无人机全景技术在现场监测中的应用

陈文龙,张 煜,叶 松,沈定涛,魏思奇

(长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010)



无人机全景技术在现场监测中的应用

陈文龙,张 煜,叶 松,沈定涛,魏思奇

(长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010)

现场监测在科研和工程领域中都有着重要的作用，将新技术应用于现场监测，提高现场监测的信息化和实用化水平是目前研究热点。为此，将无人机全景技术应用于现场监测，构建监测环境的三维虚拟实景，在此基础上利用计算机网络，将其与传感器集成起来，形成三维全景现场监测平台。该平台能够实现现场的三维场景实时监测，增强现场监测系统的用户体验效果，证明了无人机全景技术在现场监测的应用潜力。

三维全景；无人机；现场监测；BS系统；移动平台；远程数据采集

1 研究背景

在生态保护、工程建设、环境科学研究等领域，现场监测都有着提供实时数据、辅助问题诊断和决策支持的作用，随着计算机和网络技术的发展，现场监测开始逐渐利用传感器、视频监控、卫星航空遥感等技术来提升监测手段[1-3]。目前，采用这些新技术的远程现场监测系统已经成为现场监测研究和应用的热点，这种监测系统集成多种监测技术，将实际现场采集的目标数据经计算机网络传输至远程信息中心，并通过计算机系统分析处理后将监测数据和分析结果呈现给监测人员。

全景技术是一种基于图像的建模与渲染技术(IBMR)，其在空间一点连续采集视野范围上的图像，经过处理形成该视点的无缝隙全景图像，并利用全景显示引擎在计算机上模拟从视点任意角度观察的三维虚拟场景[4]。这种三维虚拟场景实现方式采集的是视点所见的真实影像，能够准确地反映现场实际情况，且无需对视野中场景进行具体的建模，是一种伪3D的效果[5]。所以场景绘制只与采集的分辨率有关，具有渲染效果逼真、硬件要求低、传输绘制速度快的优势。如果能与传感器、计算机网络等集合起来，就能形成监测现场的三维场景实时监测，大大增强现场监测系统的用户体验效果。全景影像的采集方式具有多种，但比较常见多的是采用全景专业摄像器材拍摄若干张照片后再进行拼接，过程比较繁琐。

本文利用无人机进行现场影像的快速采集，并结合监测传感器设备，构建现场监测的多平台应用系统方案，实现三维场景的实时现场监测。

2 无人机全景技术的实现

2.1 全景影像数据的采集

全景浏览的基础是全景图像，全景图像的制作前提是采集现场环境相应的影像数据，目前比较常用的采集手段包括：①使用全景云台等专业设备直接采集全景图像；②采用普通相机重叠拍摄多张普通相片，以供后期拼接成全景图像[6]。上述数据采集手段存在的问题是步骤较多，时间较长，采集过程有一定的拍摄要求，而且全景云台和相机都存在拍摄盲点，设备下方采集的图像畸变也较大，难以满足现场监测快速采集数据和全面反映环境情况的要求。

无人机航摄技术是将无人小型飞行器作为采集平台，搭载高分辨率影像采集系统获取航片的影像数据，具有工作时间长、采集方便灵活、成本低、精度高的特点[7]。目前无人机平台的类型按照构型大致可以分为大型固定翼无人机、大型旋翼无人机和小型旋翼无人机等，小型旋翼无人机主要用于小范围高精度航拍影像的采集，而且操纵简单、拍摄姿态比较稳定，所以非常适合用于全景图像的数据采集。本文主要的全景数据采集手段就是利用小型旋翼无人机来实现的。在视点上方一定高度悬停无人机，根据视野范围旋转镜头进行拍摄，每次旋转保证航片一定程度的重合度，旋转360°便获得视点观察范围内的所有地物及地貌影像(图1)，这种基于无人机的全景图像采集方式可以在短时间内采集完所需数据，而且图像清晰、作业步骤简单，且视点正下方的影像也可同时完整采集，不存在关键拍摄盲点。

图1 无人机采集现场环境影像Fig.1 Images of field environment obtained by UAV(unmanned aerial vehicle)

2.2 平面全景图像的制作

全景图的实现方式其实就是将视野范围内的影像照片投影到以视点为中心的投影面上，为了实现影像的正确投影和平滑过渡，需要将无人机上所采集的航拍照片数据拼接融合生成为360°平面全景图像。

平面全景图像制作首先是航拍照片的拼接，由于相邻航片之间有一定程度的重合区域，可以根据之间的相同特征进行拼接。本文采用SIFT特征点法对航片进行特征描述，建立相邻图像之间的特征点对应关系，然后将图像旋转、扭曲和偏移实现相邻图像相同区域的无缝像素拼接[8]，这样两两拼接直到拼接完所有航片生成全视野的平面全景图像。在此基础上，还要对相邻图像接缝处的像素亮度和色调进行计算融合，消除明显的图片接缝线，使得平面全景图像整体平滑真实，而且要对平面全景图像上面的缺失区域(如部分天空)进行填充。完成拼接、融合和补缺这些步骤后，就得到了可用于全景浏览的基础平面全景图像(图2)。

图2 平面全景图像Fig.2 Panoramic plane image

2.3 全景浏览的实现

根据全景浏览时视点投影面类型的不同，全景可以分为柱面全景和球面全景。柱面全景的投影面为圆柱面，而球面全景是将平面全景图像投影在一个具有经纬度的球面上，除了0°经纬线外，其他位置的投影画面会有一定程度的畸变，使得浏览观测的水平以及垂直视角分布可以分别达到360°和180°，比较适用于大视角的全景观察[9]，所以相比较柱面全景而言，球面全景更加适合应用于现场监测的应用。

由于平面全景图像的数据量一般较大，整体一次性加载渲染显示会导致浏览不平滑、加载时间长的问题。可以将平面全景图像按照视野的观测范围，处理成不同分辨率的影像金字塔缓存[10]，这样可以在大范围内加载粗分辨率的影像数据浏览，而过渡到局部位置时采用精细高清的影像显示，既保证了浏览速度又能兼顾全景观测的清晰程度。在对平面全景图像进行完预处理后，利用球面全景显示引擎加载平面全景图的数据，可实现基于视点的全景浏览。

3 三维全景现场监测平台

现场监测的任务不仅仅是现场环境的观察，而且需要对现场各种监测数据进行记录和分析，以辅助监测人员决策实施。本文在现场环境全景浏览的基础上，结合自动观测站设备，设计构建三维全景现场监测平台，以实现现场环境的远程监测。

图3 三维全景现场监测平台架构示意图Fig.3 Structure of 3D panoramic site monitoring platform

平台采用B/S架构，B/S架构作为一种基于WEB技术的平台模式，数据的分析与存储主要集中在服务端(Server)，而在客户端只需要使用浏览器(Browser)就可以使用系统进行现场情况的监测。整个架构分为3个层次，分别为数据层、业务层和表现层(图3)。数据层是平台的数据收集和存储中心，平台在现场环境的关键位置布设有一定数量的自动采集站，采集站会在一定时间间隔内自动采集所需监测数据，通过无线或者有线网络传输到平台数据层的数据库中，实现数据的自动采集。数据层除了采集监测业务数据外，还存储有全景影像、系统的配置信息、用户信息等数据。监测平台的全景浏览引擎以及监测数据处理模块集中在平台业务层，根据用户的远程请求，全景浏览引擎加载用户兴趣区域的全景并为客户端浏览器提供全景浏览的功能，同时向数据层提取所需的监测数据，处理后再返回至客户端。表现层则是现场监测平台在用户浏览器中的具体实现，全景浏览画面以及具体的监测数据都是在表现层中通过合适的渲染方式最终展现给用户，以满足用户在远程下全景浏览现场监测的要求。

图4 三维全景现场监测平台Fig.4 Platform of 3D panoramic site monitoring

采用3层架构实现的WEB三维全景现场监测平台，可以实现现场环境的三维景观浏览、自动观测站数据的多形式展示与查询(图4)，并且能够在PC、手机、平板等多平台下远程使用(图5)，能够满足管理人员对于现场监测应用的需求。

图5 移动端使用三维全景现场监测平台Fig.5 Platform of 3D panoramic site monitoring on mobile

4 结 论

现场监测要求监测人员充分了解现场的具体环境情况，并能时刻观察到监测数据从而做出分析判断，传统的现场监测方式通常需要人员到现场记录数据，或者只能传输原始数据到远程数据中心，难以对现场情况有直观且清楚的认识。

本文利用无人机全景技术以及网络计算机技术等，构建从数据采集到结果综合展示的三维场景实时监测方案：无人机全景技术能够真实还原现场的具体环境，提供监测人员实景般的用户体验，并能在监测区域内自由移动，任意查看；网络计算机技术则将监测数据与三维场景相结合，以多种方式把监测数据展示给监测人员，实现了在虚拟三维环境中动态观察现场情况，极大地提高了远程现场监测的用户体验，有利于辅助监测人员进行分析决策。

综上所述，将无人机全景技术应用于现场监测，能提高现场监测的信息化水平，增强现场监测系统的使用效果，为现场监测技术的发展提供新的思路。

[1] 赵起越，白俊松. 国内外环境应急监测技术现状及发展[J]. 安全与环境工程, 2006，13(3):13-16.

[2] 李学哲，罗建国，宫新勇，等. 基于无线传感器网络的巷道支护智能监测系统研究[J]. 华北科技学院学报, 2015，(5): 60-63.

[3] 庞长英, 侯读杰，连军利. 天然气中硫化氢现场监测技术研究[J]. 石油天然气学报, 2010，(2):142-143.

[4] 郭长青，曹 芳. 三维全景技术在旅游景区介绍中的应用[J]. 地理空间信息, 2009，(1):46-48.

[5] 明 镜,向 煜. 基于三维全景技术的高速公路设施采集与管理[J].城市勘测, 2016，(3): 5-11.

[6] 冯建平，吴丽华. 基于全景图像的三维全景漫游系统的构建[J]. 计算机与数字工程, 2013，41(1):115-117.

[7] 石 林，张志斌，汤喜春，等. 无人机技术在湖南省防汛抗旱工作中的探索与应用[J].中国防汛抗旱, 2016，(3): 40-42.

[8] 李艳丽，向 辉. 稳健的球面全景图全自动生成算法[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2007，(11):1393-1398.

[9] 李晓辉, 周荫清，王祖林. 基于曲面拼接的球面全景生成算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2007，(6):668-671.

[10]李建勋，沈 冰，姜仁贵，等. 面向影像金字塔的四叉树空间索引算法[J]. 计算机工程, 2011，(10):11-13.

(编辑：王 慰)

Application of UAV Panoramic Technologyto Site Monitoring

CHEN Wen-long, ZHANG Yu, YE Song, SHEN Ding-tao, WEI Si-qi

(Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

Site monitoring plays an important role in scientific research and engineering fields. Improving the information level and practical level by applying new technology in site monitoring is currently a research hotspot. In this research, UAV (unmanned aerial vehicle) panoramic technology is applied to site monitoring to build a 3D virtual reality environment, which is integrated with monitor sensors to form a 3D panoramic site-monitoring platform using computer networks. On this platform, the 3D real-time monitoring is implemented and the user experience of site monitoring system is enhanced, which demonstrates the potential of UAV panoramic technology in site monitoring.

three-dimensional panorama technology; UAV; site monitoring; BS system; mobile platform; remote data acquisition

2016-08-20

国家自然科学基金青年基金项目(41501558)；云南省水利重大科技项目(CKSK2015852/KJ)

陈文龙(1989-)，男，四川绵阳人，硕士研究生，研究方向为空间信息技术，(电话)027-82926497(电子信箱)Cowerling@163.com。

张 煜(1971-)，男，湖北武汉人，高级工程师，博士，研究方向为摄影测量与遥感技术研究,(电话)027-62775940(电子信箱)zhangyu_1999.@hotmail.com。

10.11988/ckyyb.20160856

2016,33(11):89-92

TP317.4

A

1001-5485(2016)11-0089-04