多旋翼無人機二維正射影像圖在消防救援中的應用研究

晏國勛

(云南省消防救援總隊昆明市支隊，云南 昆明 650021)

0 引言

無人機的航拍應用主要包括高空全景圖、二維正射影像圖、三維建模、測繪等，在消防滅火救援實戰(zhàn)過程中的無人機二維正射影像圖是重要的輔助決策指揮信息支撐手段之一。正射影像圖是具有正射投影的遙感圖像，是用正射相片編輯的帶有公里網(wǎng)格、圖廓、標記的平面圖。通過高空二維正射影像圖制作可以對災害現(xiàn)場整體情況進行整體掌控，并通過不同時間的二維正射影像圖對比，監(jiān)控、分析災害發(fā)展趨勢，為滅火救援行動提供可靠的指揮決策依據(jù)。如何快速正確制作二維正射影像圖對于提高滅火救援指揮行動效率非常關鍵，本文通過在實際工作應用，分析多旋翼無人機在消防滅火救援二維正射影像圖制作作戰(zhàn)性能，為滅火救援科學指揮提供技術支撐[1]。

1 制圖軟硬件的準備

1.1 多旋翼無人機的選擇

民用多旋翼無人機產(chǎn)品種類豐富，它是具有三個及三個以上旋翼軸的無人直升機，因有很多個旋翼軸，所以也叫多旋翼無人機。多旋翼無人機結構簡單，操作簡便，對起降點環(huán)境要求不高，可靠性高，易維護，但在航程、飛行時間、飛行速度方面較固定翼無人機有一定差距。在二維正射影像圖制作中，我們盡可能選擇產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠的無人機產(chǎn)品，一般災害現(xiàn)場消費級無人機基本可以滿足需求，但在大型復雜的災害現(xiàn)場行業(yè)級多旋翼無人機在飛控設計、航程、飛行時間、云臺配備、飛行穩(wěn)定性、可靠性、連續(xù)作業(yè)、電池性能等方面具有非常明顯的優(yōu)勢。

1.2 軟件的選擇

在無人機軟件方面，易選擇操作簡便、設置簡單的飛行拍攝輔助軟件，如DJI GS PRO航線編輯軟件。而對于后期制作的圖形工作站制圖軟件一般我們選擇 ContextCapture、大疆智圖 DJI Terra，特別是后者大疆智圖是我國自主研發(fā)的圖形快速處理軟件操作簡單，可以單機使用，較為適合應急救援快速響應要求。

1.3 圖形工作站性能要求

制作二維正射影像圖關鍵是后期照片的拼接處理能力，普通的工作站無法快速高效進行圖像處理，不但制圖處理周期長，嚴重時會導致工作站操作系統(tǒng)無響應、宕機等情況，因此，圖形工作站應選擇主機 CPU、顯卡 GPU性能較高的產(chǎn)品，比如CPU主頻在2 GHz以上i7以上CPU，顯卡 GPU在 2050mhz，RTX2070以上，內存在32G以上。

2 航線的規(guī)劃

2.1 飛行高度

飛行高度根據(jù)任務需求一般應結合作戰(zhàn)面積進行設定，實戰(zhàn)中，以作戰(zhàn)面積在2500平方米為例，邊長50米的正方形區(qū)域，飛行高度一般設置在80至120米為宜。如作戰(zhàn)面積較大時，比如在石油化工、地震、森林火災、洪澇等大型災害現(xiàn)場，飛行高度設置首先以現(xiàn)場飛行拍攝最高建筑為基準，必須高于此建筑高度保證安全飛行，離地高度一般設置100米左右為成像質量和拍攝速度比較均衡的一個設定[2]。

2.2 飛行速度

飛行速度應結合飛行當時風力大小、作業(yè)時間要求、飛行高度進行設置，如飛行時風力較大，飛行拍攝速度因降低以便無人機能精確定位拍攝位置，作業(yè)時間要求快速則在安全飛行風力范圍內可選擇最快速度飛行拍攝，飛行距離建筑物較遠時，一般超過100米，飛行速度可設置較快，飛行拍攝傾斜攝影質量要求較高時，可適當降低飛行速度。

2.3 拍攝重疊率

拍攝高空俯瞰照片重疊的方式主要包括航向重疊和旁向重疊。航向重疊主要是指主航線的方向依次重疊；旁向重疊主要是指主航向橫向側面的重疊。航向重疊是相片重疊，指的是相鄰相片相同影像的重疊。其中，同一航線上兩相鄰相片的重疊稱航向重疊。航向重疊指的是航空攝影中沿同一航線的相鄰相片上有同一地面影像部分，又稱“縱向重疊”。航測時，同一航帶內前后相鄰照片構成的照片重疊，亦稱“縱向重疊”[3]。航向重疊度=重疊部分的長度/相片邊長，結果以百分數(shù)的形式表示。根據(jù)航空攝影測量作業(yè)的需要，航向重疊度一般設定為70%；旁向重疊度=旁向重疊部分的長度/相片長度，結果以百分數(shù)的形式表示。在面積航空攝影中，相鄰航線間的照片，旁向重疊為60%，最小不少于50%。重疊率是后期二維、三維影像生成處理照片細節(jié)的保障，重疊率越高理論上傾斜攝影質量越好，同時照片數(shù)量增加，也增加了計算機運行數(shù)據(jù)量的增大，增加后期處理時間，因此在應急救援實戰(zhàn)運用中，還應結合實際任務作業(yè)需求來設定重疊率的具體數(shù)值。

2.4 云臺鏡頭角度

拍攝時因為是正射90°俯瞰直射，因此只需要一個垂直于地平面 90°向下的鏡頭即可，三維傾斜攝影模型需要鏡頭拍攝五個不同角度照片，三維激光點云需要激光雷達式云臺拍攝。

3 二維正射影像圖、三維傾斜攝影模型、三維激光點云的制作特點

當運用多旋翼無人機完成照片拍攝后，需要將正射圖進行拼接。將采集的照片添加到制圖生產(chǎn)軟件，首先完成對齊照片處理，照片對齊后生成影像，建立密集云點并生成網(wǎng)格，隨后生成紋理，構建平面模型，完成后建立數(shù)字高程模型DEM，對其建造正馬賽克影像完成任務的生產(chǎn)工作，導出格式為 TIF的二維正射影像圖[4]。因二維正射影像生成正射影像圖時間受飛行高度影響，在相同面積相同高度情況下，427張照片數(shù)量級制圖軟件行業(yè)領先速度通常在1小時38分左右，而我國自主生產(chǎn)的大疆智圖DJI Terra軟件可以達到23分左右，并且搭配專屬鏡頭云臺機型，還可實現(xiàn)邊飛行邊生成二維正射影像的功能，真正實現(xiàn)快速響應。利用無人機和負載的具備傾斜攝影的多角度拍攝云臺，從垂直縱向、傾斜等不同角度采集拍攝影像，獲取地面目標物體完整準確的信息，通過計算圖形處理，結合POS信息空三處理，最終生成三維數(shù)據(jù)模型。同理使用激光雷達云臺，將激光波段快速掃描拍攝區(qū)域，通過收集回波數(shù)據(jù)進行點云式三維模型處理，能在夜間使用，三維點云模型生成速度基本可以實現(xiàn)飛行拍攝邊掃描邊出圖效率極高，大大滿足應急快速響應需求[5]。

4 生產(chǎn)結果的應用

按照上述步驟完成二維正射影像圖制作之后，通過ArcGIS、大疆智圖DJITerra、中科圖新等圖形軟件可以在后期成圖上完成距離的測量、面積、體積的自動計算信息標注，實現(xiàn)災前、災后區(qū)域影像圖的對比，通過寬幅打印機打印后可實現(xiàn)掛圖作戰(zhàn)等服務實戰(zhàn)的應用，亦可作為數(shù)字作戰(zhàn)預案的數(shù)據(jù)基礎?？焖偕啥S正射影像圖，可較為快速掌握災情現(xiàn)場真實狀況，人員力量部署位置清晰，地形道路情況明顯，為作戰(zhàn)指揮提供準確充分數(shù)據(jù)支撐；三維模型數(shù)據(jù)為真實場景的數(shù)據(jù)化反映，可用于作戰(zhàn)模擬，災情分析，古建筑保護等場景；三維點云數(shù)據(jù)因其生成速度快，不受白天夜間影響，可快速生成災區(qū)地形數(shù)據(jù)，為地震救援現(xiàn)場快速準確數(shù)據(jù)收集提供了基礎保障。

5 制作實踐案例

下面，將通過2020年我們參與的某地抗洪救援現(xiàn)場實際制作案例對多旋翼無人機的二維正射影像圖制作進行說明，使用軟件為大疆DJI智圖。使用適合作業(yè)機型的航線規(guī)劃軟件進行航線飛行規(guī)劃。二維模型航線規(guī)劃選擇建圖航拍，如果使用五目鏡頭或類似大疆 P1擺動式鏡頭建設三維傾斜攝影也可采用建圖航拍，三維模型建設選擇傾斜攝影航線規(guī)劃。

在衛(wèi)星云圖上選擇所需拍攝區(qū)域，點擊生成對應的航線路線，如圖 1，檢查航線覆蓋區(qū)域是否為救災區(qū)域，即可完成航線的規(guī)劃。航線命名選擇救災執(zhí)行任務要求的時間內容，選擇準確拍攝作業(yè)的機型，主要功能選項 GSD為照片分辨率，通過設置飛行器高度或更換鏡頭進行調整，這個參數(shù)值是決定模型清晰度的參數(shù)之一，消防場景建議范圍3-5CM，飛行高度低分辨率高但同時照片數(shù)量增加飛行時間增加后期生成圖像速度慢，因此要根據(jù)實際任務選擇。

航線參數(shù)設置方面，消防場景很少用到仿地飛行，仿地飛行是為圍繞地面高度變化保持同地面相對高度飛行，通常選擇默認設置。相對起飛點高度指的是無人機相對遙控器的高度，也就是實際作業(yè)時的飛行高度，這個參數(shù)決定了模型的分辨率和作業(yè)效率，同相機鏡頭高度越高效率越高分辨率越低，高度越低分辨率越高，效率越低，起飛速度和航線速度設置最快。旁向重疊率是主要的模型分辨率設置，一般建議設置范圍在60-70%，航向重疊率建議設置70-80%，主航線角度默認。邊距是調整航線外擴范圍的參數(shù)，默認參數(shù)即可，如有外擴必須確認外擴航線飛行安全，指的是因為傾斜攝影拍攝的航線會有角度外擴的部分，因此要仔細檢查航線是否會撞到周邊建筑，拍照模式采用默認的等時拍照。全部設置完成后，檢查參數(shù)，確認沒有問題后即可點擊上傳航線開始飛行執(zhí)行作業(yè)任務。

任務執(zhí)行完成則自動返航，如果電池電量不夠可暫定航線飛行，返航更換電池后點擊斷電續(xù)飛便可繼續(xù)執(zhí)行飛行任務。飛行任務執(zhí)行完畢后，將無人機拍攝照片導入智圖軟件，根據(jù)需要生成的二維或三維選擇重建選項合成模型。二維重建選擇二維地圖，三維重建選擇三維模型，重建場景選擇城市場景，重建清晰度選擇高、中、低，重建效率與清晰度成反比，重建輸出結果 OSGB選項打鉤，以便后期在圖新地球等軟件中進行圖層疊加使用。

二維成果查看，將鼠標移動到成圖處，撥動鼠標滾輪即可放大縮小模型，長按鼠標左鍵并移動鼠標即可拖動模型位置，點擊標注與測量，可測量出點的坐標、兩點之間的距離、框選區(qū)域的面積，如圖 2。點擊選中點測量功能，將鼠標光標移動至模型所需測量的位置單機鼠標左鍵即可測量出當前點的坐標信息。點擊選中距離測量功能，將鼠標光標移動到模型所需測量的位置單擊鼠標左鍵選中需測量的位置，單擊鼠標右鍵結束即可查看兩點或多點間距離。點擊選中面積測量功能，將鼠標光標移動到模型所需測量的位置單擊鼠標左鍵選中需測量的位置，單擊鼠標右鍵結束即可查看所框選區(qū)域面積信息。

將生成的現(xiàn)場二維正射影像同以往的衛(wèi)星影像以及高空圖片作對比，如圖 3，可快速看清現(xiàn)場態(tài)勢，清晰掌握災情現(xiàn)場狀況，受災面積，人員力量部署等。

6 結論

無人機二維正射影像圖、三維傾斜攝影模型、三維點云模型對消防滅火救援作戰(zhàn)行動具有十分重要的輔助決策作用，極大地提升了滅火救援的科技含量，在今后的實戰(zhàn)運用當中將進一步擴展其應用范圍，在預案制作、災害分析研判等方面發(fā)揮重要作用。