無人機巡檢圖像數據處理平臺的設計與開發(fā)

張斌

[摘 要]為了更好地處理無人機巡檢圖像數據，本文從無人機數據采集處理的角度提出了一種大型圖像數據離散化處理方法，并設計了數據處理平臺的系統(tǒng)架構，使無人機采集的數據能更加方便、直觀地展示給使用者。

[關鍵詞]圖像處理；地圖引擎；WebGIS

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.12.078

[中圖分類號]TN919.3 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2017）12-0-02

1 無人機概述

近年來，隨著無人機技術的發(fā)展，無人機也較為普遍地出現(xiàn)在公眾的視野，其在各行業(yè)的應用不斷加強，除應用于工業(yè)、農業(yè)、軍事、石油等行業(yè)外，在植保、街景拍攝、環(huán)保、災后救援、線路巡檢等領域也成為熱門。其中，無人機在石油行業(yè)主要用于輸油管線的巡檢，通過高分辨率的圖像信息可以有效發(fā)現(xiàn)輸油管線周圍環(huán)境的變化，提早發(fā)現(xiàn)各類隱患，提高管線運行的安全性。此外，無人機應用在通信線路的巡檢中也開始發(fā)揮重要作用，而無人機巡檢則成為無人機應用的一個重要方向。

無人機要想在線路巡檢領域發(fā)揮作用，必須配備高分辨率的相機，這樣在空中拍攝的照片才能滿足需求，但高分辨率的照片通過拼接后會形成單張很大的圖片，這對圖像的后期使用會帶來一定困難。為解決這一問題，需要設計研發(fā)一種能快速處理大型圖像的數據處理平臺，使無人機采集的數據能更加方便直觀地展示給使用者，甚至可以在移動端實現(xiàn)數據預覽。

2 系統(tǒng)原理

由于無人機采集的圖像數據需要經過拼接形成單張大圖才能有效預覽全部信息，而拼接后的單張照片大小通常都有5 GB至10 GB，會帶來諸多問題。

第一，數據瀏覽緩慢。通常情況下，圖像瀏覽需要在計算機中完成，如果圖像內存太大，將會造成計算機內存的巨大消耗；如果物理內存不足會造成大量的頁面文件交換，給硬盤帶來較大負擔，造成整個系統(tǒng)響應緩慢。

第二，數據存儲和移動困難。數據量過大會造成數據存儲空間的消耗，通常情況下，數據是按照整張圖片存儲的，當圖片中僅存在很小變化時，對于沒有變化的數據也需要建立“副本”，而這會造成數據冗余。當只需要整張圖片中的局部數據時，也需要將整張圖片進行復制，造成數據移動困難。

解決上述問題的關鍵是尋找一種有效的方式將圖像數據離散化，然后按照需求重新組合，保證在數據預覽時只讀取相關數據，避免大數據的加載，從而在根本上解決數據加載問題實現(xiàn)數據的局部更新，提高數據更新的靈活性。

2.1 數據處理

本項目采用的數據處理思路是將一張完整的圖片進行離散，將數據保存在小的柵格中，需要時將若干個柵格進行重組，形成需要的局部數據或完整的全局數據。按照這種思路，首先需要尋找將圖像進行離散的規(guī)則，通過分析這類數據圖像的特點總結出如下規(guī)律：①圖像的像素分布與距離成正比；②圖像信息可以投影到地理坐標系。

根據這兩條規(guī)律，可以考慮采用地理坐標對圖像數據進行離散，也就是說可以按照經緯度將圖像劃分成若干個柵格，并且進行重新編排，在需要時按照地理坐標再將柵格信息進行重新組合，從而形成需要的圖像信息。

2.2 WMTS技術

通過上述分析已經得出數據離散的方法和規(guī)則，現(xiàn)在需要研究的是如何實現(xiàn)數據處理的技術，WMTS（切片地圖Web服務）技術無疑是所有技術中最合適的一種，其是一種采用預定義圖塊方法發(fā)布數字地圖服務的標準化解決方案。

WMTS彌補了傳統(tǒng)分塊地圖的不足，其通過提供靜態(tài)數據來增強伸縮性，這些靜態(tài)數據的范圍框和比例尺被限定在各個圖塊內。這些固定的圖塊集使得WMTS服務的實現(xiàn)使用一個僅簡單返回已有文件的Web服務器即可，同時使得利用一些標準的諸如分布式緩存的網絡機制實現(xiàn)伸縮性。

2.3 WMTS的原理和實現(xiàn)

WMTS的切片坐標系統(tǒng)和其組織方式可參考圖1。

在一個WMTS服務中包括以下3個操作：①GetCapabilities（獲取服務的元信息）；②GetTile（獲取切片）；③GetFeatureInfo（可選，獲取點選的要素信息）。

3 系統(tǒng)設計

3.1 數據存儲

數據存儲模塊主要負責圖像切片數據的保存，主流的數據存儲方式主要有數據庫和切片包兩種。

數據庫方式主要采用MBTiles格式進行存儲，MBTiles是一種地圖瓦片存儲的數據規(guī)范，它使用SQLite數據庫，可大大提高海量圖瓦片的讀取速度，比通過瓦片文件方式的讀取要快很多，適用于Android、IPhone等智能手機的離線地圖存儲。

MBTiles數據表很容易查詢到一張?zhí)囟ǖ那衅喝绮樵兗墑e為8，列號為116，行號為192的瓦片數據為：

sqlit>SELECTtile_dataFROMtilesWHEREzoom_level=8ANDtile_column=116ANDtile_row=192；

tile_data為二進制的流文件，無論用在桌面程序還是Android、iOS都可以很方便地從MBTiles數據庫中讀取切片數據。

切片數據包的文件構成十分簡單，是由很多切片文件按照縮放級別、經緯度等信息進行編排后的一組文件目錄。

3.2 WMTS引擎

WTMS引擎是整個平臺的核心，需要對圖像請求進行響應，WMTS服務和之前反復討論的數據離散思想是符合的，通過調用參數也能看出，TILEMATRIX、TILEROW、TILECOL其實就是Level、row、col。因此，WMTS服務下的瓦片請求的URL為：固定格式URL+“&TILEMATRIX=”+level+“&TILEROW=”+row+“&TILECOL=”+col。

4 應用效果

通過對平臺的測試，將一張5 GB左右的大圖進行切片，然后通過調用ArcGIS JavaScript API開發(fā)出了一個演示界面，達到預期效果，在瀏覽器中可以對圖像進行縮放，平移等操作，切片加載速度平均在5毫秒左右，客戶端體驗良好，演示界面及切片加載時間如圖2所示。

為了方便整個軟件平臺的管理和使用，專門開發(fā)了系統(tǒng)后臺控制軟件，可以控制系統(tǒng)服務的啟停、監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)、數據維護管理、WTMS服務管理、API接口管理等。

5 結 語

本項目從無人機數據采集處理的角度提出了一種大型圖像數據離散化處理的方法，通過與WMTS技術結合，設計了數據處理平臺的系統(tǒng)架構，并通過軟件編程實現(xiàn)了系統(tǒng)的各項功能。經過測試，可以滿足在數據處理方面的需求，同時本項目的研究成果可以在VR（虛擬現(xiàn)實）、非結構化數據處理等領域有一定的應用前景。項目的下一步研究方向主要集中在結合地理信息的高程數據，通過坐標系變換，將采集的平面數據轉換成三維數據，將圖像數據以3D的方式進行展示。

主要參考文獻

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