多旋翼无人机二维正射影像图在消防救援中的应用研究

2021-07-23晏国勋

新一代信息技术 2021年11期

晏国勋

(云南省消防救援总队昆明市支队，云南昆明 650021)

0 引言

无人机的航拍应用主要包括高空全景图、二维正射影像图、三维建模、测绘等，在消防灭火救援实战过程中的无人机二维正射影像图是重要的辅助决策指挥信息支撑手段之一。正射影像图是具有正射投影的遥感图像，是用正射相片编辑的带有公里网格、图廓、标记的平面图。通过高空二维正射影像图制作可以对灾害现场整体情况进行整体掌控，并通过不同时间的二维正射影像图对比，监控、分析灾害发展趋势，为灭火救援行动提供可靠的指挥决策依据。如何快速正确制作二维正射影像图对于提高灭火救援指挥行动效率非常关键，本文通过在实际工作应用，分析多旋翼无人机在消防灭火救援二维正射影像图制作作战性能，为灭火救援科学指挥提供技术支撑[1]。

1 制图软硬件的准备

1.1 多旋翼无人机的选择

民用多旋翼无人机产品种类丰富，它是具有三个及三个以上旋翼轴的无人直升机，因有很多个旋翼轴，所以也叫多旋翼无人机。多旋翼无人机结构简单，操作简便，对起降点环境要求不高，可靠性高，易维护，但在航程、飞行时间、飞行速度方面较固定翼无人机有一定差距。在二维正射影像图制作中，我们尽可能选择产品性能稳定可靠的无人机产品，一般灾害现场消费级无人机基本可以满足需求，但在大型复杂的灾害现场行业级多旋翼无人机在飞控设计、航程、飞行时间、云台配备、飞行稳定性、可靠性、连续作业、电池性能等方面具有非常明显的优势。

1.2 软件的选择

在无人机软件方面，易选择操作简便、设置简单的飞行拍摄辅助软件，如DJI GS PRO航线编辑软件。而对于后期制作的图形工作站制图软件一般我们选择 ContextCapture、大疆智图 DJI Terra，特别是后者大疆智图是我国自主研发的图形快速处理软件操作简单，可以单机使用，较为适合应急救援快速响应要求。

1.3 图形工作站性能要求

制作二维正射影像图关键是后期照片的拼接处理能力，普通的工作站无法快速高效进行图像处理，不但制图处理周期长，严重时会导致工作站操作系统无响应、宕机等情况，因此，图形工作站应选择主机 CPU、显卡 GPU性能较高的产品，比如CPU主频在2 GHz以上i7以上CPU，显卡 GPU在 2050mhz，RTX2070以上，内存在32G以上。

2 航线的规划

2.1 飞行高度

飞行高度根据任务需求一般应结合作战面积进行设定，实战中，以作战面积在2500平方米为例，边长50米的正方形区域，飞行高度一般设置在80至120米为宜。如作战面积较大时，比如在石油化工、地震、森林火灾、洪涝等大型灾害现场，飞行高度设置首先以现场飞行拍摄最高建筑为基准，必须高于此建筑高度保证安全飞行，离地高度一般设置100米左右为成像质量和拍摄速度比较均衡的一个设定[2]。

2.2 飞行速度

飞行速度应结合飞行当时风力大小、作业时间要求、飞行高度进行设置，如飞行时风力较大，飞行拍摄速度因降低以便无人机能精确定位拍摄位置，作业时间要求快速则在安全飞行风力范围内可选择最快速度飞行拍摄，飞行距离建筑物较远时，一般超过100米，飞行速度可设置较快，飞行拍摄倾斜摄影质量要求较高时，可适当降低飞行速度。

2.3 拍摄重叠率

拍摄高空俯瞰照片重叠的方式主要包括航向重叠和旁向重叠。航向重叠主要是指主航线的方向依次重叠；旁向重叠主要是指主航向横向侧面的重叠。航向重叠是相片重叠，指的是相邻相片相同影像的重叠。其中，同一航线上两相邻相片的重叠称航向重叠。航向重叠指的是航空摄影中沿同一航线的相邻相片上有同一地面影像部分，又称“纵向重叠”。航测时，同一航带内前后相邻照片构成的照片重叠，亦称“纵向重叠”[3]。航向重叠度=重叠部分的长度/相片边长，结果以百分数的形式表示。根据航空摄影测量作业的需要，航向重叠度一般设定为70%；旁向重叠度=旁向重叠部分的长度/相片长度，结果以百分数的形式表示。在面积航空摄影中，相邻航线间的照片，旁向重叠为60%，最小不少于50%。重叠率是后期二维、三维影像生成处理照片细节的保障，重叠率越高理论上倾斜摄影质量越好，同时照片数量增加，也增加了计算机运行数据量的增大，增加后期处理时间，因此在应急救援实战运用中，还应结合实际任务作业需求来设定重叠率的具体数值。

2.4 云台镜头角度

拍摄时因为是正射90°俯瞰直射，因此只需要一个垂直于地平面 90°向下的镜头即可，三维倾斜摄影模型需要镜头拍摄五个不同角度照片，三维激光点云需要激光雷达式云台拍摄。

3 二维正射影像图、三维倾斜摄影模型、三维激光点云的制作特点

当运用多旋翼无人机完成照片拍摄后，需要将正射图进行拼接。将采集的照片添加到制图生产软件，首先完成对齐照片处理，照片对齐后生成影像，建立密集云点并生成网格，随后生成纹理，构建平面模型，完成后建立数字高程模型DEM，对其建造正马赛克影像完成任务的生产工作，导出格式为 TIF的二维正射影像图[4]。因二维正射影像生成正射影像图时间受飞行高度影响，在相同面积相同高度情况下，427张照片数量级制图软件行业领先速度通常在1小时38分左右，而我国自主生产的大疆智图DJI Terra软件可以达到23分左右，并且搭配专属镜头云台机型，还可实现边飞行边生成二维正射影像的功能，真正实现快速响应。利用无人机和负载的具备倾斜摄影的多角度拍摄云台，从垂直纵向、倾斜等不同角度采集拍摄影像，获取地面目标物体完整准确的信息，通过计算图形处理，结合POS信息空三处理，最终生成三维数据模型。同理使用激光雷达云台，将激光波段快速扫描拍摄区域，通过收集回波数据进行点云式三维模型处理，能在夜间使用，三维点云模型生成速度基本可以实现飞行拍摄边扫描边出图效率极高，大大满足应急快速响应需求[5]。

4 生产结果的应用

按照上述步骤完成二维正射影像图制作之后，通过ArcGIS、大疆智图DJITerra、中科图新等图形软件可以在后期成图上完成距离的测量、面积、体积的自动计算信息标注，实现灾前、灾后区域影像图的对比，通过宽幅打印机打印后可实现挂图作战等服务实战的应用，亦可作为数字作战预案的数据基础。快速生成二维正射影像图，可较为快速掌握灾情现场真实状况，人员力量部署位置清晰，地形道路情况明显，为作战指挥提供准确充分数据支撑；三维模型数据为真实场景的数据化反映，可用于作战模拟，灾情分析，古建筑保护等场景；三维点云数据因其生成速度快，不受白天夜间影响，可快速生成灾区地形数据，为地震救援现场快速准确数据收集提供了基础保障。

5 制作实践案例

下面，将通过2020年我们参与的某地抗洪救援现场实际制作案例对多旋翼无人机的二维正射影像图制作进行说明，使用软件为大疆DJI智图。使用适合作业机型的航线规划软件进行航线飞行规划。二维模型航线规划选择建图航拍，如果使用五目镜头或类似大疆 P1摆动式镜头建设三维倾斜摄影也可采用建图航拍，三维模型建设选择倾斜摄影航线规划。

在卫星云图上选择所需拍摄区域，点击生成对应的航线路线，如图 1，检查航线覆盖区域是否为救灾区域，即可完成航线的规划。航线命名选择救灾执行任务要求的时间内容，选择准确拍摄作业的机型，主要功能选项 GSD为照片分辨率，通过设置飞行器高度或更换镜头进行调整，这个参数值是决定模型清晰度的参数之一，消防场景建议范围3-5CM，飞行高度低分辨率高但同时照片数量增加飞行时间增加后期生成图像速度慢，因此要根据实际任务选择。

航线参数设置方面，消防场景很少用到仿地飞行，仿地飞行是为围绕地面高度变化保持同地面相对高度飞行，通常选择默认设置。相对起飞点高度指的是无人机相对遥控器的高度，也就是实际作业时的飞行高度，这个参数决定了模型的分辨率和作业效率，同相机镜头高度越高效率越高分辨率越低，高度越低分辨率越高，效率越低，起飞速度和航线速度设置最快。旁向重叠率是主要的模型分辨率设置，一般建议设置范围在60-70%，航向重叠率建议设置70-80%，主航线角度默认。边距是调整航线外扩范围的参数，默认参数即可，如有外扩必须确认外扩航线飞行安全，指的是因为倾斜摄影拍摄的航线会有角度外扩的部分，因此要仔细检查航线是否会撞到周边建筑，拍照模式采用默认的等时拍照。全部设置完成后，检查参数，确认没有问题后即可点击上传航线开始飞行执行作业任务。

任务执行完成则自动返航，如果电池电量不够可暂定航线飞行，返航更换电池后点击断电续飞便可继续执行飞行任务。飞行任务执行完毕后，将无人机拍摄照片导入智图软件，根据需要生成的二维或三维选择重建选项合成模型。二维重建选择二维地图，三维重建选择三维模型，重建场景选择城市场景，重建清晰度选择高、中、低，重建效率与清晰度成反比，重建输出结果 OSGB选项打钩，以便后期在图新地球等软件中进行图层叠加使用。

二维成果查看，将鼠标移动到成图处，拨动鼠标滚轮即可放大缩小模型，长按鼠标左键并移动鼠标即可拖动模型位置，点击标注与测量，可测量出点的坐标、两点之间的距离、框选区域的面积，如图 2。点击选中点测量功能，将鼠标光标移动至模型所需测量的位置单机鼠标左键即可测量出当前点的坐标信息。点击选中距离测量功能，将鼠标光标移动到模型所需测量的位置单击鼠标左键选中需测量的位置，单击鼠标右键结束即可查看两点或多点间距离。点击选中面积测量功能，将鼠标光标移动到模型所需测量的位置单击鼠标左键选中需测量的位置，单击鼠标右键结束即可查看所框选区域面积信息。

将生成的现场二维正射影像同以往的卫星影像以及高空图片作对比，如图 3，可快速看清现场态势，清晰掌握灾情现场状况，受灾面积，人员力量部署等。