極速三維全景信息GIS研究

摘要：研究項目通過無人機航拍直接產(chǎn)生地理信息需要的瓦片地圖，進而極速搭建三維全景地理信息系統(tǒng)，并在水利行業(yè)進行了測試與應(yīng)用，最后給出了該方法的可行性結(jié)論。

關(guān)鍵詞：航拍;全景;GIS

項目概況

項目是通過無人機航拍極速建立三維全景地理信息系統(tǒng)，也就是根據(jù)無人機的定位技術(shù)并借助程控技術(shù)進行航拍，再通過自主研發(fā)地理信息GIS平臺，接入航拍地圖快速和我們研發(fā)的GIS平臺建立關(guān)聯(lián)完成全景地理信息系統(tǒng)（GIS）。

可廣泛應(yīng)用于景區(qū)導(dǎo)游、水情展示、災(zāi)情了解、工程建設(shè)現(xiàn)場管理、農(nóng)業(yè)灌溉及農(nóng)作物生長情況、物業(yè)小區(qū)管理、校園管理、交通擁堵展示等領(lǐng)域。

我們通過多年努力研究出“極速三維全景信息GIS”，并于2021年1月到5月將平臺用于浙江省龍山源景區(qū)測試完成，已進入修改完善階段。

此項目不僅大幅度減少了成本，還大大減少了人力物力工作量，工作流程可復(fù)制性強，項目易于推廣應(yīng)用。

制定合理的無人機飛行方案

首先要求每張航片和其他至少一張航拍有60%以上的重疊率，目的是航片進行拼圖時能更加準(zhǔn)確。如果發(fā)現(xiàn)有不符合以上條件的，建議當(dāng)天補拍，以免隔天或多天后因為天氣因素造成航拍拼圖色差太大影響最終效果和美觀。其次，飛行方案必須堅持以下原則。

（1）一般情況下飛行采用設(shè)定同一高度，同一俯角。

（2）確定飛行方向，飛行方向盡可能保持一致。這樣能保持航拍到的照片或錄像出現(xiàn)較小的色差。

（3）將拍照與錄像混合使用，錄像采集速度快，但不能獲得經(jīng)緯度值，而無人機拍照功能可以加載了經(jīng)緯度坐標(biāo)，但采集效率比較差，容易造成拼圖盲點，相互結(jié)合，適當(dāng)借助人工判斷，可以很好地解決這類問題。

（4）要求無人機飛行速度一致，特別是在錄像過程中，而在拍照過程中由于已經(jīng)能獲得經(jīng)緯度坐標(biāo)，非勻速飛行對拼圖結(jié)果影響不大，而錄像過程中每幀的坐標(biāo)是通過飛行速度和飛行時間計算得到，所以必須設(shè)置勻速飛行以免出現(xiàn)較大拼圖錯誤。

（5）調(diào)整飛行高度值，得到不同清晰度的航拍影像，便于地理信息GIS的地圖分層分級，操作上只要重新按照上述4項進行就可以。

（6）多角度畫面切換需要事先獲得多角度影像，操作上只要調(diào)整不同飛行方向按照上述5項重新飛行就可以。

以上航拍步驟可見如下流程圖：

獲得采集的影像經(jīng)緯度數(shù)據(jù)

對于要形成地理信息系統(tǒng)，我們知道關(guān)鍵要知道每個影像的GPS數(shù)據(jù)，即位置數(shù)據(jù)。

高檔無人機航拍每張照片給出了位置信息，這給我們進行地圖處理，最終實現(xiàn)瓦片地圖提供很多方便。

（1）開始我們只有拿到的原始相片，這里以大疆無人機為例。

（2）在屬性中可以看到照片的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息。

（3）在PhotoScan軟件中，在查看工作區(qū)中新建區(qū)塊。

（4）在上述區(qū)塊中添加我們無人機航拍的照片。

（5）通過該軟件可以讀取出來的照片的經(jīng)緯度信息，并通過導(dǎo)出按鈕導(dǎo)出就可以。

（6）最后還要仔細檢查照片中的導(dǎo)出的經(jīng)緯信息和實際記錄的是否一致，注意經(jīng)緯度格式的轉(zhuǎn)化。

這樣可以批量導(dǎo)出經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)在無人機影像處理和航拍拼圖中都是非常有用的。

將采集的影像生成瓦片地圖

在生成瓦片地圖前，需要分批分塊對采集到的影像進行拼接，判斷拼接的大致位置是根據(jù)上述（3）獲得的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，再通過影像的重疊度進行微調(diào)，原則上重疊度要高于60%，達不到大于60%重疊度要求的要進行補測。再通過最大像素重疊度要求自動接圖。最后對拼接好地圖按照瓦片地圖要求進行分切。其過程還包括Photoscan處理;正投影像和數(shù)字高程模型處理;相機參數(shù)和調(diào)查路線設(shè)置;圖像重疊分析處理;相機位置誤差估計分析處理;地面控制點誤差估計分析處理等。

根據(jù)GPS數(shù)據(jù)和瓦片地圖建立極速GIS

我們通過影像中心點坐標(biāo)位置，并根據(jù)上述得到的瓦片地圖進行合理的編號和分層，根據(jù)GIS軟件的要求進行接口。最后在各種GIS平臺上進行運行我們需要的地理信息系統(tǒng)GIS。也就是根據(jù)無人機先進的自動定位航拍功能，結(jié)合GIS瓦片地圖特點快速建立關(guān)聯(lián)而建立的GIS，目前尚未有這方面開發(fā)應(yīng)用報道。

傳統(tǒng)方法是測繪專業(yè)方法建立GIS，方法是通過專業(yè)航拍和專業(yè)處理獲得大量三維坐標(biāo)點，最后用這個三維點建立DEM模型。并用三維GIS專業(yè)軟件展示三維景觀或地貌。步驟多，專業(yè)設(shè)備要求高，底層運行數(shù)據(jù)巨大，運行消費的網(wǎng)絡(luò)流量大，雖然精度高，但此方法建立的GIS用戶體驗差。與現(xiàn)有工藝、流程相比，本系統(tǒng)具有突出的實質(zhì)性技術(shù)特點和顯著進步如下：（1）本成果用戶體驗感強，能較真實展示場景;（2）運行體量小，速度快;（3）開發(fā)成本低。

根據(jù)需求進行項目功能拓展

項目研究從水利巡查開始進行應(yīng)用，建立以下的相關(guān)數(shù)據(jù)庫與本系統(tǒng)進行無縫對接。

（1）工作區(qū)的水資源數(shù)據(jù)庫，主要包括水質(zhì)、各級水質(zhì)總量信息。

（2）工作區(qū)水文數(shù)據(jù)庫，包括水位和雨量信息等。

（3）工作區(qū)工程建設(shè)數(shù)據(jù)庫，包括已建工程情況和在建工程情況。

（4）工作區(qū)設(shè)備管理數(shù)據(jù)庫，包括泵站和供水管道、渠道等信息。

（5）工作區(qū)渠道流量數(shù)據(jù)庫，包括各種日用水總量和分量等情況。

（6）工作區(qū)經(jīng)信數(shù)據(jù)庫，包括人口和GDP等情況。

（7）工作區(qū)監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，包括在線監(jiān)控數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)控信息等。

并通過WEB技術(shù)，在我們極速全景三維GIS平臺上通過彈窗式進行了信息聯(lián)動。

極速三維全景信息GIS技術(shù)性能

項目是根據(jù)無人機先進的自動定位航拍功能，結(jié)合GIS瓦片地圖特點快速建立關(guān)聯(lián)而建立的GIS，目前尚未有這方面開發(fā)應(yīng)用報道，系統(tǒng)已有性能如下。

（1）項目關(guān)鍵思路

目前，小型無人機航拍的圖片應(yīng)用主要無處理的直接查看，并且管理比較差，對查詢并不方便，甚至容易造成數(shù)據(jù)丟失。這主要是無人機航拍的照片缺乏科學(xué)管理和科學(xué)處理。是否可以用地理信息中瓦片地圖管理方式去解決這些問題并且建立GIS呢？ 答案是可以的。解決思路如下：

第一，用無人機采集建立地理信息信息系統(tǒng)（GIS）所需要的影像。為此需要科學(xué)設(shè)置無人機攝像頭參數(shù)和科學(xué)規(guī)劃無人機相關(guān)飛行方案;

第二，無人機采集的影像接口到電腦，進行影響處理，滿足瓦片地圖需要的格式;

第三，將處理的影像建立地理信息系統(tǒng)（GIS）。

（2）項目核心創(chuàng)新點

通常為了有效利用無人機航拍影像按照測繪航拍流程進行航片處理時，需要昂貴的硬件和軟件才能處理，并且需要大量投入人力。這樣造成處理成本居高不下，而且速度慢，需要有很高設(shè)備才能展示結(jié)果，不利于在手機等便捷設(shè)備上推廣 。

第一，利用定制無人機飛行方案，直接獲得地圖需要的瓦片;

第二，利用云計算和云服務(wù)快速在手機等便捷設(shè)備上進行GIS服務(wù);

第三，建立與其他服務(wù)一體化無縫對接，如相關(guān)信息查詢和景觀語音介紹等。

（3）主要技術(shù)要點

第一，制定小型無人機飛行方案，該方案可直接獲得GIS全景地圖的底層數(shù)據(jù)，也就是瓦片地圖;

第二，通過瓦片地圖建立GIS模型;

第三，通過GIS屬性鏈接建立完整的GIS查詢系統(tǒng)。

（4）主要技術(shù)指標(biāo)

第一，項目已經(jīng)在應(yīng)用運行，運行穩(wěn)定，速度快。

第二，項目搭建成本低，使用簡單方便，未來應(yīng)用領(lǐng)域非常廣 。

項目建立搭建成本低，便于推廣 。可以在智能手機上快速無障礙暢通運行，并根據(jù)需要獲得GIS信息，如景點介紹，全景體驗。可在居民小區(qū)、校園、景觀公園、創(chuàng)業(yè)園區(qū)、房地產(chǎn)銷售與管理、庫區(qū)巡查、項目建設(shè)管理多領(lǐng)域進行應(yīng)用和開展服務(wù)。

第三，項目可擴展，提升方便。

（5）主要技術(shù)壁壘

第一，需要有自己的地理信息平臺;

第二，需要對無人機有很深入的研究;

第三，需要有編寫程控能力，能根據(jù)要求及時調(diào)整程序，控制無人機飛行軌跡;

第四，極強強的影像處理能力，特別是溶圖能力，要有程序來自動調(diào)整影像能力。

（6）與同業(yè)在性能上優(yōu)勢

大大加快項目實施進度或速度，通過多項技術(shù)融合，極速解決地圖化生成，進而形成地理信息系統(tǒng)（GIS），具體初步推算和比較：同行方法6個月落地的項目，我們只需要大約18天或者更短，提升90%。

（7）體驗更真實、便捷

用戶體驗更真實，滿足用戶各種真實體驗，不丑化場景也不美化場景，并且更新方便。可通過AI技術(shù)提供智能服務(wù)，如智能語音自動導(dǎo)航和最佳最近景點推薦等。

（8）使用方法和使用范圍

第一，該作品使用說明：

該作品在用戶上和傳統(tǒng)手機GIS用法一樣，如百度地圖，高得地圖等。

第二，該作品特點：

運行速度快;

開發(fā)產(chǎn)品的硬件要求低，需要附加開發(fā)設(shè)備僅為數(shù)千元價格的小型無人機;

無需購買任何第三方GIS平臺;

用戶體驗感強，建立的結(jié)果和現(xiàn)場一致。

第三，適應(yīng)范圍：

僅為需要真實場景提供服務(wù)，增加三維場景體驗感及相關(guān)信息查詢與管理。不能獲得精準(zhǔn)三維坐標(biāo)點，也不可以用此軟件建立的GIS進行精準(zhǔn)面積和距離等計算。

第四，推廣前景

作品在以下領(lǐng)域有較好的應(yīng)用推廣前景，并具有較高的社會效益和經(jīng)濟效益。

可應(yīng)用校園三維管理，三維導(dǎo)航，校園VR等。

在旅游方面的應(yīng)用：可以讓旅行者預(yù)先了解景觀和景點，合理選擇旅游目的地，增強了游客樂趣。

農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用：可以知道農(nóng)作物生長情況，同時了解農(nóng)作物土壤環(huán)境情況，可及時判斷是否需要灌溉，并及時了解農(nóng)作物病蟲災(zāi)害情況，進而判斷是否需要噴灑農(nóng)藥等，并可把相關(guān)數(shù)據(jù)傳到專家辦公室，及時讓專家把脈農(nóng)作物的生長遇到的各種情況和進行深入科學(xué)研究指導(dǎo)，提高自動化農(nóng)業(yè)作業(yè)的科學(xué)依據(jù)。

在水利方面的應(yīng)用：可對江道、河道、水庫的水質(zhì)、水情等情況有個直觀初步判斷，同時，可以對在建水利工程進行有效跟蹤和管理。

在水土流失環(huán)境方面的應(yīng)用：可以對水土流失情況進行深入了解和長期跟蹤，幫助科學(xué)制定防止和治理水土流失的辦法，達到改善生態(tài)環(huán)境的目的。

總結(jié)

本項目研究資金來源于浙江水利廳科技項目（項目編號RC1972），通過我們的研究和實踐探索認為：通過無人機航拍直接（無需復(fù)雜的三維DEM建模）快速生成全景地圖進而建立GIS是行之有效的，并在此基礎(chǔ)上通過二次開發(fā)可方便地開展各領(lǐng)域項目應(yīng)用，盡管項目只在水利行業(yè)進行驗證，但在其他領(lǐng)域仍然具有很高推廣價值。

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責(zé)編/馬銘陽