基于无人机航拍快速搭建地理信息平台方法的研究

摘   要：本文通过无人机航拍与航拍影像处理方法的研究，根据地理信息系统原理并结合浙江赋石灌区无人机航拍影像处理快速建立地理信息系统的具体过程案例，提出了通过无人机航拍来直接建立和发布地理信息系统方法，同时也给出了无缝对接其他信息平台等技术方法。据此认为合理利用无人机航拍快速搭建地理信息平台是可行的，从而推动和加快普及无人机航拍在水利及农业等行业的快速应用。

关键词：无人机;航拍;地理信息

1 研究背景

随着小型无人机应用推广 ，在基本按照测绘专业航拍流程进行航片处理相当繁琐并有诸多限制的情况下，本项目通过对小型无人机飞行方法及小型无人机航拍数据的特殊处理研究和实践，提出了如何依靠地理信息技术处理和管理航拍数据的方法。从而推动小型无人机航拍应用向大众化科学化发展[1]。

测绘专业航拍通常是通过小型机或测绘专用无人机加载精密仪器和复杂的解析流程获得测绘点三维坐标。它的处理过程是通过处理三维坐标点并经过专业软件重新绘制测绘地图，进而形成地理信息系统。这样处理过程复杂，更新速度慢，成本高，其优点是精度高。

而很多领域地图信息更新速度非常快，传统的测绘方法通常无法在成本和更新速度上满足项目需要，比如水利上的灾情、水情地理信息系统。本研究试图采用无人机采集的影像来迅速建立地理信息系统，可使建立地理信息系统成本迅速降低，从而更进一步推进无人机的应用。

2 地理信息基本原理

为了使航拍无缝对接地理信息地图，必须搞清楚地理信息基本原理。目前主流地理信息系统采用瓦片地图[2]，将小图片自动拼接成大地图或拼接成屏幕可视范围内地图进行地理信息管理。其原理如下：

（1）将地图按照清晰度或按照分辨率等级分类;

（2）在同一等级内按照不同位置将地图切成可拼接的小图片;

（3）在同一等级内，通过鼠标拖动或触摸屏的手指滑动将点击到的小图片准确移动到指定位置;

（4）根据上述切分后的位置，并根据鼠标或触摸板手指的移动距离将其他小图片等量移动到指定位置，如果地图太大仅考虑移动后能显示在屏幕上的小图片加载显示，不显示的部分暂时不加载显示;

（5）地图缩小放大时调用不同等级对应的分辨率小图片。比如我们常规的百度地图根据不同分辨率有约25个等级;

（6）为了使地图放大缩小过度自然，在各个等级跳动之间采用计算机图片放缩渐变处理技术，类似flash中的放缩动画处理技术。这样处理后就是我們在百度等地图看到的放缩任意自然效果;

（7）建立地图矢量数据库，比如主要交通线路等;

（8）通过矢量数据库加载并且叠加到上述图像图层上形成综合地理信息地图[2];

（9）通过矢量数据库加载获得高程信息和经纬度等信息;

（10）通过位置信息和交通矢量数据库信息就可通过数学模型计算进行导航轨迹展示;

（11）建立相关专业信息数据库，如旅游行业的景观信息、交通领域交通拥堵信息等各领域专业信息动态库;

（12）将相关信息库关联矢量数据库进行相关信息查询或自动展示。

根据上述原理得知将无人机航拍地图同上述瓦片小地图进行自动关联是形成地理信息系统的可取解决方案之一。

3 航拍影像整理

本次研究采用大疆DJI MAVIC 2 pro型号无人机，模式采用等间距垂直向下自动拍照。照片重叠50-75%。航拍时无人机会自动记录拍点经纬度数据，这个数据通过专业软件AGisoft导出，并录入到地理信息平台矢量数据库中。同时，不同的飞行高度代表不同比例尺。

3.1 对照片进行变形处理

航拍照片的变形处理也是图象处理中的基本问题，基本上要满足：影像或照片处理后仍然有较好质量;处理变形需要较高的效率;变形复原后的精度满足要求或有较高的准确性。

3.1.1 通过自编软件处理。目前照片变形算法大多采用基于象素点的填充方法，这种方法算法简单，但仍然有比较明显的缺点：（1）当变形的图象区域是一个非规则区域时，图象变形处理所花费的时间增加，即算法的时间复杂度加大，效率低;（2）在对象素点作映射变换时，可能出现变形后的图象区域中一个象素点对应变形前的图象区域中多个象素点，因此造成取舍困难，甚至造成取舍错误[3]。当然这种方法仍然可以通过软件优化处理加快运算效率的，比如，先将变形区域划分为一系列小区域，根据精度要求可无限细化这些小区域，然后对小区域进行变形复原计算，并每个小矩形按照原始标准算法进行快速填充。本研究最后完成了该软件的开发，运行处理的结果在景区和水利工程项目中被采用，实践证明这种方法算法快并可以满足精度要求。

3.1.2 通过专业软件处理。当工作范围比较小，航拍量不大时，其变形处理也可以通过专业软件进行，这种专业软件处理操作简单，修复过程完全可视化，可人工干预性强。比如我们熟悉的adobe photoship软件就可以处理照片变形。主要进行如下操作：

（1） 绘制约束线。选择约束工具，在照片的左上角单击创建第一个约束点，然后在左下角单击创建第二个约束点，两点之间会自动出现一条约束线。使用相同的办法在照片中轴和照片右侧上分别创造一条约束线。

（2） 旋转约束线。在左侧的约束线上单击，将显示一个环形的旋转控制手柄。拖动控制手柄将约束线调整到垂直状态，校正照片左侧。按住Shift键拖动控制手柄可以使其按照角度旋转。

（3） 比例变形。按住Shift键继续调整中轴与照片右侧垂直。然后使用同样的办法绘制水平约束线校正水平线条的变形问题。一般情况下通过6条左右约束线就能满足精度要求。

3.2 航拍照片的拼接与切分处理

3.2.1 普通处理方法。经过上述变形处理后进行拼接再按照瓦片地图要求进行切分，可以采用专业软件处理，专业拼接软件可采用Agisoft软件，这种方法会自动去除照片的重叠部分，并进行无缝对接形成庞大的地图，通常需要性能非常好的专业计算机，并且处理需要很长时间，一般需要处理几个小时到几十个小时。瓦片切割也可采用专业软件，如图片分割软件等。

3.2.2 航拍照片直接产生瓦片小地图。通常情况下航拍影像非常多，要求更新速度快，按照上述处理从理论上是可行的，但效率不高，是否可以通过航拍图片直接产生瓦片地图，不需要拼接再分切呢？本次研究进行不断探索，在探索过程中主要出现如下问题：

（1）相邻两张瓦片小地图的接缝过渡有误差;

（2）相邻两张瓦片小地图的接缝过渡颜色或色调不一致;

（3）相邻两张瓦片小地图的接缝过渡不自然。

对于（1）中误差不大的情况和上面（2）、（3）情况都可以采用蒙化处理解决，这种技术就是保留一部重叠进行相互折衷互相融合，在刚刚流行的抖音短视频剪辑中有这项功能，如剪映、Videoleap等平台软件。本次研究进行了该功能的开发，并取得了成功，也就是在2张航拍照片之间进行了互相吸收合并，专业上叫蒙化处理[4]，处理后的瓦片和上述3.2.1中的普通处理软件效果是一样的。

航拍照片对接有较大误差情况局部仍然采用方法3.2.1;出现对于上述3.2.1和3.2.2两种都不理想的情况基本上是由于航拍过程出现较大问题，需要进行重飞行和重拍。

4 用处理后的瓦片地图及其他信息搭建WEBGIS平台

下面以浙江赋石灌区WEBGIS搭建为例来阐述利用无人机航拍建立地理信息平台的过程：

对于灌区来说我们实际上是通过无人机航拍获得地理信息，其包含两种非常有用的信息：第一种是地图基本信息，包括村庄、交通、水系等基本地图要素信息;另外一种是专业信息，则需要得到：灌区的土壤质量、灌区的土壤湿度、农作物的生长情况等。这些问题既重要也专业，需要专业机构才能解决，为此，我们与中国海洋二所遥感影像研究室进行了深层次的合作，希望从影像中解决以下问题：（1）灌区农作物分布情况;（2）灌区的水利工程分布情况;（3）灌区的农作物灌溉情况;（4）灌区农作物的生长情况;（5）灌区水情和水利灾害情况;（6）灌区其他生态环境及其变迁情况。

同步获得这些影像并进行解析和实时发布才能解决上述问题，为此需要解决以下问题：

（1）通过无人机不同的飞行高度获得不同精度的影像并进行定时更新;

（2）通过建立现场与历史影像对比数据库来识别判断最新影像的信息，并由专业合作公司校对解析影像信息[5];

（3）选择一个可靠的WEBGIS发布平台。

研究过程先后采用过很多平台，最后选择ArcGIS平台，主要原因是：

1）灌区较大，影像数据非常大，特别是未来历史影像数据非常庞大;

2）ArcGIS平臺是目前世界上功能最强大的位数不多的处理海量数据的优秀地理信息平台。

3）ArcGIS平台发布速度通过专业的设置仍然是较快的。

设置第一种方法是通过数据注册到了服务器，这样服务器会从注册的数据中找到位置列表，并从这些位置列表信息中读取到数据。

设置第二种方法是不通过数据注册到了服务器，这样在发布的过程中，服务发布的过程中将会自动将数据以文件型复制到发布服务器上，在以后的数据浏览过程中，就会从复制好的文件中读取数据。

通过我们研究和比较，采用第二种方法浏览运行的速度比较快，但发布过程会比较慢，这时可以通过硬件升级改造加快。

再根据2中介绍的地理信息基本原理，自己建立开发WebGis平台，自己开发的优点是：（1）减少昂贵的的平台费用开销;（2）更便于做我们个性化功能开发。本次研究我们根据地理信息基本原理及ARCGIS的WEBGIS原理自行开发出了自己的平台。

最后我们通过深入的研究给出了如下最终解决方案：

（1）不管采用哪种方法，都需要先做出基本地图功能的瓦片小图片，其方法参考3;

（2）按照ARCGIS的要求的格式存储上述瓦片地图;

（3）按照ARCGIS的生成瓦片地图方法，将其他矢量图层也发布成同规格的瓦片地图;

（4）将（3）的矢量瓦片小地图进行去底色处理并变成透明小图片;

（5）将无人机航拍并处理后的瓦片小地图和上一步的透明图叠加融合生成新的瓦片小地图并替换（2）;

（6）建立灌区相关数据库对接和整合相关信息。

根据上述步骤完成的灌区地理信息平台只是地理信息的基本功能，灌区信息查询仍然需要其他大量的数据信息。问题是其他信息包括我们请专家获得的专业影像信息如何和基本地图关联。研究表明以下关联办法简单可行：

1）点、线、面信息关联：将相关信息绑定坐标，如将灌区的抽水泵所在位置的坐标信息关联到此抽水泵的工程信息数据库等，在地图上当鼠标靠近这个抽水泵附近区域时就会弹出相关工程信息;

2）第三方标签关联：我们可以在可显示的信息画出我们的标签图片，比如画出一个雨量查询标签，当鼠标点击这个标签就会弹出附近相关雨量水文数据信息等。

为了实现灌区这一功能，需要建立完成相关信息数据库[6] ，并通过上述可行的关联方法和地图进行无缝对接就可以快速搭建专业地理信息平台。

5 结论

研究表明合理地采用无人机、遥感等技术可以快速搭建相关领域的地理信息系统或平台，从而进一步提升动态监视或监控水利、农业特别是灌区的各方面的综合能力，进一步提升水利、农业等信息的整体现代化管理水平。通过个案最后得出了利用无人机航拍快速无缝地对接地理信息平台是可行的。

参考文献：

[1]林高印.浙江赋石灌区信息化技术应用研究[J].浙江水利水电学院学报，2014，26（4）：365-366.

[2]林高印.基于无人机航拍的三维建模研究[J].农村经济与科技，2020，31（1）：58-60.

[3]邹北骥.一种基于微分思想的图象变形算法研究与实现[J].电子学报，2013，31（5）17-20.

[4]林高印，谢放.钱塘江江道三维GIS模型的研究[J].工程地质计算机应用，2005，25（3）30-33.

[5]郭景仁，庞连锋.遥感和地理信息技术在灾害防治中的应用[J].科技研究，2014，33（2）：19-21.

[6]李占德.水利工程地理信息数据库建设[J].黑龙江科技信息，2014，17（1）：22-24.

责编/马铭阳