基于无人机摄影技术的地理信息三维可视化研究.pdf

基于无人机摄影技术的地理信息三维可视化研究韩淑梅（武警辽宁省总队参谋部，辽宁 沈阳 110000）摘 要：为了提高地理信息三维可视化的效率和清晰度，本文在无人机摄影技术的基础上开展相关研究。通过无人机拍摄获取地理信息数据，并对获取的地理信息数据进行融合处理，结合超文本链接标记语言、JavaScript 和 Web 图形库等技术实现地理信息三维可视化展示。实验测试表明，基于无人机摄影技术的地理信息三维可视化方法得到的影像平均帧率更高，三维可视化效果更佳。关键词：三维可视化；无人机摄影技术；地理信息；信息融合中图分类号：P213；P208 文献标志码：A 文章编号：2097-1001（2023）04-0035-050 引言地理信息三维可视化技术通常运用一系列技术，将地理数据快速转换成便于研究和观测的图像或图形。利用可视化技术以点、线、面、体及属性转换成动态图像的方式将数据在屏幕上交叉显现，其优点包括数据可用性、高效采用性与数据收集的高效率。数据可视化方法也称为细节层次技术1，利用人眼观察到的范围与物体之间的距离和角度等元素，以三维建模方法还原真实场景，实现数据的可视化展示。研究人员利用激光雷达（light detection and ranging，LiDAR）、全景图像和全景视频、立体视觉和深度相机等新技术获取巷道数据，通过 Web 图形库（web graphics library，WebGL）、云渲染等前沿网络可视化开发技术构建三维可视化系统智慧矿山空间信息平台，实现矿山地质数据的三维可视化2。本文对基于无人机摄影技术的地理信息三维可视化展开研究。1 数据获取及研究方法1.1 数据获取本研究的无人机航拍摄影测量系统集成无人机、智能控制系统和专业的云台。首先，本研究对拍摄采样地进行观察和了解，确认采样地周围是否存在干扰源或不安全、不确定的因素。然后，结合采样地地形、物体高度等情况选择合适的拍摄点，一般情况下位置较高且视野开阔的地点被选为拍摄点。研究人员规划拍摄次数及每次拍摄的目标区域；根据拍摄区域地形、拍摄范围及无人机续航等情况，在软件上设置飞行航线、高度、速度、等待时间。最后，在光线充足和无风天气时执行拍摄任务；在无人机的遥感控制器中指定需要拍摄的区域，无人机会根据指令自动生成最收稿日期：2022-10-10；修回日期：2023-05-22作者简介：韩淑梅（1989），女，助理工程师，主要从事测绘导航、无人机摄影的研究工作。E-mail:第 4 期2023 年 8 月自然资源信息化Natural Resources Informatization No.4Aug.,2023 36自然资源信息化2023 年 8 月佳的拍摄路线；可自行设定飞行速度和等待时间。在无人机拍摄时，研究人员要时刻观测无人机的状态，确保无人机可以正常工作。为了保证航空摄像的质量，必须对拍摄路线进行精准规划，尽快完成影像预处理。无人机拍摄结束后，还需要检查生成的影像。地面分辨率是指每毫米所能辨别的黑白相隔的线对数3，地面分辨率与影像像素相关，像素与地面分辨率成反比，像素越小则地面分辨率越高，对应的信息量也就越大。因此，研究人员完成数据采集时，要以实际采集区域的地面分辨率为基准对数据进行整理。地面采样间隔是相邻像素中心的距离，地面采样间隔受限于空间分辨率。成图比例尺与地面分辨率的对应参考关系如表 1所示。表 1 成图比例尺与地面分辨率的对应参考关系成图比例尺地面分辨率1：500 5 cm1：100010 cm1：20001015 cm拍摄时航拍相片的重叠度4要满足可视化要求，重叠度的计算方法如方法（1）和（2）。px=px+（1-px）h/H （1）qy=qy+（1-qy）h/H （2）式中：px、qy分别为航摄影像的航向标准重叠度和旁向标准重叠度（%）；px、qy分别为航摄影像的航向标准重叠度和旁向标准重叠度（%）；h 是相对地面与摄影水平面之间的垂直高度之差，单位为 m；H 是摄像的高度，单位为 m。航向标准重叠度是指在同一航线上相邻影像的相对重叠率，通常各取其 50%到 70%；旁向标准重叠度是指在两条相邻航线上影像的重叠率，通常各取其 35%到 70%。从公式（2）可以得出，重叠度由影像相比地面较于水平面上的相对高度差确定。当 h 值为零时，影像重叠度与平均值高度是相同的，因此影像重叠度计算需要充分考虑高度差的影响，一般情况下通过适当提高影像重叠度达到影像精准度高的要求。研究人员判断无人机的实际飞行高度范围和重叠度范围后，要进一步估算飞行航线点间的安全距离。无人机飞行航线相邻两条航带的距离称为航线间距，计算方法如公式（3）。1iixikjSMmb?（3）式中：Sx为航线间距，单位为 m；Mi为旁向重叠度；ki为绝对航高，单位为 m；ji为航线最高点，单位为 m；b 为镜头焦距，单位为 mm；m为底片宽度，单位为 mm。航线间距计算后，研究人员可根据样区内的道路实际使用状况计算航线数量并确定航线的飞行路径。道路一般按照由北至南的方向进行布设，无人机的飞行路径最好沿着道路范围边缘。无人机飞行路径确定后，研究人员需要对飞行地区的地形及交通情况进行了解，选定理想的飞行出发地点和降落地点，应选择车辆和人员较少、视野较开阔的区域。通过上述过程完成无人机摄影数据获取及图像采集。1.2 地理信息融合本研究对获取的无人机地理信息进行融合，采用基于数字高程模型（digital elevation model，DEM）与细节层次（level of detail，LOD）的信息融合系统5，对采集的数据进行分析与融合。在卫星影像分析时，首先，设置卫星坐标系，将采集的位置数据与目标位置数据进行转换结合。然后，利用三维图像几何形状的转变和校正进行色彩饱和度增强和影像拼接处理，一系列操作后得到一组三维图像。最后，对三维图像的矢量数据进行组织、压缩和传输。采用道格拉斯-普克算法（Douglas-Peucker，D-P）算法6，计算所有点到首尾连接线的距离，若最大距离值大于距离差，37韩淑梅：基于无人机摄影技术的地理信息三维可视化研究第 4 期全部舍去这条曲线上的中间节点；反之，则保留数据对应的坐标点，并以该点为界将曲线分成两个坐标系。重复运用该方法对所有数据进行取舍，得到有效数据。基于高程控制点、平面控制点等不同类型控制点，对地理信息的点、线、面进行有效划分，以道路交叉口或田地界线、河流等为标志进行选取，实现地物空间关系的全面、准确确定。1.3 地理信息可视化本文采用 WebGL 可编程操作实现地理信息三维可视化。该方法可以更好地对图形数据进行处理，还能提高图形的渲染效率和质量7。可编程渲染操作是将三维视觉的顶点加工为离散摄像点的操作过程。与固定的渲染操作相比，它可以根据具体的需求编写顶点渲染和影像渲染中的编程逻辑，实现场景定制化显示，还可以将顶点着色器和片段着色器变为可编程，以便根据需要进行灵活的编程逻辑定制8。从技术角度看，WebGIS技术实现三维可视化，Web 服务器利用服务器语言调用接口操作数据库，地图服务器则用于地图发布及地图数据调用等。通过 JSON 数据和地图数据传输交流实现前后端的交互9。将无人机采集的地理信息传送至 Web 服务器，对地理信息进行类别的等级划分，通过点、线、面等元素以数字地图形式表示地理信息；搭建地理信息模型，利用统计方法表示数据的可视化结果10。无人机地理信息可视化展示如图 1 所示。图 1 无人机地理信息可视化展示由图 1 可见，可视化展示界面展示了无人机飞行区域内的地理信息图像，黄色线条为无人机飞行路径。点击路径后可展示区域具体信息；可显示无人机历史飞行资料，包括飞控序列号、起始时间、结束时间和飞行时间。2 实验分析本研究提出一种基于无人机摄影技术的地理信息三维可视化设计方法，设计了实验环节，对基于无人机的摄影技术与传统航拍技术的设计方法进行了详细对比，比较了 2 种方法的地理信息三维可视化效果。2.1 实验平台本实验在 Windows10 操作系统进行实验数据整理。三维可视化的构建过程对实验平台的运行速度要求较高，选择美国超微半导体公司 38自然资源信息化2023 年 8 月（Advanced Micro Devices，Inc.，AMD）ATI系列显卡。使用 C+6.0 编译语言设计可视化的实现过程。在本实验的可视化过程中，实验结果的传输接口设定为开源应用程序接口（Open application programming interface，Open API）。2.2 实验数据来源无人机飞行前，研究人员要检查整体硬件和操作系统。得到数据后，还需要对初始的图像数据进行优化处理，完成整体图像的色块平衡。实验参数设置如表 2 和表 3 所示。表 2 无人机参数指标参数机身尺寸322 mm124 mm140 mm飞机轴距354 mm飞行速度 72 km/h飞行高度 6 000 m表 3 普通相机参数指标参数有效像素1.02 亿个像素像元尺寸0.011 mm0.011 mm镜头焦距50/60 mm内存2256 GB最短曝光间距0.5 s传感器尺寸43.8 mm32.9 mm通过表 3 可知，相机像元的长度为 0.011 mm；航行高度应尽量设置为150 m。按照公式（1）和（2）计算重叠度，航向重叠度应设定为 65%，旁向重叠度应设定为 70%。根据公式（3）和表 3参数计算航线间距，实验区长度为 95 m、宽度为520 m，故本实验应设定 6 次拍摄。2.3 实验结果分析通过上述公式，本实验计算得出 6 条航线的具体高度，对比无人机摄影和传统航拍技术在同一高度生成的图像，并将生成的图像纹理结构进行可视化处理，计算其平均帧率。实验结果如表4 所示。表 4 不同高度下的可视化帧率比较无人机 高度/m本文方法可视化平均帧率/（帧秒）常规方法可视化平均帧率/（帧秒）5659.055.32549.547.51740.042.01036.537.8826.528.6419.420.3无人机摄影高度较高时可视化帧率普遍较高，其高度下降时帧率下降幅度突然增大。传统航拍方法生成的图像平均帧率比无人机生成的图像平均帧率低，无法突出显示部分细节内容，不利于三维可视化。通过比较分析得出，三维可视化应用采用无人机摄影技术，分级压缩储存纹理分辨率，能够有效提高可视化的加载速率，提高系统稳定性。因此，基于无人机摄影方法拍出的影像可视化程度较高，会提高三维可视化的效率和清晰度，更有利于三维可视化。3 结束语本文研究并设计了基于无人机摄影的地理信息三维可视化方法。通过无人机拍摄技术并结合 HTML5、JavaScript 和 WebGL 等技术，在浏览器上实现了地理信息三维可视化。就数据本身而言，三维数据具有多样性，三维可视化要着重考虑构建标准。而就地理模型搭建而言，当前的技术还不够成熟，并不能很好地满足大规模三维场景的搭建需求，未来工作要研究满足高性能地理信息可视化要求的三维技术和更有效的解决措施。参考文献1陈建忠，谢卫华，饶长春.智慧三维地理信息管理平台技术设计方案解析J.国土资源信息化，2020（5）：39韩淑梅：基于无人机摄影技术的地理信息三维可视化研究第 4 期8-13.2李梅，姜展，姜龙飞，等.三维可视化技术在智慧矿山领域的研究进展 J.煤炭科学技术，2021，49（2）：153-162.3阮明，钱婷.城市地下空间三维可视化平台研究 J.地理空间信息，2020，18（4）：34-37.4王明丽.基于无人机摄影技术的矿山环境修复治理研究 J.能源与环保，2022，44（2）：91-96.5徐超，朱远乐，廖文景，等.基于无人机摄影技术的露天矿山安全评价技术 J.采矿技术，2022，22（1）：58-61.6占森方，李元松，陶文华，等.无人机倾斜摄影技术在智慧校园实景三维建模中的应用 J.科技创新与应用，2021，11（36）：28-30.7孙杰，谢文寒，白瑞杰.无人机倾斜摄影技术研究与应用 J.测绘科学，2019，44（6）：145-150.8汪伟.基于虚拟现实的地理信息三维可视化系统设计J.沈阳工程学院学报（自然科学版），2021，17（4）：74-78.9袁伟俭，章达成，王联友.地理信息三维可视化技术研究 J.北京测绘，2021，35（4）：489-493.10 罗瑶，莫文波，颜紫科.倾斜摄影测量与 BIM 三维建模集成技术的研究与应用 J.测绘地理信息，2020，45（4）：40-45.Research on 3D visualization of geographic information based on UAV photography technologyHANShumei(PeoplesArmedPoliceLiaoning，Shenyang110000,Liaoning,China)Abstract:Inordertoimprovetheefficiencyandclarityofthreedimensional(3D)visualizationofgeographicinformationdata,thispaperconductsrelevantresearchonthebasisofUnmannedAerialVehicle(UAV)photographytechnology.Theacquiredgeographicinformationiscaptured,fusedandprocessedbyUAV.The3Dvisualdisplayofgeographicinformationdataisrealizedbycombininghypertextmarkuplanguages,JavaScript,webgraphicslibraryandothertechnologies.Theexperimentisprovedthattheproposed3DvisualizationmethodofgeographicinformationbasedonUAVphotographytechnologyhashigheraverageframerateandbetter3Dvisualizationeffect.Keywords:3Dvisualization;UAVphotographytechnology;geographicinformation;informationfusion