多傳感器無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

李 沖，佘 毅，李昊霖

(四川省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，四川 成都 610041)

地理信息數(shù)據(jù)作為經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性參考資源，其質(zhì)量關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)文明的可持續(xù)發(fā)展[1]。隨著空間技術(shù)和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，測(cè)繪地理信息生產(chǎn)水平和服務(wù)能力發(fā)生了深刻的變革，地理信息成果呈現(xiàn)出多樣性、集成性、現(xiàn)勢(shì)性、大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)[2]，為適應(yīng)地理信息成果信息化發(fā)展的需要，測(cè)繪成果質(zhì)量檢驗(yàn)手段和技術(shù)方法也在不斷地發(fā)展創(chuàng)新，相應(yīng)的質(zhì)檢軟件在成果質(zhì)量檢查中發(fā)揮了重要的作用。

目前國(guó)內(nèi)的地理信息產(chǎn)品質(zhì)檢軟件主要針對(duì)數(shù)據(jù)組織、定義及內(nèi)部邏輯關(guān)系等進(jìn)行檢查，具代表性的軟件有：車秋鋒設(shè)計(jì)研制的4D Checker數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)[3]、許業(yè)輝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查系統(tǒng)[4]、聶小波設(shè)計(jì)開發(fā)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查系統(tǒng)[5]，這些軟件主要功能集中在檢查數(shù)據(jù)內(nèi)部的邏輯一致性、要素關(guān)系合理性、數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)正確性等，對(duì)于數(shù)學(xué)精度和屬性正確性方面，則仍需要人工外業(yè)檢查。

本文基于低空無(wú)人機(jī)獲取的高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、高分辨率影像數(shù)據(jù)、高清晰度視頻數(shù)據(jù)、高精度POS數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)開發(fā)了多傳感器無(wú)人機(jī)外業(yè)巡查系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)多源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理，實(shí)現(xiàn)地理信息產(chǎn)品的要素自然屬性評(píng)估和不同地物數(shù)學(xué)精度檢測(cè)，相比傳統(tǒng)的人工外業(yè)巡查，其效率更高，且不受人工經(jīng)驗(yàn)的影響。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以模塊化、層次化、可擴(kuò)展為原則，自下而上依次分為3個(gè)部分：數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)層是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，系統(tǒng)提供地理信息數(shù)據(jù)、多源檢測(cè)數(shù)據(jù)、檢查記錄、專題輔助數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織和存儲(chǔ)；支撐層用于銜接數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層，保持它們之間的獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目文件和多源數(shù)據(jù)的組織管理、數(shù)據(jù)庫(kù)的操作、地理信息產(chǎn)品和多源數(shù)據(jù)的快速讀取和可視化顯示；應(yīng)用層直接與用戶進(jìn)行功能交互，主要負(fù)責(zé)地理信息數(shù)據(jù)的自然屬性評(píng)估和數(shù)學(xué)精度分級(jí)分類檢測(cè)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

從地理信息產(chǎn)品數(shù)學(xué)精度和要素屬性檢查工作的實(shí)際需求出發(fā)，采用輕量型、嵌入式的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量檢查系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，通過(guò)定制一系列結(jié)構(gòu)合理、關(guān)系明確的數(shù)據(jù)庫(kù)表，組織、存儲(chǔ)和管理系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的重要信息，確保質(zhì)量檢查工作的可溯源性。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)包括4個(gè)實(shí)體表：任務(wù)表、數(shù)據(jù)表、規(guī)則表及錯(cuò)誤記錄表，具體見表1。任務(wù)表存儲(chǔ)地理信息質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目的基本信息，包括任務(wù)編碼、任務(wù)名稱、任務(wù)負(fù)責(zé)人、工作路徑；數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)地理信息產(chǎn)品、激光雷達(dá)點(diǎn)云、影像、視頻、POS等數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)大小及數(shù)據(jù)路徑；規(guī)則表存儲(chǔ)規(guī)則編碼、規(guī)則名稱、參數(shù)、描述；錯(cuò)誤記錄表存儲(chǔ)和管理檢查結(jié)果信息，包括錯(cuò)誤編碼、檢查對(duì)象、檢查規(guī)則、錯(cuò)誤描述、定位幾何、錯(cuò)誤截圖等。

表1 系統(tǒng)實(shí)體

1.3 功能設(shè)計(jì)

考慮機(jī)載多源遙感數(shù)據(jù)用于地理信息質(zhì)量檢查的具體技術(shù)要求，研制的質(zhì)量檢查系統(tǒng)的主要功能包括4大類：任務(wù)管理、數(shù)據(jù)顯示、檢查功能、結(jié)果管理，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能

任務(wù)管理功能用于質(zhì)檢任務(wù)創(chuàng)建和編輯，負(fù)責(zé)對(duì)檢驗(yàn)參數(shù)和各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理。數(shù)據(jù)顯示功能實(shí)現(xiàn)對(duì)地理信息產(chǎn)品、激光點(diǎn)云、影像、視頻等數(shù)據(jù)的獨(dú)立顯示，并且基于數(shù)據(jù)的空間位置進(jìn)行疊加和聯(lián)動(dòng)顯示；同時(shí)，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以在二維和三維兩種顯示模式下切換，根據(jù)點(diǎn)云的類別、高程、強(qiáng)度等信息可以不同的渲染方式顯示點(diǎn)云，除外還可單獨(dú)顯示某一類別的點(diǎn)云分類數(shù)據(jù)。檢查功能是系統(tǒng)的主要功能，用于地理信息產(chǎn)品的質(zhì)量檢查，通過(guò)提取多源數(shù)據(jù)的質(zhì)檢要素信息和空間位置信息，實(shí)現(xiàn)自然屬性的評(píng)估和數(shù)學(xué)精度的分類檢測(cè)。結(jié)果管理功能用于檢查結(jié)果的統(tǒng)計(jì)評(píng)分和檢查記錄的編輯及格式化輸出。

1.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)基于C#編程語(yǔ)言和ArcGIS Engine二次開發(fā)組件來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)主界面主要包括4個(gè)功能區(qū)，分別為菜單窗口、數(shù)據(jù)管理窗口、數(shù)據(jù)顯示窗口及檢查結(jié)果窗口。系統(tǒng)運(yùn)行的主界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行主界面

菜單窗口包括任務(wù)管理、點(diǎn)云管理、檢查模式、顯示模式、視圖管理、日志管理及系統(tǒng)風(fēng)格等子窗口。任務(wù)管理可以創(chuàng)建、打開、編輯質(zhì)檢任務(wù)，是質(zhì)量檢查工作的開始；點(diǎn)云管理可以選擇激光點(diǎn)云的渲染模式，包括類別、高程、強(qiáng)度、不規(guī)則三角網(wǎng)等方式；檢查模式可以在屬性評(píng)估和精度檢測(cè)兩種模式間切換；顯示模式可以切換各類數(shù)據(jù)的顯示形式，包括獨(dú)立顯示和基于空間位置關(guān)系的疊加、聯(lián)動(dòng)顯示；視圖管理可以決定被檢數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像視頻數(shù)據(jù)、檢查結(jié)果等窗口的顯示狀態(tài)。數(shù)據(jù)管理窗口可以管理被檢數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像視頻數(shù)據(jù)的顯示狀態(tài)，數(shù)據(jù)管理窗口與視圖管理窗口的組合使用，可以實(shí)現(xiàn)被檢數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像與視頻數(shù)據(jù)的多模式顯示。檢查結(jié)果窗口可用于添加、編輯、刪除自然屬性類錯(cuò)誤記錄和采集同名特征點(diǎn)、統(tǒng)計(jì)被檢數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)精度。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

本文選取四川省某市城鄉(xiāng)接合部為試驗(yàn)區(qū)，選擇2017版地理國(guó)情監(jiān)測(cè)成果為被檢數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)實(shí)地獲取高精度激光點(diǎn)云、高分辨率影像及高精度POS等數(shù)據(jù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

(1) 利用系統(tǒng)的疊加顯示功能進(jìn)行地物自然屬性評(píng)估，如圖4所示。基于空間位置關(guān)系將透明化的被檢數(shù)據(jù)與具有精細(xì)紋理信息的高分辨率影像疊加顯示，注記顯示被檢圖層的地物類型，經(jīng)人工目視解譯，可以明顯辨別出被檢圖層遺漏重要建筑物。

圖4 數(shù)據(jù)疊加評(píng)估自然屬性

(2) 利用系統(tǒng)查詢激光點(diǎn)云高程信息核查要素屬性，如圖5所示。基于空間位置疊加顯示被檢數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，并聯(lián)動(dòng)顯示激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)讀取建筑物及其周邊地表的高程值，核查建筑物高程相關(guān)屬性是否符合規(guī)定。

(3) 利用系統(tǒng)提取精度檢測(cè)點(diǎn)，分類別統(tǒng)計(jì)地物數(shù)學(xué)精度，如圖6所示。基于空間位置關(guān)系多視圖聯(lián)動(dòng)顯示被檢數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云、影像，按照地物類別，依次在被檢數(shù)據(jù)、參考數(shù)據(jù)上拾取特征明顯的同名精度檢測(cè)點(diǎn)，數(shù)量足夠后分類別統(tǒng)計(jì)地物數(shù)學(xué)精度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

圖5 點(diǎn)云高程核查要素屬性

圖6 多源數(shù)據(jù)提取精度檢測(cè)點(diǎn)

圖7 分類別統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)精度

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于低空無(wú)人機(jī)獲取多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地理信息產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)，論述了系統(tǒng)的總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)主要功能，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合激光點(diǎn)云、航空影像、視頻、POS等數(shù)據(jù)檢查數(shù)學(xué)精度和屬性正確性的檢查軟件。該系統(tǒng)可有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工外業(yè)巡查評(píng)估地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量工作方式，使質(zhì)量檢測(cè)工作更加高效，獲取的檢測(cè)數(shù)據(jù)不受檢查人員責(zé)任心和經(jīng)驗(yàn)影響，更加客觀。