多傳感器無人機巡檢系統構建技術

李 沖，佘 毅，李昊霖

(四川省測繪產品質量監督檢驗站，四川 成都 610041)

地理信息數據作為經濟建設、國防建設、社會發展和生態保護的基礎性、戰略性參考資源，其質量關系到經濟社會和生態文明的可持續發展[1]。隨著空間技術和信息技術的不斷進步，測繪地理信息生產水平和服務能力發生了深刻的變革，地理信息成果呈現出多樣性、集成性、現勢性、大數據的特點[2]，為適應地理信息成果信息化發展的需要，測繪成果質量檢驗手段和技術方法也在不斷地發展創新，相應的質檢軟件在成果質量檢查中發揮了重要的作用。

目前國內的地理信息產品質檢軟件主要針對數據組織、定義及內部邏輯關系等進行檢查，具代表性的軟件有：車秋鋒設計研制的4D Checker數字測繪產品質量檢驗系統[3]、許業輝設計實現的空間數據質量檢查系統[4]、聶小波設計開發的基礎地理信息數據質量檢查系統[5]，這些軟件主要功能集中在檢查數據內部的邏輯一致性、要素關系合理性、數據組織結構正確性等，對于數學精度和屬性正確性方面，則仍需要人工外業檢查。

本文基于低空無人機獲取的高精度激光點云數據、高分辨率影像數據、高清晰度視頻數據、高精度POS數據設計開發了多傳感器無人機外業巡查系統，通過對多源基礎數據的聯合處理，實現地理信息產品的要素自然屬性評估和不同地物數學精度檢測，相比傳統的人工外業巡查，其效率更高，且不受人工經驗的影響。

1 系統設計與實現

1.1 系統架構

系統的結構設計以模塊化、層次化、可擴展為原則，自下而上依次分為3個部分：數據層、支撐層、應用層，系統架構如圖1所示。

數據層是整個系統運行的基礎，系統提供地理信息數據、多源檢測數據、檢查記錄、專題輔助數據的統一組織和存儲；支撐層用于銜接數據層和應用層，保持它們之間的獨立性，實現對項目文件和多源數據的組織管理、數據庫的操作、地理信息產品和多源數據的快速讀取和可視化顯示；應用層直接與用戶進行功能交互，主要負責地理信息數據的自然屬性評估和數學精度分級分類檢測。

圖1 系統架構

1.2 數據庫設計

從地理信息產品數學精度和要素屬性檢查工作的實際需求出發，采用輕量型、嵌入式的SQLite數據庫實現質量檢查系統的數據管理，通過定制一系列結構合理、關系明確的數據庫表，組織、存儲和管理系統運行過程中的重要信息，確保質量檢查工作的可溯源性。

系統的數據庫包括4個實體表：任務表、數據表、規則表及錯誤記錄表，具體見表1。任務表存儲地理信息質量檢驗項目的基本信息，包括任務編碼、任務名稱、任務負責人、工作路徑；數據表存儲地理信息產品、激光雷達點云、影像、視頻、POS等數據的數據編碼、數據名稱、數據格式、數據大小及數據路徑；規則表存儲規則編碼、規則名稱、參數、描述；錯誤記錄表存儲和管理檢查結果信息，包括錯誤編碼、檢查對象、檢查規則、錯誤描述、定位幾何、錯誤截圖等。

表1 系統實體

1.3 功能設計

考慮機載多源遙感數據用于地理信息質量檢查的具體技術要求，研制的質量檢查系統的主要功能包括4大類：任務管理、數據顯示、檢查功能、結果管理，如圖2所示。

圖2 系統功能

任務管理功能用于質檢任務創建和編輯，負責對檢驗參數和各種類型的數據進行組織管理。數據顯示功能實現對地理信息產品、激光點云、影像、視頻等數據的獨立顯示，并且基于數據的空間位置進行疊加和聯動顯示；同時，激光點云數據可以在二維和三維兩種顯示模式下切換，根據點云的類別、高程、強度等信息可以不同的渲染方式顯示點云，除外還可單獨顯示某一類別的點云分類數據。檢查功能是系統的主要功能，用于地理信息產品的質量檢查，通過提取多源數據的質檢要素信息和空間位置信息，實現自然屬性的評估和數學精度的分類檢測。結果管理功能用于檢查結果的統計評分和檢查記錄的編輯及格式化輸出。

1.4 系統實現

系統基于C#編程語言和ArcGIS Engine二次開發組件來實現，系統主界面主要包括4個功能區，分別為菜單窗口、數據管理窗口、數據顯示窗口及檢查結果窗口。系統運行的主界面如圖3所示。

圖3 系統運行主界面

菜單窗口包括任務管理、點云管理、檢查模式、顯示模式、視圖管理、日志管理及系統風格等子窗口。任務管理可以創建、打開、編輯質檢任務，是質量檢查工作的開始；點云管理可以選擇激光點云的渲染模式，包括類別、高程、強度、不規則三角網等方式；檢查模式可以在屬性評估和精度檢測兩種模式間切換；顯示模式可以切換各類數據的顯示形式，包括獨立顯示和基于空間位置關系的疊加、聯動顯示；視圖管理可以決定被檢數據、點云數據、影像視頻數據、檢查結果等窗口的顯示狀態。數據管理窗口可以管理被檢數據、點云數據、影像視頻數據的顯示狀態，數據管理窗口與視圖管理窗口的組合使用，可以實現被檢數據、點云數據、影像與視頻數據的多模式顯示。檢查結果窗口可用于添加、編輯、刪除自然屬性類錯誤記錄和采集同名特征點、統計被檢數據的數學精度。

2 系統應用

本文選取四川省某市城鄉接合部為試驗區，選擇2017版地理國情監測成果為被檢數據，通過無人機實地獲取高精度激光點云、高分辨率影像及高精度POS等數據，驗證系統的可行性和實用性。

(1) 利用系統的疊加顯示功能進行地物自然屬性評估，如圖4所示。基于空間位置關系將透明化的被檢數據與具有精細紋理信息的高分辨率影像疊加顯示，注記顯示被檢圖層的地物類型，經人工目視解譯，可以明顯辨別出被檢圖層遺漏重要建筑物。

圖4 數據疊加評估自然屬性

(2) 利用系統查詢激光點云高程信息核查要素屬性，如圖5所示。基于空間位置疊加顯示被檢數據和影像數據，并聯動顯示激光點云數據，通過讀取建筑物及其周邊地表的高程值，核查建筑物高程相關屬性是否符合規定。

(3) 利用系統提取精度檢測點，分類別統計地物數學精度，如圖6所示。基于空間位置關系多視圖聯動顯示被檢數據、激光點云、影像，按照地物類別，依次在被檢數據、參考數據上拾取特征明顯的同名精度檢測點，數量足夠后分類別統計地物數學精度，統計結果如圖7所示。

圖5 點云高程核查要素屬性

圖6 多源數據提取精度檢測點

圖7 分類別統計數學精度

3 結 語

本文提出了基于低空無人機獲取多源遙感數據進行地理信息產品質量檢測的系統構建技術，論述了系統的總體架構、數據庫表結構和系統主要功能，設計并實現了聯合激光點云、航空影像、視頻、POS等數據檢查數學精度和屬性正確性的檢查軟件。該系統可有效代替傳統的人工外業巡查評估地理信息數據質量工作方式，使質量檢測工作更加高效，獲取的檢測數據不受檢查人員責任心和經驗影響，更加客觀。