基于无人机航拍快速搭建地理信息平台方法的研究

摘要:通过对无人机航拍和航拍影像处理方法的研究，根据GIS的原理和浙江省浮石灌区无人机航拍影像处理快速建立GIS的具体过程案例，提出了利用无人机航拍直接建立和发布GIS的方法，并给出了与其他信息平台无缝连接等技术方法。据此，合理利用无人机航拍快速搭建地理信息平台是可行的，从而推动和加快无人机航拍在水利、农业等行业的快速应用。

关键词:无人机；航拍；地理信息

1研究背景

随着小型无人机的应用和普及，在按照测绘专业航拍流程进行航片处理相当繁琐且有诸多限制的情况下，本项目通过对小型无人机飞行方法和小型无人机航片数据特殊处理的研究和实践，提出了如何利用地理信息技术处理和管理航片数据的方法。从而推动小型无人机航拍应用的普及和科学发展[1]。

测绘专业航拍通常使用小型计算机或测绘专用无人机装载精密仪器和复杂的分析过程，获取测绘点的三维坐标。其处理过程是通过专业软件对三维坐标点进行处理，重绘成图，从而形成地理信息系统。这个过程复杂，更新速度慢，成本高，它的优点是精度高。

然而，很多领域的地图信息更新速度非常快，传统的测绘方法通常在成本和更新速度上不能满足项目的需要，例如水利中的灾情和水文地理信息系统。本研究尝试利用无人机采集的影像快速建立GIS，可以快速降低建立GIS的成本，进一步推动无人机的应用。

2地理信息的基本原则

为了将航拍与地理信息地图无缝对接，我们必须了解地理信息的基本原理。目前主流的地理信息系统采用瓦片地图[2]，在屏幕可视范围内自动将小图拼接成大图或地图进行地理信息管理。其原理如下:

(1)根据地图的清晰度或分辨率等级对地图进行分类；

(2)将地图剪成小图，可以根据同一等级的不同位置进行拼接；

(3)在同一关卡中，通过拖动鼠标或滑动触摸屏的手指，将点击的小图片准确移动到指定位置；

(4)根据分割的位置和鼠标或触摸板手指的移动距离，将其他小图片移动到指定位置。如果地图太大，只考虑移动后能在屏幕上显示的小图加载显示，没有显示的部分暂时不加载显示；

(5)地图缩小和放大时，调用不同级别分辨率的小图。比如我们正规的百度地图，根据分辨率不同大概有25个级别；

(6)为了使地图的放大缩小过于自然，在不同层次的跳转之间采用了计算机图像放大缩小处理技术，类似于flash中的放大缩小动画处理技术。经过这样的处理，我们可以在百度和其他地图中看到任何缩放的自然效果。

(7)建立地图矢量数据库，如主要交通路线等。

(8)在图层上加载叠加矢量数据库，形成综合地理信息图[2]；

(9)加载矢量数据库，获取高程信息、经纬度等信息；

(10)通过位置信息和交通矢量数据库信息，通过数学模型计算显示导航轨迹；

(11)建立相关专业信息数据库，如旅游行业景观信息、交通领域交通拥堵信息等各领域专业信息的动态数据库。

(12)相关信息数据库与矢量数据库相关联，用于相关信息查询或自动显示。

根据上述原理，已知形成地理信息系统以自动将无人飞行器的航空地图与瓦片小地图相关联是期望的解决方案之一。

3航空影像整理

本研究采用DJI DJI MAVIC 2 pro无人机，模式为等间隔垂直向下自动拍照。照片重叠50-75%。航拍时，没有人有机会自动记录拍摄点的经纬度数据。这些数据由专业软件AGisoft导出，并输入地理信息平台的矢量数据库。同时，不同的飞行高度代表不同的尺度。

3.1照片变形

航拍照片的畸变处理也是图像处理中的一个基本问题，基本需要满足以下要求:图像或照片经过处理后仍具有良好的质量；加工变形要求效率高；变形后的精度符合要求或精度高。

3.1.1自编软件处理。目前，大多数照片变形算法采用基于像素的填充方法。这种方法虽然简单，但仍然存在明显的缺点:(1)当变形后的图像区域为不规则区域时，图像变形所花费的时间增加，即算法的时间复杂度增加，效率较低；(2)在对物体的像素点进行映射时，变形后的图像区域中的一个像素点可能对应变形前的图像区域中的多个像素点，从而导致选择困难甚至错误[3]。当然，这种方法还是可以通过软件优化来加快运行效率。比如，首先将变形区域划分成一系列小区域，这些小区域可以根据精度要求进行无限细化。然后计算小区域进行变形恢复，每个小矩形按照原来的标准算法快速填充。最后，完成了该软件的开发，并将运算处理的结果应用于风景名胜区和水利工程中。实践证明，该方法速度快，能满足精度要求。

3.1.2专业软件处理。在工作范围比较小，航拍量不大的情况下，也可以通过专业软件进行变形处理，操作简单，修复过程完全可视化，人工干预性强。比如大家熟悉的adobe photoship软件，就可以处理照片失真。主要执行以下操作:

(1)画约束线。选择约束工具，单击在照片的左上角创建第一个约束点，然后单击在左下角创建第二个约束点。两点之间会自动出现一条约束线。使用相同的方法在照片的轴和右侧创建一条约束线。

(2)旋转约束线。单击左侧的约束线，将显示一个环形旋转控制手柄。拖动控制手柄将约束线调整到垂直状态，并校正照片的左侧。按住Shift键并拖动控制手柄，根据角度旋转控制手柄。

(3)比例变形。按住Shift键继续调整中轴，使其与照片右侧垂直。然后用同样的方法画水平约束线，修正水平线的变形。一般来说，六条左右的约束线就可以满足精度要求。

3.2航拍照片的拼接和分割

3.2.1常见的处理方法。经过以上变形处理后，按照瓦片图的要求拼接瓦片，然后进行分割，可以用专业的软件进行处理，专业的拼接软件可以是Agisoft软件。这种方法会自动去除照片的重叠部分，并将它们无缝连接起来，形成一幅巨大的地图，通常需要一台性能非常好的专业电脑，处理时间较长，通常需要几个小时到几十个小时。瓷砖切割也可以使用专业软件，比如图像分割软件。

3.2.2航拍照片直接生成瓦片小图。通常情况下，航拍图像非常多，要求更新速度很快。按照上面的处理理论上是可行的，但是效率不高。能不能直接从航拍影像生成瓦片地图，不需要拼接切割？这项研究一直在不断探索，在探索过程中主要出现了以下问题:

(1)在两个相邻瓦片小地图之间的接缝过渡中存在误差；

(2)两个相邻瓦片小地图之间的接缝过渡的颜色或色调不一致；

(3)两个相邻瓦片小地图的接缝过渡不自然。

对于(1)中误差较小的情况以及上面(2)和(3)中的情况，可以通过屏蔽来解决。这种技术是为了相互妥协和整合而保留重叠部分。这个功能在刚刚流行的抖音短视频剪辑里都有，比如剪贴、Videoleap等平台软件。本研究开发了这一功能并取得成功，即两张航拍照片相互吸收合并，技术上称之为遮片处理[4]。处理后的瓷砖与上述3.2.1中的常用处理软件具有相同的效果。

航拍对接误差较大时仍局部使用方法3 . 2 . 1；上面3.2.1和3.2.2提到的两种不理想的情况，基本都是因为航拍过程中出了大问题，需要重新飞行，重新拍摄。

4利用处理后的瓦片地图等信息搭建WEBGIS平台。

下面以浙江省浮石灌区WEBGIS建设为例，介绍无人机航拍建立地理信息平台的过程:

对于灌区来说，我们实际上是通过无人机航拍获取地理信息，其中包含了两种非常有用的信息:第一种是基础地图信息，包括村庄、交通、水系等基础地图要素；另一个是专业信息，需要获取:土质、土壤湿度、作物生长等。这些问题既重要又专业，需要专业机构来解决。因此，我们与中国第二海洋研究所遥感影像实验室进行了深入合作，希望从影像上解决以下问题:(1)灌区农作物的分布；(2)灌区水利工程布局；(3)灌区作物灌溉；(4)灌区农作物的生长情况；(5)灌区水情和水利灾害；(6)灌区其他生态环境及其变化。

为了解决上述问题，我们需要通过同步获取这些图像，并对其进行分析和实时发布来解决以下问题:

(1)通过无人机不同的飞行高度获取不同精度的图像，并定期更新；

(2)通过建立现场与历史影像对比数据库，识别判断最新影像信息，由专业合作公司对影像信息进行校对分析[5]；

(3)选择可靠的WEBGIS发布平台。

研究过程中采用了多种平台，最终选择了ArcGIS平台。主要原因是:

1)灌溉面积大，影像数据非常大，尤其是未来的历史影像数据非常大；

2)ArcGIS平台是目前世界上功能最强大、位数最少的优秀地理信息平台，可以处理海量数据。

3)3)ArcGIS平台通过专业设置发布速度还是比较快的。

第一种设置方法是通过数据向服务器注册，这样服务器会从注册的数据中找到位置列表，并从位置列表信息中读取数据。

第二种方法是在没有数据的情况下向服务器注册。这样在发布过程中，数据会在服务发布过程中以文件形式自动复制到发布服务器上，在以后的数据浏览过程中会从复制的文件中读取数据。

通过我们的研究对比，第二种方式浏览运行的速度更快，但是发布过程会慢一些。这时候可以通过升级硬件来加速。

根据第二章介绍的地理信息的基本原理，我们自行构建和开发了WebGis平台。我们自己开发的优势是:(1)减少昂贵的平台费用；(2)更方便做我们的个性化功能开发。本研究根据地理信息的基本原理和ARCGIS的WEBGIS原理开发了自己的平台。

最后，我们通过深入研究给出了以下最终解决方案:

(1)无论采用哪种方法，都需要先做一个具有基本地图功能的瓷砖小图。其方法参考3；

(2)按照ARCGIS要求的格式存储瓦片地图；

(3)根据ARCGIS的瓦片地图生成方法，其他矢量图层也发布成相同规格的瓦片地图；

(4)去除步骤(3)中矢量瓦片小地图的背景颜色，使其变成透明的小图片；

(5)将无人机航拍处理的瓦片小地图与上一步的透明地图叠加融合，生成新的瓦片小地图并替换(2)；

(6)建立灌区相关数据库，连接整合相关信息。

按照上述步骤完成的灌区地理信息平台只是地理信息的基本功能，灌区信息查询还需要大量的其他数据信息。但是，其他的信息包括我们请专家获取的专业影像信息与基础地图是如何关联的。研究表明，以下对比方法简单可行:

1)点、线、面信息的关联:将相关信息与坐标绑定，如将灌区水泵所在位置的坐标信息与该水泵的工程信息库关联等。，鼠标靠近地图上这个水泵附近的区域就会弹出相关的工程信息；

2)第三方标签关联:我们可以在可显示的信息上绘制我们的标签图片，比如绘制一个雨量查询标签。鼠标点击这个标签，就会弹出附近地区的相关降雨水文数据信息。

为了实现灌区的这一功能，需要建立和完善相关的信息数据库[6]，通过上述可行的关联方法和地图进行无缝连接，可以快速搭建起专业的地理信息平台。

5结论

研究表明，合理利用无人机、遥感等技术，可以快速构建相关领域的地理信息系统或平台，从而进一步提高水利和农业特别是灌区动态监测或监控的综合能力，进一步提高水利和农业信息化的整体现代化管理水平。最后，案例表明，利用无人机航拍快速无缝对接地理信息平台是可行的。

参考资料:

[1]林·。信息技术在浙江浮石灌区的应用研究[J].浙江水利水电学院学报，2014，26 (4): 365-366。

林·。基于无人机航拍的三维建模研究[J].农村经济与科技，2020，31 (1): 58-60。

邹市基。基于差分思想的图像变形算法的研究与实现[J].电子学报，2013，31 (5) 17-20。

林，谢芳。钱塘江三维GIS模型研究[J].工程地质计算机应用，2005，25 (3) 30-33。

郭，庞连峰。遥感和地理信息技术在灾害预防中的应用[J].科学技术研究，2014，33 (2): 19-21。

[6]李占德。水利工程地理信息数据库的建设[J].黑龙江科技信息，2014，17 (1): 22-24。

编辑/马