基于地理信息技術的無人機特殊航拍處理方法研究

[摘要]隨著小型無人機應用推廣，小型無人機航拍愛好者越來越多，在處理航拍基本按照測繪專業(yè)航拍流程進行，航片處理相當繁瑣并有諸多限制情況下，通過對小型無人機飛行方法及小型無人機航拍數(shù)據(jù)的特殊處理的研究和實踐，提出了如何依靠地理信息技術處理和管理小型無人機航拍數(shù)據(jù)的方法。從而推動小型無人機航拍應用向縱深發(fā)展，使小型無人機航拍應用向大眾化科學邁進。

[關鍵詞]無人機；地理信息；航拍

[中圖分類號]P231 [文獻標識碼]A

1 小型無人機航拍的運用

目前民用小型無人機技術主要特點（以最新推出大疆御為例）：（1）抗風能力逐漸增強，可以在1～3級風下穩(wěn)定飛行；（2）可遙控距離增大，可遙控4km，基本滿足各行各業(yè)需求；（3）功能上明顯提升，可以按照指定軌跡和指定目標飛行，可以設定移動目標自動跟飛，比如設定人或汽車等為目標。隨著小型無人機技術的發(fā)展，小型無人機航拍也得到廣泛應用。

1.1 在旅游方面的應用

應用小型無人機航拍，可以讓旅行者預先了解景觀和景點，合理選擇旅游目的地，同時，旅游途中帶個具有跟拍功能的小型無人機可隨時記錄旅游中的片段，增強了很多樂趣。

1.2 農(nóng)業(yè)方面的應用

根據(jù)小型無人機的航拍圖像可以知道農(nóng)作物生長情況，同時了解農(nóng)作物土壤情況，可及時判斷是否需要灌溉，并及時了解農(nóng)作物病蟲災害情況，進而判斷是否需要噴灑農(nóng)藥等，并可把相關數(shù)據(jù)傳到專家辦公室，及時讓專家對農(nóng)作物在生長中遇到的各種問題進行深入科學研究指導，提高自動化農(nóng)業(yè)作業(yè)的科學依據(jù)。

1.3 在交通方面的應用

小型無人機航拍數(shù)據(jù)對交通情況具有直觀指導意義，可以從另一個側面了解到交通情況，對交通科學疏導提供數(shù)據(jù)依據(jù)，亦可通過小型無人機航拍數(shù)據(jù)對城市進行航拍建模指導市民直觀地尋找要去的目的地。

1.4 在水利方面的應用

通過小型無人機航拍可對江道、河道、水庫的水質、水情等情況有個直觀初步判斷，同時，通過小型無人機航拍可以對在建水利工程進行有效跟蹤和管理。

1.5 在水土流失環(huán)境方面的應用

通過小型無人機航拍可以對水土流失情況進行深入了解和長期跟蹤，幫助科學制定防止和治理水土流失的辦法，達到改善生態(tài)環(huán)境的目的。

當然小型無人機航拍在其他領域的應用也很多，這里就不一一例舉，但在實際應用中缺乏科學管理和處理。小型無人機航拍的圖片應用主要是無處理的直接調用，因此，在實際使用中經(jīng)常出現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)丟失，或者找不到自己需要的數(shù)據(jù)。

通常按照測繪航拍流程進行航片處理需要大量借助專業(yè)化團隊，采用專業(yè)軟件進行處理，需要專業(yè)的電腦配置，才能最終形成航拍地圖數(shù)據(jù)，這樣就造成處理成本極高，不具有向小型無人機廣大航拍愛好者推廣應用的價值。同時，如果這些航拍數(shù)據(jù)采用測繪專業(yè)處理和發(fā)布也會受到包括測繪資質在內的多方面條件限制。對于在國家規(guī)定高度內拍到的大眾民用小型無人機航片如何管理以及如何科學高效便捷地處理采集到的航拍數(shù)據(jù)仍然是個空白。基于這樣想法，筆者提出了借助地理信息技術處理和管理小型無人機航拍數(shù)據(jù)的一系列可行辦法和方法。

2 制定配套飛行方案

首先要求每張航片和其他至少一張航拍有60%以上的重疊率，目的是航片進行拼圖時能更加準確。如果發(fā)現(xiàn)有不符合以上條件的，建議當天補拍，以免隔天或多天后因為天氣因素造成航拍拼圖色差太大影響最終效果和美觀。其次，飛行方案必須堅持以下原則：

（1）一般情況下飛行采用設定同一高度，同一附視角度；（2）確定飛行方向，飛行方向盡可能保持一致。這樣能保持航拍到的照片或錄像出現(xiàn)較小的色差；（3）必須采用錄像和拍照并舉，相互彌補取景參數(shù)不足問題。錄像操作簡單，但每一幀沒有經(jīng)緯度坐標，而拍照可以得到經(jīng)緯度坐標，但需要手動操作，相比錄像比較繁瑣，并且容易造成漏拍，出現(xiàn)拼圖盲點；（4）設定同一飛行速度勻速飛行，在錄像中每一幀的坐標是通過拍照獲得，如果飛行速度不一致會造成錄像中獲得的每一幀的坐標是有較大的誤差甚至出現(xiàn)嚴重錯誤；（5）調整飛行高度后重新按照上述4項進行，這樣就得到不同高度航拍結果；（6）調整飛行方向按照上述5項進行，這樣就得到同一拍點下不同拍攝角度的航拍結果。

以上航拍步驟如圖1所示：

3 變形的處理

雖然每個像素大小是一樣，但每個像素因為拍攝角度等因素覆蓋的實物面積或大小是不一樣的，這就造成航片其實是有變形的，理論上距離實物越近圖像相對越大。因此近處相對遠處有放大效果，其放大差距可按照球體幾何如下計算糾正。

3.1 地面相對平坦的變形處理

根據(jù)相機角度（a）和飛行高度（h），得到拍照源（相機）到取景點的距離d值，d=h/cos（a），以垂直于地面的圖像為標準，其他圖像按照d/h放大比例進行放大，這樣處理基本能將變形的圖像復位。如圖2所示：

3.2 建筑物處理方式

參考上述“3.1”處理方式，計算上相當“3.1”中旋轉90度情況，這里不詳細立出計算公式。

3.3 山區(qū)處理變形辦法

山區(qū)地形變化比較大，上述兩種處理變形方法不適合地形波動較大的山區(qū)變形處理方法，我們可以采用修改飛行策略方法解決：①將飛行模式改為隨地形高度變化而變化；②調高俯視角接近90°；③降低飛行間距，增加重疊度

4 其他處理

4.1 顏色處理

由于飛行時飛行天氣和飛行時的飛行參數(shù)不同顏色是會有比較大的差距的，因此有必要在拼圖前對顏色進行統(tǒng)一處理。

4.2 拼圖處理

可以最大像素重疊度為原則進行自動接圖，重疊度小于60%的暫時不拼接

4.3 切分拼接好的大圖為瓦片地圖

由于電腦對大地圖調用是很緩慢，甚至直接卡死，這個問題隨著地理信息技術發(fā)展找到了解決方案：對拼接好地圖按照正方形進行等分切割成小瓦片圖片。

5 基于瓦片地圖開發(fā)地理信息管理系統(tǒng)

傳統(tǒng)地圖通常有較強大的服務功能，包括地圖定位，地圖信息查詢，最佳路徑選擇等，而無人機航拍的地圖也可以經(jīng)過校準疊加到普通地圖，另外也可以設置分屏同時顯示，或將傳統(tǒng)地圖設置為鷹眼地圖，并和小型無人機航拍瓦片地圖建立有效聯(lián)動，實現(xiàn)對小型無人機航拍地圖進行有效管理。最后基于瓦片地圖建立地理信息系統(tǒng)，筆者曾在其他相關論文已經(jīng)發(fā)表過如何基于瓦片地圖建立地理信息系統(tǒng)，這里不做重復闡述。

6 結論

（1）小型無人機航拍圖片采用特殊方式整理成地圖管理，在飛行方案上必須進行科學調整，對平原區(qū)，可采用等高程定向飛行，而山地建議采用保持隨地形等高度變化飛行。（2）在實踐中發(fā)現(xiàn)航拍的變形處理是成功接圖的關鍵，重疊度較高接圖效果越好。（3）瓦片技術處理是必不可少步驟，按照地理信息技術要求將這些瓦片圖片存放在數(shù)據(jù)庫或特殊目錄中是能否采用地理信息技術管理地圖的關鍵。（4）經(jīng)過本文提出的方法處理航拍圖片，是可以滿足旅游、農(nóng)業(yè)、水利等方面的精度要求的。（5）采用本文方法可降低航拍處理成本和處理難度，同時更容易推廣應用，能推動小型無人機航拍應用向縱深深入全面發(fā)展。

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