數(shù)據(jù)離散思想是符合的，通過調用參數(shù)也能看出，TILEMATRIX、TILEROW、TILECOL其實就是Level、row、col。因此，WMTS服務下的瓦片請求的URL為：固定格式URL+“&TILEMATRIX=”+level+“&TILEROW=”+row+“&TILECOL=”+col。

4 應用效果

通過對平臺的測試，將一張5 GB左右的大圖進行切片，然后通過調用ArcGIS JavaScript API開發(fā)出了一個演示界面，達到預期效果，在瀏覽器中可以對圖像進行縮放，平移等操作，切片加載速度平均在5毫秒左右，客戶端體驗良好，演示界面及切片加載時間如圖2所示。

為了方便整個軟件平臺的管理和使用，專門開發(fā)了系統(tǒng)后臺控制軟件，可以控制系統(tǒng)服務的啟停、監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)維護管理、WTMS服務管理、API接口管理等。

5 結 語

本項目從無人機數(shù)據(jù)采集處理的角度提出了一種大型圖像數(shù)據(jù)離散化處理的方法，通過與WMTS技術結合，設計了數(shù)據(jù)處理平臺的系統(tǒng)架構，并通過軟件編程實現(xiàn)了系統(tǒng)的各項功能。經過測試，可以滿足在數(shù)據(jù)處理方面的需求，同時本項目的研究成果可以在VR（虛擬現(xiàn)實）、非結構化數(shù)據(jù)處理等領域有一定的應用前景。項目的下一步研究方向主要集中在結合地理信息的高程數(shù)據(jù)，通過坐標系變換，將采集的平面數(shù)據(jù)轉換成三維數(shù)據(jù)，將圖像數(shù)據(jù)以3D的方式進行展示。

主要參考文獻

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