无人机航拍辅助数字乡村微网站的设计与实现

龙晶晶，黄 蕾，苟文昱，孟文浩，李明峰，陈福昌，黄 成，何志民，李 燕，林惠川

(闽南师范大学物理与信息工程学院，福建 漳州 363000)

0 引 言

乡村数字化是伴随网络化、信息化和数字化在农业农村经济社会发展中的应用，以及农民现代信息技能的提高而内生的农业农村现代化发展和转型过程，既是乡村振兴的战略方向，也是建设数字中国的重要内容[1]。数字乡村广义上等同于农村信息化，从党的十六届五中全会以来，每年的国家一号文件都对农村信息化，也就是实现数字乡村给予充分重视[2]。乡村的数字化建设可以把乡村的基本情况通过图文声像等多媒体技术表现于互联网上，各级领导和相关人员通过此系统可以更准确更及时地了解乡村基层的基本情况，为科学民主符合实际的决策的制定提供有力的依据[3]。此外，通过“数字乡村”各级政府在传统农业的改造、发展现代农业、提高农民收入的过程中将有第一手准确的信息，这对社会主义新农村建设，全面实现小康社会具有重要的意义和作用[4-9]。

就具体的建设内容而言，数字乡村主要应包含2个方面：一方面是空间数据系统的搭建，另一方面是包含有乡村各类数据的应用系统的开发[2]。从数字乡村具体建设的内容看，不管是空间数据系统的搭建，还是包含有乡村资源、环境、社会、经济、人口、文化风俗等数据的应用系统的开发，如何有效地利用好互联网、云计算及大数据等先进技术，是发展农村数字经济，实现农业信息化与现代化，全面建成数字乡村的技术关键[10-15]。另一方面，随着移动互联网技术的发展，全国行政村4G网络的覆盖率到2020年预计将达到甚至超过98%[1]。另据美国媒体机构Zenith的最新统计数据显示，到2018年中国智能手机用户数量达到了13亿，到2019年采用移动设备上网的时间比例将占到总上网时间的76%，而随着5G网络时代的到来，这一比例将更高。因此，从网络发展的趋势以及应用面上看，基于智能手机等手持移动设备的强大处理能力和可视化表达功能，建设便于手机等移动设备访问的数字乡村服务系统将更有意义[16-23]。

基于此，本文在采用无人机航拍获取正射影像资料的基础上，通过Photoscan与ArcMap等软件制作出分辨率达到厘米量级的影像地图，进而完成对空间数据系统的搭建。此外，为了能便于使用移动设备访问，本文设计并搭建了可通过微信、支付宝、浏览器等移动端程序扫码访问的数字乡村微网站，在此微网站系统里不仅可以查询到乡村的各种资源信息，访问者还可以看到各种通知公告与政策宣传。因此，通过本数字乡村系统，各级政府不仅可以及时掌握具体乡村的各类信息，还可以对各乡村有效地发布各种公告进行政策宣传；通过本数字乡村系统，村民不仅可以及时知晓各种公告通知，还可以在便民服务系统里发布和获得各种资源信息；通过本数字乡村系统，外来旅游者不仅可以轻松了解到此地的空间地理信息，还可以方便地了解此地的特产、食宿以及医疗救助等资讯。综上所述，本文以福建省漳州市东山县樟塘村为例，设计并搭建了符合当地居民、当地行政主管部门以及外来游客实际使用需求的“数字樟塘”微网站系统，探索数字乡村综合服务平台的构建方案。

1 无人机航拍正射影像数据采集

采用大疆精灵Phantom 4 RTK无人机进行外业数据采集，无人机在RTK模式下按照规划航线飞行，这保证了进行摄影数据采集时空间定位精度可以达到厘米量级。如图1(a)所示，对所测区域福建省东山县樟塘村进行二维航线规划，规划面积为638467.2 m2。航拍所获得的影像数据包含经纬度信息，所采用的空间坐标为WGS84坐标系。

在规划好航线后对云台相机参数进行设置，如表1所示。航高设定100 m，无人机飞行速度设为7 m/s，云台倾斜角90°下拍摄的影像数据为原始影像数据。80%与70%的航向与旁向重叠度符合国家航空摄影测量标准要求，地面采样间隔(GSD)达到0.0274 m。在规划航线下设置好云台相机参数后，启动无人机开始进行作业。作业完成后总共获取1014张原始影像数据，图1(b)所示为拍摄所获取的照片样例及照片所处的空间位置信息。完成原始影像采集后，搭建“数字樟塘”空间数据系统的数据采集也就完成，接下来便是对原始影像的正射校正、拼接并制作出实景数字地图，最终实现地理空间的数字化。

图1 福建省东山县樟塘村2D航线规划图及正射照片样例

表1 云台相机的参数设置

2 数字正射影像与数字地图制作

2.1 数字正射影像的生成

将外业采集获取的影像图片导入Photoscan，按照空间位置信息完成对影像图片的排列对齐，继而生成密集点云、网格以及纹理信息。接着再生成数字高程模型(DEM)，利用DEM对影像进行正射校正，对校正后影像进行拼接，最终获得工作区数字正射影像。根据实际需求可对输出正射影像数据的空间分辨率进行修改，如图2所示为福建省东山县樟塘村的村落正射影像数据，空间分辨率为0.05 m。

图2 福建省樟塘村数字正射拼接影像图

2.2 POI数据的生成

从数字乡村微网站的实际使用需求出发，需要在高空间分辨率正射影像上叠加地理信息点(POI)，以使乡村地理信息的数字化更具有实用性。当浏览者进入建筑无明显特征道路无准确标识的数字地图时，POI数据的标注将使浏览者更便于使用。通过打印正射影像图作为工作底图，实地走访时在工作底图上标注相关地标名称，在返回单位后将工作底图上标注的地标信息矢量化为空间点数据，最终完成POI数据的标注。具体步骤为：

1)新建ArcMap工程文件，添加研究区正射影像数据。

2)在ArcCatalog中新建shapefile点文件，选择坐标系与正射影像相同，均为WGS84坐标。

3)将新建的点文件添加到ArcMap工程中，参照工作底图，在编辑模式下新增点记录，并在点文件属性中记录点的编号、名称和空间位置信息，添加完成后保存编辑，获得研究区POI数据。

以上是研究区POI数据的获取步骤。为了便于在数字乡村微网站中的使用，POI数据将导入乡村微网站的数据库中，在微网站运行时从数据库中获得相关地标编号、名称和空间位置信息。以福建省漳州市东山县樟塘镇樟塘村为例，在所搭建的“数字樟塘微网站”当中可获得图3所示的高清数字地图，并在地图上标注有樟塘村主要位置节点的POI数据。

图3 叠加POI点数据的樟塘高分辨率地图

2.3 影像切片数据的生成与地图服务的发布

为了保障乡村微网站的运行速度，方便不同处理能力的手机终端用户都能便捷访问，需要将实景地图影像进行切片处理。本文选择开源免费的GeoServer软件，GeoServer是OpenGIS Web服务器规范的J2EE实现。利用GeoServer可以方便地发布地图数据，通过GeoServer可以比较容易地在用户之间迅速共享空间地理信息。做完切片之后将实景地图影像发布于微网站上，手机终端用户便可通过微信扫码获得数字实景地图服务。

影像切片数据和地图服务的发布包括以下4个步骤：

1)新建工作区。

2)添加新的数据存储，选择栅格数据源中的Geotiff，添加研究区正射影像数据。

3)点击发布按钮，选择正射影像发布后的地图服务坐标系为“EPSG ∶4326”。

4)查看发布后的地图服务。在微网站中通过域名地址调用已发布的正射影像地图服务。

3 “数字樟塘”微网站搭建

“数字樟塘”微网站的设计从樟塘村实际使用需求和未来发展规划出发，初步构建的系统详细功能示意图如图4所示。

图4 “数字樟塘”系统功能示意图

如图4所示，在“数字樟塘”网站服务平台中，不仅包含了地图与地址信息服务模块等地理空间数据，还包含了常用功能与资讯服务模块等资讯数据。为了符合未来发展需要，预留了端口用于添加未来可能增加的资源信息。

图5 “数字樟塘”系统总体架构图

本系统在逻辑上采用4层架构进行设计，如图5所示，包括基础层、数据层、技术层以及应用层。基础层包括服务器、网络以及计算机等物理硬件。数据层主要包含2个数据库，分别为高分辨率影像数据库以及乡村资讯专题数据库，比如樟塘的特产、民俗文化以及周边的旅游推荐等。数据库选择开源数据库MySQL, MySQL采用结构化查询语言(SQL)进行管理。由于是开源代码，因此可以下载并根据樟塘未来发展对微网站进行修改。技术层负责将数据层的数据以WebService的方式向应用层提供，同时通过信息管理技术防止非授权访问，避免数据遭到破坏。前端框架选择VUE, VUE以数据驱动和组件化思想构建，更加简洁与易于理解。服务器选择阿里云Elastic Compute Service (ECS), ECS可提供弹性可伸缩的计算服务。这对于乡村微网站建设是非常适合的，可根据对象乡村的数据体量适当增加与减少计算容量与带宽。高分辨率地理影像数据利用ArcGIS Server发布为WMS (Web Map Service)、WFS (Web Feature Service)。应用层是本网站系统的核心部分，采用Hypertext Preprocessor (PHP)语言对访问发来的消息进行解析和响应，实现关键字查询和信息推送等功能。PHP框架选择Code Ignite(CI)框架，CI基于MVC设计模式提供丰富的类库，高效实用。

图6 “数字樟塘”微网站框架模块示意图

图6所示为“数字樟塘”微网站系统总体框架模块示意图。在开发完系统后将微网站的域名生成图7(a)所示的二维码，访问者通过微信、支付宝、浏览器等移动端程序扫描二维码即可进入微网站。图7(b)为“数字樟塘”微网站的主页面，从主页面顶部可以看出，通过高空间分辨率正射影像地图服务展示樟塘村的实景面貌，给用户一种从空中俯瞰地面的体验，0.05 m的影像空间分辨率给用户带来强烈的真实感，而根据视角需要便捷快速地调整分辨率与视角范围(放大、缩小和全屏显示地图)将使访问者使用起来方便舒适；地址信息模块包括地址名称、编号、隶属单位、帮助中心和联系电话；常用功能导航模块包括：路线导航、周边搜索、攻略推荐、手绘地图和微信报警；资讯服务模块以九宫格的形式呈现，包含有述说樟塘、荣誉称号、便民服务、特色产业(特产)、旅游推荐、通知公告与政策宣传、民俗文化以及樟塘规划等。图7(c)上面2幅照片为特色产业(特产)所链接的桑葚种植采摘与成品桑叶茶，下面1幅图为樟塘规划所包含的羊角山文化公园整体规划图。此外，在“数字樟塘”微网站的资讯模块中，村委会可以发布各种通知公告进行政策宣传；小饭馆以及民宿经营者等个体户可以在微网站资计模块中投放相关广告，提供便民服务，且相关广告与服务将接受村委会及村民的监督管理。终上所述，“智慧樟塘”微网站不仅提供地理空间数字信息，还囊括了樟塘村各类资源的数字信息。

图7 (a)“数字樟塘”系统域名二维码；(b)“数字樟塘”微网站页面导航；(c)“数字樟塘”微网站发布的樟塘特产与樟塘羊角山规划图

4 结束语

本文以福建省东山县樟塘村为样本，构建了集地理空间数据与乡村资源信息为一体的数字乡村微网站——“数字樟塘”。通过微信、支付宝、浏览器等移动端程序扫码能方便地访问“数字樟塘”，在此微网站当中访问者可以通过手机浏览分辨率为厘米级的实景地图，可以进行路线规划与导航，可以对周边旅游等资源进行搜索，可以知晓当地特产与民俗等相关信息，可以进行政策宣传规划发布，可以进行广告投放与监管，以及在危急情况下能迅速寻求帮助等资源信息。“数字樟塘”微网站的运行，不仅能服务于当地人民与外来旅游者，也将有力地助力于社会主义新农村建设与全面小康社会的实现。