摘要：研究項(xiàng)目通過無人機(jī)航拍直接產(chǎn)生地理信息需要的瓦片地圖，進(jìn)而極速搭建三維全景地理信息系統(tǒng)，并在水利行業(yè)進(jìn)行了測(cè)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(xiàng)目概況

項(xiàng)目是通過無人機(jī)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(jī)的定位技術(shù)并借助程控技術(shù)進(jìn)行航拍，再通過自主研發(fā)地理信息GIS平臺(tái)，接入航拍地圖快速和我們研發(fā)的GIS平臺(tái)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(chǎng)管理、農(nóng)業(yè)灌溉及農(nóng)作物生長(zhǎng)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(tái)用于浙江省龍山源景區(qū)測(cè)試完成，已進(jìn)入修改完善階段。

此項(xiàng)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(qiáng)，項(xiàng)目易于推廣應(yīng)用。

制定合理的無人機(jī)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(jìn)行拼圖時(shí)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(bǔ)拍，以免隔天或多天后因?yàn)樘鞖庖蛩卦斐珊脚钠磮D色差太大影響最終效果和美觀。其次，飛行方案必須堅(jiān)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(jī)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(diǎn)，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(jī)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(duì)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(shí)間計(jì)算得到，所以必須設(shè)置勻速飛行以免出現(xiàn)較大拼圖錯(cuò)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(jí)，操作上只要重新按照上述4項(xiàng)進(jìn)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(xiàng)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(duì)于要形成地理信息系統(tǒng)，我們知道關(guān)鍵要知道每個(gè)影像的GPS數(shù)據(jù)，即位置數(shù)據(jù)。

高檔無人機(jī)航拍每張照片給出了位置信息，這給我們進(jìn)行地圖處理，最終實(shí)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(jī)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(jī)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(xì)檢查照片中的導(dǎo)出的經(jīng)緯信息和實(shí)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(gè)數(shù)據(jù)在無人機(jī)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(duì)采集到的影像進(jìn)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(jìn)行微調(diào)，原則上重疊度要高于60%，達(dá)不到大于60%重疊度要求的要進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。再通過最大像素重疊度要求自動(dòng)接圖。最后對(duì)拼接好地圖按照瓦片地圖要求進(jìn)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(jī)參數(shù)和調(diào)查路線設(shè)置;圖像重疊分析處理;相機(jī)位置誤差估計(jì)分析處理;地面控制點(diǎn)誤差估計(jì)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(diǎn)坐標(biāo)位置，并根據(jù)上述得到的瓦片地圖進(jìn)行合理的編號(hào)和分層，根據(jù)GIS軟件的要求進(jìn)行接口。最后在各種GIS平臺(tái)上進(jìn)行運(yùn)行我們需要的地理信息系統(tǒng)GIS。也就是根據(jù)無人機(jī)先進(jìn)的自動(dòng)定位航拍功能，結(jié)合GIS瓦片地圖特點(diǎn)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(bào)道。

傳統(tǒng)方法是測(cè)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(diǎn)，最后用這個(gè)三維點(diǎn)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(yùn)行數(shù)據(jù)巨大，運(yùn)行消費(fèi)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(yàn)差。與現(xiàn)有工藝、流程相比，本系統(tǒng)具有突出的實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)和顯著進(jìn)步如下：（1）本成果用戶體驗(yàn)感強(qiáng)，能較真實(shí)展示場(chǎng)景;（2）運(yùn)行體量小，速度快;（3）開發(fā)成本低。

根據(jù)需求進(jìn)行項(xiàng)目功能拓展

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

（1）工作區(qū)的水資源數(shù)據(jù)庫，主要包括水質(zhì)、各級(jí)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?cái)?shù)據(jù)庫，包括在線監(jiān)控?cái)?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(tái)上通過彈窗式進(jìn)行了信息聯(lián)動(dòng)。

極速三維全景信息GIS技術(shù)性能

項(xiàng)目是根據(jù)無人機(jī)先進(jìn)的自動(dòng)定位航拍功能，結(jié)合GIS瓦片地圖特點(diǎn)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(bào)道，系統(tǒng)已有性能如下。

（1）項(xiàng)目關(guān)鍵思路

目前，小型無人機(jī)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(duì)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(jī)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(jī)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(jī)攝像頭參數(shù)和科學(xué)規(guī)劃無人機(jī)相關(guān)飛行方案;

第二，無人機(jī)采集的影像接口到電腦，進(jìn)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(xiàng)目核心創(chuàng)新點(diǎn)

通常為了有效利用無人機(jī)航拍影像按照測(cè)繪航拍流程進(jìn)行航片處理時(shí)，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(jī)等便捷設(shè)備上推廣 。

第一，利用定制無人機(jī)飛行方案，直接獲得地圖需要的瓦片;

第二，利用云計(jì)算和云服務(wù)快速在手機(jī)等便捷設(shè)備上進(jìn)行GIS服務(wù);

第三，建立與其他服務(wù)一體化無縫對(duì)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(diǎn)

第一，制定小型無人機(jī)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(xiàng)目已經(jīng)在應(yīng)用運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定，速度快。

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

項(xiàng)目建立搭建成本低，便于推廣 ?？梢栽谥悄苁謾C(jī)上快速無障礙暢通運(yùn)行，并根據(jù)需要獲得GIS信息，如景點(diǎn)介紹，全景體驗(yàn)?？稍诰用裥^(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(xiàng)目建設(shè)管理多領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用和開展服務(wù)。

第三，項(xiàng)目可擴(kuò)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(tái);

第二，需要對(duì)無人機(jī)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(shí)調(diào)整程序，控制無人機(jī)飛行軌跡;

第四，極強(qiáng)強(qiáng)的影像處理能力，特別是溶圖能力，要有程序來自動(dòng)調(diào)整影像能力。

（6）與同業(yè)在性能上優(yōu)勢(shì)

大大加快項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度或速度，通過多項(xiàng)技術(shù)融合，極速解決地圖化生成，進(jìn)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(gè)月落地的項(xiàng)目，我們只需要大約18天或者更短，提升90%。

（7）體驗(yàn)更真實(shí)、便捷

用戶體驗(yàn)更真實(shí)，滿足用戶各種真實(shí)體驗(yàn)，不丑化場(chǎng)景也不美化場(chǎng)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(dòng)導(dǎo)航和最佳最近景點(diǎn)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(jī)GIS用法一樣，如百度地圖，高得地圖等。

第二，該作品特點(diǎn)：

運(yùn)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(jià)格的小型無人機(jī);

無需購買任何第三方GIS平臺(tái);

用戶體驗(yàn)感強(qiáng)，建立的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)一致。

第三，適應(yīng)范圍：

僅為需要真實(shí)場(chǎng)景提供服務(wù)，增加三維場(chǎng)景體驗(yàn)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(diǎn)，也不可以用此軟件建立的GIS進(jìn)行精準(zhǔn)面積和距離等計(jì)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，合理選擇旅游目的地，增強(qiáng)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(zhǎng)情況，同時(shí)了解農(nóng)作物土壤環(huán)境情況，可及時(shí)判斷是否需要灌溉，并及時(shí)了解農(nóng)作物病蟲災(zāi)害情況，進(jìn)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(shí)讓專家把脈農(nóng)作物的生長(zhǎng)遇到的各種情況和進(jìn)行深入科學(xué)研究指導(dǎo)，提高自動(dòng)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(duì)江道、河道、水庫的水質(zhì)、水情等情況有個(gè)直觀初步判斷，同時(shí)，可以對(duì)在建水利工程進(jìn)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(duì)水土流失情況進(jìn)行深入了解和長(zhǎng)期跟蹤，幫助科學(xué)制定防止和治理水土流失的辦法，達(dá)到改善生態(tài)環(huán)境的目的。

總結(jié)

本項(xiàng)目研究資金來源于浙江水利廳科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)RC1972），通過我們的研究和實(shí)踐探索認(rèn)為：通過無人機(jī)航拍直接（無需復(fù)雜的三維DEM建模）快速生成全景地圖進(jìn)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(xiàng)目應(yīng)用，盡管項(xiàng)目只在水利行業(yè)進(jìn)行驗(yàn)證，但在其他領(lǐng)域仍然具有很高推廣價(jià)值。

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責(zé)編/馬銘陽