基于無人機(jī)航拍快速搭建地理信息平臺(tái)方法的研究

摘? ?要：本文通過無人機(jī)航拍與航拍影像處理方法的研究，根據(jù)地理信息系統(tǒng)原理并結(jié)合浙江賦石灌區(qū)無人機(jī)航拍影像處理快速建立地理信息系統(tǒng)的具體過程案例，提出了通過無人機(jī)航拍來直接建立和發(fā)布地理信息系統(tǒng)方法，同時(shí)也給出了無縫對(duì)接其他信息平臺(tái)等技術(shù)方法。據(jù)此認(rèn)為合理利用無人機(jī)航拍快速搭建地理信息平臺(tái)是可行的，從而推動(dòng)和加快普及無人機(jī)航拍在水利及農(nóng)業(yè)等行業(yè)的快速應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);航拍;地理信息

1 研究背景

隨著小型無人機(jī)應(yīng)用推廣 ，在基本按照測繪專業(yè)航拍流程進(jìn)行航片處理相當(dāng)繁瑣并有諸多限制的情況下，本項(xiàng)目通過對(duì)小型無人機(jī)飛行方法及小型無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)的特殊處理研究和實(shí)踐，提出了如何依靠地理信息技術(shù)處理和管理航拍數(shù)據(jù)的方法。從而推動(dòng)小型無人機(jī)航拍應(yīng)用向大眾化科學(xué)化發(fā)展[1]。

測繪專業(yè)航拍通常是通過小型機(jī)或測繪專用無人機(jī)加載精密儀器和復(fù)雜的解析流程獲得測繪點(diǎn)三維坐標(biāo)。它的處理過程是通過處理三維坐標(biāo)點(diǎn)并經(jīng)過專業(yè)軟件重新繪制測繪地圖，進(jìn)而形成地理信息系統(tǒng)。這樣處理過程復(fù)雜，更新速度慢，成本高，其優(yōu)點(diǎn)是精度高。

而很多領(lǐng)域地圖信息更新速度非常快，傳統(tǒng)的測繪方法通常無法在成本和更新速度上滿足項(xiàng)目需要，比如水利上的災(zāi)情、水情地理信息系統(tǒng)。本研究試圖采用無人機(jī)采集的影像來迅速建立地理信息系統(tǒng)，可使建立地理信息系統(tǒng)成本迅速降低，從而更進(jìn)一步推進(jìn)無人機(jī)的應(yīng)用。

2 地理信息基本原理

為了使航拍無縫對(duì)接地理信息地圖，必須搞清楚地理信息基本原理。目前主流地理信息系統(tǒng)采用瓦片地圖[2]，將小圖片自動(dòng)拼接成大地圖或拼接成屏幕可視范圍內(nèi)地圖進(jìn)行地理信息管理。其原理如下：

（1）將地圖按照清晰度或按照分辨率等級(jí)分類;

（2）在同一等級(jí)內(nèi)按照不同位置將地圖切成可拼接的小圖片;

（3）在同一等級(jí)內(nèi)，通過鼠標(biāo)拖動(dòng)或觸摸屏的手指滑動(dòng)將點(diǎn)擊到的小圖片準(zhǔn)確移動(dòng)到指定位置;

（4）根據(jù)上述切分后的位置，并根據(jù)鼠標(biāo)或觸摸板手指的移動(dòng)距離將其他小圖片等量移動(dòng)到指定位置，如果地圖太大僅考慮移動(dòng)后能顯示在屏幕上的小圖片加載顯示，不顯示的部分暫時(shí)不加載顯示;

（5）地圖縮小放大時(shí)調(diào)用不同等級(jí)對(duì)應(yīng)的分辨率小圖片。比如我們常規(guī)的百度地圖根據(jù)不同分辨率有約25個(gè)等級(jí);

（6）為了使地圖放大縮小過度自然，在各個(gè)等級(jí)跳動(dòng)之間采用計(jì)算機(jī)圖片放縮漸變處理技術(shù)，類似flash中的放縮動(dòng)畫處理技術(shù)。這樣處理后就是我們?cè)诎俣鹊鹊貓D看到的放縮任意自然效果;

（7）建立地圖矢量數(shù)據(jù)庫，比如主要交通線路等;

（8）通過矢量數(shù)據(jù)庫加載并且疊加到上述圖像圖層上形成綜合地理信息地圖[2];

（9）通過矢量數(shù)據(jù)庫加載獲得高程信息和經(jīng)緯度等信息;

（10）通過位置信息和交通矢量數(shù)據(jù)庫信息就可通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算進(jìn)行導(dǎo)航軌跡展示;

（11）建立相關(guān)專業(yè)信息數(shù)據(jù)庫，如旅游行業(yè)的景觀信息、交通領(lǐng)域交通擁堵信息等各領(lǐng)域?qū)I(yè)信息動(dòng)態(tài)庫;

（12）將相關(guān)信息庫關(guān)聯(lián)矢量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相關(guān)信息查詢或自動(dòng)展示。

根據(jù)上述原理得知將無人機(jī)航拍地圖同上述瓦片小地圖進(jìn)行自動(dòng)關(guān)聯(lián)是形成地理信息系統(tǒng)的可取解決方案之一。

3 航拍影像整理

本次研究采用大疆DJI MAVIC 2 pro型號(hào)無人機(jī)，模式采用等間距垂直向下自動(dòng)拍照。照片重疊50-75%。航拍時(shí)無人機(jī)會(huì)自動(dòng)記錄拍點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)通過專業(yè)軟件AGisoft導(dǎo)出，并錄入到地理信息平臺(tái)矢量數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)，不同的飛行高度代表不同比例尺。

3.1 對(duì)照片進(jìn)行變形處理

航拍照片的變形處理也是圖象處理中的基本問題，基本上要滿足：影像或照片處理后仍然有較好質(zhì)量;處理變形需要較高的效率;變形復(fù)原后的精度滿足要求或有較高的準(zhǔn)確性。

3.1.1 通過自編軟件處理。目前照片變形算法大多采用基于象素點(diǎn)的填充方法，這種方法算法簡單，但仍然有比較明顯的缺點(diǎn)：（1）當(dāng)變形的圖象區(qū)域是一個(gè)非規(guī)則區(qū)域時(shí)，圖象變形處理所花費(fèi)的時(shí)間增加，即算法的時(shí)間復(fù)雜度加大，效率低;（2）在對(duì)象素點(diǎn)作映射變換時(shí)，可能出現(xiàn)變形后的圖象區(qū)域中一個(gè)象素點(diǎn)對(duì)應(yīng)變形前的圖象區(qū)域中多個(gè)象素點(diǎn)，因此造成取舍困難，甚至造成取舍錯(cuò)誤[3]。當(dāng)然這種方法仍然可以通過軟件優(yōu)化處理加快運(yùn)算效率的，比如，先將變形區(qū)域劃分為一系列小區(qū)域，根據(jù)精度要求可無限細(xì)化這些小區(qū)域，然后對(duì)小區(qū)域進(jìn)行變形復(fù)原計(jì)算，并每個(gè)小矩形按照原始標(biāo)準(zhǔn)算法進(jìn)行快速填充。本研究最后完成了該軟件的開發(fā)，運(yùn)行處理的結(jié)果在景區(qū)和水利工程項(xiàng)目中被采用，實(shí)踐證明這種方法算法快并可以滿足精度要求。

3.1.2 通過專業(yè)軟件處理。當(dāng)工作范圍比較小，航拍量不大時(shí)，其變形處理也可以通過專業(yè)軟件進(jìn)行，這種專業(yè)軟件處理操作簡單，修復(fù)過程完全可視化，可人工干預(yù)性強(qiáng)。比如我們熟悉的adobe photoship軟件就可以處理照片變形。主要進(jìn)行如下操作：

（1） 繪制約束線。選擇約束工具，在照片的左上角單擊創(chuàng)建第一個(gè)約束點(diǎn)，然后在左下角單擊創(chuàng)建第二個(gè)約束點(diǎn)，兩點(diǎn)之間會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)一條約束線。使用相同的辦法在照片中軸和照片右側(cè)上分別創(chuàng)造一條約束線。

（2） 旋轉(zhuǎn)約束線。在左側(cè)的約束線上單擊，將顯示一個(gè)環(huán)形的旋轉(zhuǎn)控制手柄。拖動(dòng)控制手柄將約束線調(diào)整到垂直狀態(tài)，校正照片左側(cè)。按住Shift鍵拖動(dòng)控制手柄可以使其按照角度旋轉(zhuǎn)。

（3） 比例變形。按住Shift鍵繼續(xù)調(diào)整中軸與照片右側(cè)垂直。然后使用同樣的辦法繪制水平約束線校正水平線條的變形問題。一般情況下通過6條左右約束線就能滿足精度要求。

3.2 航拍照片的拼接與切分處理

3.2.1 普通處理方法。經(jīng)過上述變形處理后進(jìn)行拼接再按照瓦片地圖要求進(jìn)行切分，可以采用專業(yè)軟件處理，專業(yè)拼接軟件可采用Agisoft軟件，這種方法會(huì)自動(dòng)去除照片的重疊部分，并進(jìn)行無縫對(duì)接形成龐大的地圖，通常需要性能非常好的專業(yè)計(jì)算機(jī)，并且處理需要很長時(shí)間，一般需要處理幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)。瓦片切割也可采用專業(yè)軟件，如圖片分割軟件等。

3.2.2 航拍照片直接產(chǎn)生瓦片小地圖。通常情況下航拍影像非常多，要求更新速度快，按照上述處理從理論上是可行的，但效率不高，是否可以通過航拍圖片直接產(chǎn)生瓦片地圖，不需要拼接再分切呢？本次研究進(jìn)行不斷探索，在探索過程中主要出現(xiàn)如下問題：

（1）相鄰兩張瓦片小地圖的接縫過渡有誤差;

（2）相鄰兩張瓦片小地圖的接縫過渡顏色或色調(diào)不一致;

（3）相鄰兩張瓦片小地圖的接縫過渡不自然。

對(duì)于（1）中誤差不大的情況和上面（2）、（3）情況都可以采用蒙化處理解決，這種技術(shù)就是保留一部重疊進(jìn)行相互折衷互相融合，在剛剛流行的抖音短視頻剪輯中有這項(xiàng)功能，如剪映、Videoleap等平臺(tái)軟件。本次研究進(jìn)行了該功能的開發(fā)，并取得了成功，也就是在2張航拍照片之間進(jìn)行了互相吸收合并，專業(yè)上叫蒙化處理[4]，處理后的瓦片和上述3.2.1中的普通處理軟件效果是一樣的。

航拍照片對(duì)接有較大誤差情況局部仍然采用方法3.2.1;出現(xiàn)對(duì)于上述3.2.1和3.2.2兩種都不理想的情況基本上是由于航拍過程出現(xiàn)較大問題，需要進(jìn)行重飛行和重拍。

4 用處理后的瓦片地圖及其他信息搭建WEBGIS平臺(tái)

下面以浙江賦石灌區(qū)WEBGIS搭建為例來闡述利用無人機(jī)航拍建立地理信息平臺(tái)的過程：

對(duì)于灌區(qū)來說我們實(shí)際上是通過無人機(jī)航拍獲得地理信息，其包含兩種非常有用的信息：第一種是地圖基本信息，包括村莊、交通、水系等基本地圖要素信息;另外一種是專業(yè)信息，則需要得到：灌區(qū)的土壤質(zhì)量、灌區(qū)的土壤濕度、農(nóng)作物的生長情況等。這些問題既重要也專業(yè)，需要專業(yè)機(jī)構(gòu)才能解決，為此，我們與中國海洋二所遙感影像研究室進(jìn)行了深層次的合作，希望從影像中解決以下問題：（1）灌區(qū)農(nóng)作物分布情況;（2）灌區(qū)的水利工程分布情況;（3）灌區(qū)的農(nóng)作物灌溉情況;（4）灌區(qū)農(nóng)作物的生長情況;（5）灌區(qū)水情和水利災(zāi)害情況;（6）灌區(qū)其他生態(tài)環(huán)境及其變遷情況。

同步獲得這些影像并進(jìn)行解析和實(shí)時(shí)發(fā)布才能解決上述問題，為此需要解決以下問題：

（1）通過無人機(jī)不同的飛行高度獲得不同精度的影像并進(jìn)行定時(shí)更新;

（2）通過建立現(xiàn)場與歷史影像對(duì)比數(shù)據(jù)庫來識(shí)別判斷最新影像的信息，并由專業(yè)合作公司校對(duì)解析影像信息[5];

（3）選擇一個(gè)可靠的WEBGIS發(fā)布平臺(tái)。

研究過程先后采用過很多平臺(tái)，最后選擇ArcGIS平臺(tái)，主要原因是：

1）灌區(qū)較大，影像數(shù)據(jù)非常大，特別是未來歷史影像數(shù)據(jù)非常龐大;

2）ArcGIS平臺(tái)是目前世界上功能最強(qiáng)大的位數(shù)不多的處理海量數(shù)據(jù)的優(yōu)秀地理信息平臺(tái)。

3）ArcGIS平臺(tái)發(fā)布速度通過專業(yè)的設(shè)置仍然是較快的。

設(shè)置第一種方法是通過數(shù)據(jù)注冊(cè)到了服務(wù)器，這樣服務(wù)器會(huì)從注冊(cè)的數(shù)據(jù)中找到位置列表，并從這些位置列表信息中讀取到數(shù)據(jù)。

設(shè)置第二種方法是不通過數(shù)據(jù)注冊(cè)到了服務(wù)器，這樣在發(fā)布的過程中，服務(wù)發(fā)布的過程中將會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)以文件型復(fù)制到發(fā)布服務(wù)器上，在以后的數(shù)據(jù)瀏覽過程中，就會(huì)從復(fù)制好的文件中讀取數(shù)據(jù)。

通過我們研究和比較，采用第二種方法瀏覽運(yùn)行的速度比較快，但發(fā)布過程會(huì)比較慢，這時(shí)可以通過硬件升級(jí)改造加快。

再根據(jù)2中介紹的地理信息基本原理，自己建立開發(fā)WebGis平臺(tái)，自己開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）減少昂貴的的平臺(tái)費(fèi)用開銷;（2）更便于做我們個(gè)性化功能開發(fā)。本次研究我們根據(jù)地理信息基本原理及ARCGIS的WEBGIS原理自行開發(fā)出了自己的平臺(tái)。

最后我們通過深入的研究給出了如下最終解決方案：

（1）不管采用哪種方法，都需要先做出基本地圖功能的瓦片小圖片，其方法參考3;

（2）按照ARCGIS的要求的格式存儲(chǔ)上述瓦片地圖;

（3）按照ARCGIS的生成瓦片地圖方法，將其他矢量圖層也發(fā)布成同規(guī)格的瓦片地圖;

（4）將（3）的矢量瓦片小地圖進(jìn)行去底色處理并變成透明小圖片;

（5）將無人機(jī)航拍并處理后的瓦片小地圖和上一步的透明圖疊加融合生成新的瓦片小地圖并替換（2）;

（6）建立灌區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)庫對(duì)接和整合相關(guān)信息。

根據(jù)上述步驟完成的灌區(qū)地理信息平臺(tái)只是地理信息的基本功能，灌區(qū)信息查詢?nèi)匀恍枰渌罅康臄?shù)據(jù)信息。問題是其他信息包括我們請(qǐng)專家獲得的專業(yè)影像信息如何和基本地圖關(guān)聯(lián)。研究表明以下關(guān)聯(lián)辦法簡單可行：

1）點(diǎn)、線、面信息關(guān)聯(lián)：將相關(guān)信息綁定坐標(biāo)，如將灌區(qū)的抽水泵所在位置的坐標(biāo)信息關(guān)聯(lián)到此抽水泵的工程信息數(shù)據(jù)庫等，在地圖上當(dāng)鼠標(biāo)靠近這個(gè)抽水泵附近區(qū)域時(shí)就會(huì)彈出相關(guān)工程信息;

2）第三方標(biāo)簽關(guān)聯(lián)：我們可以在可顯示的信息畫出我們的標(biāo)簽圖片，比如畫出一個(gè)雨量查詢標(biāo)簽，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊這個(gè)標(biāo)簽就會(huì)彈出附近相關(guān)雨量水文數(shù)據(jù)信息等。

為了實(shí)現(xiàn)灌區(qū)這一功能，需要建立完成相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫[6] ，并通過上述可行的關(guān)聯(lián)方法和地圖進(jìn)行無縫對(duì)接就可以快速搭建專業(yè)地理信息平臺(tái)。

5 結(jié)論

研究表明合理地采用無人機(jī)、遙感等技術(shù)可以快速搭建相關(guān)領(lǐng)域的地理信息系統(tǒng)或平臺(tái)，從而進(jìn)一步提升動(dòng)態(tài)監(jiān)視或監(jiān)控水利、農(nóng)業(yè)特別是灌區(qū)的各方面的綜合能力，進(jìn)一步提升水利、農(nóng)業(yè)等信息的整體現(xiàn)代化管理水平。通過個(gè)案最后得出了利用無人機(jī)航拍快速無縫地對(duì)接地理信息平臺(tái)是可行的。

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責(zé)編/馬銘陽