摘要：自然災(zāi)害場(chǎng)景下的傳統(tǒng)應(yīng)急測(cè)繪方式以無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量為主，測(cè)繪成果的生產(chǎn)需要大量的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，對(duì)受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況的獲取具有一定的滯后性，難以對(duì)災(zāi)害的具體發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位并確定受災(zāi)范圍?；跀z影測(cè)量和SLAM理論，本文實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)視頻畫(huà)面與三維場(chǎng)景的融合，并使用線性插值方法對(duì)視頻融合效果進(jìn)行了優(yōu)化，以此為基礎(chǔ)建立了無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻融合系統(tǒng)。通過(guò)構(gòu)建森林防火專(zhuān)題場(chǎng)景，研發(fā)幾何量測(cè)、森林山火火點(diǎn)定位、視頻回放等實(shí)用功能，可為應(yīng)急測(cè)繪搶險(xiǎn)救災(zāi)場(chǎng)景提供實(shí)時(shí)可靠的測(cè)繪地理信息支撐。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；實(shí)時(shí)視頻融合；應(yīng)急測(cè)繪；MQTT；RTMP；威海市

中圖分類(lèi)號(hào)：P237文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.09.009

引文格式：邢曉平，宋彬，張曉龍，等.無(wú)人機(jī)視頻實(shí)時(shí)融合技術(shù)在威海市應(yīng)急測(cè)繪中的應(yīng)用［J］.山東國(guó)土資源，2024，40（9）：67-73. XING Xiaoping，SONG Bin，ZHANG Xiaolong， et al. Application of UAV Video Real Time Fusion Technology in Emergency Mapping in Weihai City［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（9）：67-73.

0引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)愈發(fā)成熟，應(yīng)用難度逐步降低，無(wú)人機(jī)測(cè)繪已經(jīng)成為新時(shí)代應(yīng)急測(cè)繪的重要手段，是應(yīng)急狀態(tài)下測(cè)繪信息的重要來(lái)源［1］。無(wú)人機(jī)體積小，靈活度高，可以在復(fù)雜危險(xiǎn)的地形中搜索，為救援人員提供關(guān)鍵的目標(biāo)指示和方位。通過(guò)搭載多種傳感器和改裝件，無(wú)人機(jī)可具備實(shí)時(shí)通信、遠(yuǎn)程控制、視覺(jué)信息采集和網(wǎng)絡(luò)中繼等能力［2-3］。然而，傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量基于空中三角測(cè)量方法，高精度的地理信息數(shù)據(jù)獲取要經(jīng)過(guò)繁瑣復(fù)雜的內(nèi)外業(yè)流程，無(wú)法滿足應(yīng)急場(chǎng)景下對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求［4-7］。

隨著我國(guó)對(duì)實(shí)景三維數(shù)據(jù)的重視，越來(lái)越多的城市開(kāi)展了城市級(jí)的實(shí)景三維模型生產(chǎn)制作，建立了“數(shù)字孿生”的虛擬城市［8-10］。三維模型數(shù)據(jù)具有直觀性強(qiáng)、信息豐富的特點(diǎn)，但由于三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)速度受限，制作成本高，數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性難以保證。當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，地貌往往發(fā)生顯著變化，限制了三維模型的直接應(yīng)用。

將視頻流疊加展示在三維模型上，既能為使用者提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)信息，又能直觀地展示目標(biāo)區(qū)域地形特征，在應(yīng)急場(chǎng)景下具有良好的應(yīng)用前景。已有的工作多集中于定點(diǎn)視頻在三維模型中的投放：趙耀等［11］實(shí)現(xiàn)了鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)與BIM的融合；王磊等［12］實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)視頻流同三維地理場(chǎng)景在多個(gè)巡查站點(diǎn)的融合；Milosavljevi等［13］將道路視頻監(jiān)控同三維GIS平臺(tái)融合，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻流在路面的投影展示?；谏鲜龉ぷ鳎疚膶?shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)移動(dòng)視頻流在三維模型表面的投放，并使用線性插值方法對(duì)融合效果進(jìn)行了優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上研發(fā)了無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻融合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)幾何量測(cè)、災(zāi)情定位等系列工具，可以有效地服務(wù)于受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的災(zāi)情研判、災(zāi)害發(fā)展預(yù)測(cè)、救援力量部署以及人員搜救等工作。

1 研究?jī)?nèi)容

本研究實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻融合技術(shù)，將無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面投影在三維模型上，并使用線性插值方法對(duì)視頻融合效果進(jìn)行了優(yōu)化，以此為基礎(chǔ)建立了無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻融合平臺(tái)，構(gòu)建了自然災(zāi)害防治專(zhuān)題應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)在三維場(chǎng)景中的綜合應(yīng)用分析。

1.1無(wú)人機(jī)視頻流和POS數(shù)據(jù)采集

視頻流數(shù)據(jù)和POS（Positioning and Orientation System，定位定向系統(tǒng)）數(shù)據(jù)均參考大疆上云API獲取，其中視頻流數(shù)據(jù)使用RTMP（Real Time Message Protocol，實(shí)時(shí)信息傳輸協(xié)議）協(xié)議［14-16］，POS數(shù)據(jù)使用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議）協(xié)議。MQTT協(xié)議是機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M，Machine to Machine）/物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of Things）連接協(xié)議。它被設(shè)計(jì)為一個(gè)極其輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議，主要針對(duì)受限設(shè)備和低帶寬、高延遲或不可靠的網(wǎng)絡(luò)，通常應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)帶寬非常寶貴的遠(yuǎn)程連接或需要較小代碼占用空間的應(yīng)用場(chǎng)景［17-19］。RTMP與MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)流經(jīng)由無(wú)線鏈路實(shí)時(shí)同步下傳，詳見(jiàn)圖1［20］。

其中POS數(shù)據(jù)格式如表1所示［21］，表中推送模式：0表示定頻數(shù)據(jù)，設(shè)備定頻上報(bào)的屬性；1表示狀態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)備事件性上報(bào)的物模型屬性。

1.2無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻融合技術(shù)

本研究基于針孔成像模型，并假設(shè)視頻幀已經(jīng)過(guò)畸變糾正。對(duì)于地表點(diǎn)S在相機(jī)坐標(biāo)系中坐標(biāo)為（X，Y，Z），對(duì)應(yīng)像點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（u，v），則有式（1）：

式中：Sw為地表點(diǎn)S在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；Z為點(diǎn)S在相機(jī)坐標(biāo)系中的高程值；R為旋轉(zhuǎn)矩陣；K為相機(jī)的內(nèi)參矩陣；t為世界坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的平移向量。

將無(wú)人機(jī)POS數(shù)據(jù)代入式（1），即可恢復(fù)相機(jī)的位置與姿態(tài)，進(jìn)而可計(jì)算出視頻的投影范圍。

1.3無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻融合效果優(yōu)化

受無(wú)人機(jī)固件設(shè)備限制，其位姿信息的傳輸頻率為0.5 Hz，而視頻流幀率不低于30 fps。這導(dǎo)致無(wú)人機(jī)視頻投放畫(huà)面表現(xiàn)出明顯頓挫感，且視頻畫(huà)面的移動(dòng)與投影范圍的移動(dòng)存在錯(cuò)位，極大地影響了視頻融合顯示效果。針對(duì)上述問(wèn)題，在2次獲取數(shù)據(jù)幀時(shí)刻Tformer和Tlatter之間，采用線性插值方法插入位姿數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)融合畫(huà)面的優(yōu)化。

對(duì)于T時(shí)刻的位置數(shù)據(jù)x∈{latitude，longitude，hight}，有式（2）：

整理后得式（3）：

其中：Xformer表示前一幀Tformer時(shí)刻的數(shù)據(jù)；Xlatter表示后一幀Tlatter時(shí)刻的數(shù)據(jù)。

由于姿態(tài)數(shù)據(jù)使用歐拉角模型進(jìn)行描述，為保證插值結(jié)果平滑，對(duì)于T時(shí)刻的姿態(tài)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為四元數(shù)并進(jìn)行球面線性插值處理，處理方法見(jiàn)式（4）：

式中：q1與q2分別代表四元數(shù)1與四元數(shù)2；ω為四元數(shù)1和四元數(shù)2方位之間的夾角；t表示插值變量［22］。

考慮到實(shí)際的應(yīng)用需要以及瀏覽器性能限制，未進(jìn)行四元數(shù)序列線性插值［22］。通過(guò)針對(duì)無(wú)人機(jī)鏡頭的位置、姿態(tài)進(jìn)行不同頻率插值的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)插值可大幅度優(yōu)化無(wú)人機(jī)平穩(wěn)飛行狀態(tài)下視頻投放時(shí)畫(huà)面的頓挫感，并一定程度上優(yōu)化匹配的精度。但由于無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中不可避免地存在變速、變向的非線性情況，該解決方案實(shí)際運(yùn)用中仍存在一定限制。

此外，針對(duì)融合后的無(wú)人機(jī)視頻畫(huà)面，系統(tǒng)支持用戶配置廣角、姿態(tài)角改正值來(lái)手動(dòng)校正匹配效果，保障視頻融合的展示效果。

1.4誤差分析

本研究的無(wú)人機(jī)視頻實(shí)時(shí)融合技術(shù)主要運(yùn)用在自然災(zāi)害防治場(chǎng)景中，需要重點(diǎn)發(fā)揮無(wú)人機(jī)的快速響應(yīng)、靈活機(jī)動(dòng)等特性，會(huì)受到大量誤差因素影響，主要包括以下幾個(gè)方面：

1.4.1自然災(zāi)害防治場(chǎng)景客觀條件

（1）威海市屬于起伏緩和、谷寬坡緩的波狀丘陵區(qū)［23］，自然災(zāi)害多發(fā)地通常較為偏僻，地形起伏變化較為明顯，這與本文采取的投影模型不符，會(huì)在無(wú)人機(jī)成像過(guò)程中產(chǎn)生像點(diǎn)位移。

（2）自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，氣象條件可能相對(duì)惡劣，大風(fēng)、大雨、大霧、高溫等不利因素會(huì)影響無(wú)人機(jī)成像效果以及無(wú)人機(jī)傳感器測(cè)量精度。

1.4.2三維模型方面

本研究所用的三維模型中誤差為0.5 m，無(wú)人機(jī)RTK定位精度詳見(jiàn)表2、表3［24］，可見(jiàn)RTK FIX時(shí)精度相對(duì)較高， PGPS模式下無(wú)人機(jī)定位精度相對(duì)較低。

1.5無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻融合系統(tǒng)建設(shè)

1.5.1開(kāi)發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)為Windows 10，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為IntelliJ IDEA 2021.2，JDK版本為18，數(shù)據(jù)庫(kù)版本為MySQL 8.0.27，GIS服務(wù)器為MapGIS IGServer 10.6，EMQX版本為5.4.1。

1.5.2系統(tǒng)架構(gòu)

威海市無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻融合系統(tǒng)采用“四橫兩縱”的總體框架?！八臋M”分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，“兩縱”為組織機(jī)構(gòu)與安全保障體系，政策法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系（圖2）。

系統(tǒng)功能主要包括實(shí)景三維電子底圖、無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻融合和自然災(zāi)害防治專(zhuān)題應(yīng)用三大模塊，具體結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖3。

1.5.3實(shí)景三維電子底圖

系統(tǒng)接入了威海市全域5 797km2傾斜攝影三維數(shù)據(jù)、二維基礎(chǔ)地理框架數(shù)據(jù)以及防火資源專(zhuān)題數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了跨部門(mén)的數(shù)據(jù)共享和綜合應(yīng)用。二維數(shù)據(jù)支持發(fā)布為OGC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)以及MapGIS自有標(biāo)準(zhǔn)的地圖服務(wù)，三維數(shù)據(jù)支持OGC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)以及MapGIS M3D格式數(shù)據(jù)的接入發(fā)布，為系統(tǒng)應(yīng)用的建設(shè)提供可靠的地理空間數(shù)據(jù)支撐。

1.5.4無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻融合

基于EMQX實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)、處理，使用CesiumJS實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)視頻影像畫(huà)面與三維模型紋理的融合［25］。針對(duì)融合之后的三維模型，選取合適的放縮比例將其拉伸到三維空間［26］，最終得到的視頻畫(huà)面與三維模型的融合效果如圖4所示。

1.5.5自然災(zāi)害防治專(zhuān)題應(yīng)用場(chǎng)景

系統(tǒng)針對(duì)自然災(zāi)害防治專(zhuān)題場(chǎng)景下“災(zāi)情定位難”“救援力量調(diào)度難”的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)災(zāi)情定位、緩沖區(qū)分析、路徑尋優(yōu)、幾何測(cè)量、災(zāi)情復(fù)盤(pán)等實(shí)用功能：

（1） 災(zāi)情定位：借助無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻融合技術(shù)，前線飛手拍攝的實(shí)時(shí)災(zāi)情畫(huà)面可以準(zhǔn)確地投放在三維模型上，實(shí)現(xiàn)災(zāi)情的快速定位。

（2） 緩沖區(qū)分析：針對(duì)用戶設(shè)置的起火范圍或起火點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)范圍內(nèi)防滅火資源的統(tǒng)計(jì)分析（圖5）。

（3） 路徑尋優(yōu)：系統(tǒng)支持任意兩點(diǎn)的最優(yōu)路徑搜索，并可以自由配置途徑點(diǎn)，支撐現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮調(diào)度路線規(guī)劃。

（4） 幾何測(cè)量：系統(tǒng)支持三維場(chǎng)景中的坡度測(cè)量、面積測(cè)量、長(zhǎng)度測(cè)量等。

（5） 災(zāi)情復(fù)盤(pán)：系統(tǒng)維護(hù)無(wú)人機(jī)視頻歷史記錄，可進(jìn)行視頻的回放和重投放，方便應(yīng)急人員進(jìn)行災(zāi)后的復(fù)盤(pán)分析。

2展望

本研究實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)視頻流同實(shí)景三維模型的實(shí)時(shí)融合，但仍有諸多不足之處：

（1）空間準(zhǔn)確度：基于POS數(shù)據(jù)的視頻融合精度有限，實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行操作人員進(jìn)行手動(dòng)校正，可以考慮應(yīng)用PnP（Perspective-n-Point）等算法實(shí)現(xiàn)匹配效果的自動(dòng)優(yōu)化。

（2）時(shí)間平滑度：受限于硬件設(shè)備位姿數(shù)據(jù)采樣頻率，視頻融合效果存在卡頓，需針對(duì)無(wú)人機(jī)硬件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提升位姿數(shù)據(jù)采樣頻率，或使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行位姿數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。

3結(jié)語(yǔ)

本研究實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻與三維模型的融合，使用線性插值方法對(duì)融合效果進(jìn)行了優(yōu)化，并以此為基礎(chǔ)建立了無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻融合系統(tǒng)。系統(tǒng)整合并接入了多源地理空間數(shù)據(jù)，通過(guò)研發(fā)建立防火專(zhuān)題應(yīng)用場(chǎng)景，可以輔助應(yīng)急人員對(duì)應(yīng)急場(chǎng)景下的火場(chǎng)進(jìn)行多角度綜合分析和現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)動(dòng)調(diào)度。系統(tǒng)建成后，在威海市應(yīng)急管理局、威海市林業(yè)局、威海市消防救援支隊(duì)、山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第六地質(zhì)大隊(duì)以及威海市30多家測(cè)繪單位進(jìn)行了技術(shù)應(yīng)用推廣，并接入到威海市城市大腦平臺(tái)，有效提升了威海市森林防火應(yīng)急測(cè)繪水平，筑牢人民生命財(cái)產(chǎn)安全保障基石。

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收稿日期：20240530；修訂日期：20240628；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

基金項(xiàng)目：威海市無(wú)人機(jī)視頻實(shí)時(shí)融合技術(shù)科研項(xiàng)目（威自然資科研〔2023〕1號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：邢曉平（1993—），男，山東威海人，工程師，主要研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感；E-mail：1574335457@qq.com

*通訊作者：姜兆君（1976—），男，山東煙臺(tái)人，主要從事測(cè)繪工程等工作；E-mail：lhtcyjy@126.com