多旋翼無(wú)人機(jī)二維正射影像圖在消防救援中的應(yīng)用研究

晏國(guó)勛

(云南省消防救援總隊(duì)昆明市支隊(duì)，云南 昆明 650021)

0 引言

無(wú)人機(jī)的航拍應(yīng)用主要包括高空全景圖、二維正射影像圖、三維建模、測(cè)繪等，在消防滅火救援實(shí)戰(zhàn)過(guò)程中的無(wú)人機(jī)二維正射影像圖是重要的輔助決策指揮信息支撐手段之一。正射影像圖是具有正射投影的遙感圖像，是用正射相片編輯的帶有公里網(wǎng)格、圖廓、標(biāo)記的平面圖。通過(guò)高空二維正射影像圖制作可以對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)整體情況進(jìn)行整體掌控，并通過(guò)不同時(shí)間的二維正射影像圖對(duì)比，監(jiān)控、分析災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)，為滅火救援行動(dòng)提供可靠的指揮決策依據(jù)。如何快速正確制作二維正射影像圖對(duì)于提高滅火救援指揮行動(dòng)效率非常關(guān)鍵，本文通過(guò)在實(shí)際工作應(yīng)用，分析多旋翼無(wú)人機(jī)在消防滅火救援二維正射影像圖制作作戰(zhàn)性能，為滅火救援科學(xué)指揮提供技術(shù)支撐[1]。

1 制圖軟硬件的準(zhǔn)備

1.1 多旋翼無(wú)人機(jī)的選擇

民用多旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)品種類(lèi)豐富，它是具有三個(gè)及三個(gè)以上旋翼軸的無(wú)人直升機(jī)，因有很多個(gè)旋翼軸，所以也叫多旋翼無(wú)人機(jī)。多旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，對(duì)起降點(diǎn)環(huán)境要求不高，可靠性高，易維護(hù)，但在航程、飛行時(shí)間、飛行速度方面較固定翼無(wú)人機(jī)有一定差距。在二維正射影像圖制作中，我們盡可能選擇產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，一般災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)基本可以滿(mǎn)足需求，但在大型復(fù)雜的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)行業(yè)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)在飛控設(shè)計(jì)、航程、飛行時(shí)間、云臺(tái)配備、飛行穩(wěn)定性、可靠性、連續(xù)作業(yè)、電池性能等方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.2 軟件的選擇

在無(wú)人機(jī)軟件方面，易選擇操作簡(jiǎn)便、設(shè)置簡(jiǎn)單的飛行拍攝輔助軟件，如DJI GS PRO航線(xiàn)編輯軟件。而對(duì)于后期制作的圖形工作站制圖軟件一般我們選擇 ContextCapture、大疆智圖 DJI Terra，特別是后者大疆智圖是我國(guó)自主研發(fā)的圖形快速處理軟件操作簡(jiǎn)單，可以單機(jī)使用，較為適合應(yīng)急救援快速響應(yīng)要求。

1.3 圖形工作站性能要求

制作二維正射影像圖關(guān)鍵是后期照片的拼接處理能力，普通的工作站無(wú)法快速高效進(jìn)行圖像處理，不但制圖處理周期長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致工作站操作系統(tǒng)無(wú)響應(yīng)、宕機(jī)等情況，因此，圖形工作站應(yīng)選擇主機(jī) CPU、顯卡 GPU性能較高的產(chǎn)品，比如CPU主頻在2 GHz以上i7以上CPU，顯卡 GPU在 2050mhz，RTX2070以上，內(nèi)存在32G以上。

2 航線(xiàn)的規(guī)劃

2.1 飛行高度

飛行高度根據(jù)任務(wù)需求一般應(yīng)結(jié)合作戰(zhàn)面積進(jìn)行設(shè)定，實(shí)戰(zhàn)中，以作戰(zhàn)面積在2500平方米為例，邊長(zhǎng)50米的正方形區(qū)域，飛行高度一般設(shè)置在80至120米為宜。如作戰(zhàn)面積較大時(shí)，比如在石油化工、地震、森林火災(zāi)、洪澇等大型災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，飛行高度設(shè)置首先以現(xiàn)場(chǎng)飛行拍攝最高建筑為基準(zhǔn)，必須高于此建筑高度保證安全飛行，離地高度一般設(shè)置100米左右為成像質(zhì)量和拍攝速度比較均衡的一個(gè)設(shè)定[2]。

2.2 飛行速度

飛行速度應(yīng)結(jié)合飛行當(dāng)時(shí)風(fēng)力大小、作業(yè)時(shí)間要求、飛行高度進(jìn)行設(shè)置，如飛行時(shí)風(fēng)力較大，飛行拍攝速度因降低以便無(wú)人機(jī)能精確定位拍攝位置，作業(yè)時(shí)間要求快速則在安全飛行風(fēng)力范圍內(nèi)可選擇最快速度飛行拍攝，飛行距離建筑物較遠(yuǎn)時(shí)，一般超過(guò)100米，飛行速度可設(shè)置較快，飛行拍攝傾斜攝影質(zhì)量要求較高時(shí)，可適當(dāng)降低飛行速度。

2.3 拍攝重疊率

拍攝高空俯瞰照片重疊的方式主要包括航向重疊和旁向重疊。航向重疊主要是指主航線(xiàn)的方向依次重疊；旁向重疊主要是指主航向橫向側(cè)面的重疊。航向重疊是相片重疊，指的是相鄰相片相同影像的重疊。其中，同一航線(xiàn)上兩相鄰相片的重疊稱(chēng)航向重疊。航向重疊指的是航空攝影中沿同一航線(xiàn)的相鄰相片上有同一地面影像部分，又稱(chēng)“縱向重疊”。航測(cè)時(shí)，同一航帶內(nèi)前后相鄰照片構(gòu)成的照片重疊，亦稱(chēng)“縱向重疊”[3]。航向重疊度=重疊部分的長(zhǎng)度/相片邊長(zhǎng)，結(jié)果以百分?jǐn)?shù)的形式表示。根據(jù)航空攝影測(cè)量作業(yè)的需要，航向重疊度一般設(shè)定為70%；旁向重疊度=旁向重疊部分的長(zhǎng)度/相片長(zhǎng)度，結(jié)果以百分?jǐn)?shù)的形式表示。在面積航空攝影中，相鄰航線(xiàn)間的照片，旁向重疊為60%，最小不少于50%。重疊率是后期二維、三維影像生成處理照片細(xì)節(jié)的保障，重疊率越高理論上傾斜攝影質(zhì)量越好，同時(shí)照片數(shù)量增加，也增加了計(jì)算機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)量的增大，增加后期處理時(shí)間，因此在應(yīng)急救援實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用中，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際任務(wù)作業(yè)需求來(lái)設(shè)定重疊率的具體數(shù)值。

2.4 云臺(tái)鏡頭角度

拍攝時(shí)因?yàn)槭钦?0°俯瞰直射，因此只需要一個(gè)垂直于地平面 90°向下的鏡頭即可，三維傾斜攝影模型需要鏡頭拍攝五個(gè)不同角度照片，三維激光點(diǎn)云需要激光雷達(dá)式云臺(tái)拍攝。

3 二維正射影像圖、三維傾斜攝影模型、三維激光點(diǎn)云的制作特點(diǎn)

當(dāng)運(yùn)用多旋翼無(wú)人機(jī)完成照片拍攝后，需要將正射圖進(jìn)行拼接。將采集的照片添加到制圖生產(chǎn)軟件，首先完成對(duì)齊照片處理，照片對(duì)齊后生成影像，建立密集云點(diǎn)并生成網(wǎng)格，隨后生成紋理，構(gòu)建平面模型，完成后建立數(shù)字高程模型DEM，對(duì)其建造正馬賽克影像完成任務(wù)的生產(chǎn)工作，導(dǎo)出格式為 TIF的二維正射影像圖[4]。因二維正射影像生成正射影像圖時(shí)間受飛行高度影響，在相同面積相同高度情況下，427張照片數(shù)量級(jí)制圖軟件行業(yè)領(lǐng)先速度通常在1小時(shí)38分左右，而我國(guó)自主生產(chǎn)的大疆智圖DJI Terra軟件可以達(dá)到23分左右，并且搭配專(zhuān)屬鏡頭云臺(tái)機(jī)型，還可實(shí)現(xiàn)邊飛行邊生成二維正射影像的功能，真正實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。利用無(wú)人機(jī)和負(fù)載的具備傾斜攝影的多角度拍攝云臺(tái)，從垂直縱向、傾斜等不同角度采集拍攝影像，獲取地面目標(biāo)物體完整準(zhǔn)確的信息，通過(guò)計(jì)算圖形處理，結(jié)合POS信息空三處理，最終生成三維數(shù)據(jù)模型。同理使用激光雷達(dá)云臺(tái)，將激光波段快速掃描拍攝區(qū)域，通過(guò)收集回波數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云式三維模型處理，能在夜間使用，三維點(diǎn)云模型生成速度基本可以實(shí)現(xiàn)飛行拍攝邊掃描邊出圖效率極高，大大滿(mǎn)足應(yīng)急快速響應(yīng)需求[5]。

4 生產(chǎn)結(jié)果的應(yīng)用

按照上述步驟完成二維正射影像圖制作之后，通過(guò)ArcGIS、大疆智圖DJITerra、中科圖新等圖形軟件可以在后期成圖上完成距離的測(cè)量、面積、體積的自動(dòng)計(jì)算信息標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)災(zāi)前、災(zāi)后區(qū)域影像圖的對(duì)比，通過(guò)寬幅打印機(jī)打印后可實(shí)現(xiàn)掛圖作戰(zhàn)等服務(wù)實(shí)戰(zhàn)的應(yīng)用，亦可作為數(shù)字作戰(zhàn)預(yù)案的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。快速生成二維正射影像圖，可較為快速掌握災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)狀況，人員力量部署位置清晰，地形道路情況明顯，為作戰(zhàn)指揮提供準(zhǔn)確充分?jǐn)?shù)據(jù)支撐；三維模型數(shù)據(jù)為真實(shí)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)化反映，可用于作戰(zhàn)模擬，災(zāi)情分析，古建筑保護(hù)等場(chǎng)景；三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)因其生成速度快，不受白天夜間影響，可快速生成災(zāi)區(qū)地形數(shù)據(jù)，為地震救援現(xiàn)場(chǎng)快速準(zhǔn)確數(shù)據(jù)收集提供了基礎(chǔ)保障。

5 制作實(shí)踐案例

下面，將通過(guò)2020年我們參與的某地抗洪救援現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際制作案例對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的二維正射影像圖制作進(jìn)行說(shuō)明，使用軟件為大疆DJI智圖。使用適合作業(yè)機(jī)型的航線(xiàn)規(guī)劃軟件進(jìn)行航線(xiàn)飛行規(guī)劃。二維模型航線(xiàn)規(guī)劃選擇建圖航拍，如果使用五目鏡頭或類(lèi)似大疆 P1擺動(dòng)式鏡頭建設(shè)三維傾斜攝影也可采用建圖航拍，三維模型建設(shè)選擇傾斜攝影航線(xiàn)規(guī)劃。

在衛(wèi)星云圖上選擇所需拍攝區(qū)域，點(diǎn)擊生成對(duì)應(yīng)的航線(xiàn)路線(xiàn)，如圖 1，檢查航線(xiàn)覆蓋區(qū)域是否為救災(zāi)區(qū)域，即可完成航線(xiàn)的規(guī)劃。航線(xiàn)命名選擇救災(zāi)執(zhí)行任務(wù)要求的時(shí)間內(nèi)容，選擇準(zhǔn)確拍攝作業(yè)的機(jī)型，主要功能選項(xiàng) GSD為照片分辨率，通過(guò)設(shè)置飛行器高度或更換鏡頭進(jìn)行調(diào)整，這個(gè)參數(shù)值是決定模型清晰度的參數(shù)之一，消防場(chǎng)景建議范圍3-5CM，飛行高度低分辨率高但同時(shí)照片數(shù)量增加飛行時(shí)間增加后期生成圖像速度慢，因此要根據(jù)實(shí)際任務(wù)選擇。

航線(xiàn)參數(shù)設(shè)置方面，消防場(chǎng)景很少用到仿地飛行，仿地飛行是為圍繞地面高度變化保持同地面相對(duì)高度飛行，通常選擇默認(rèn)設(shè)置。相對(duì)起飛點(diǎn)高度指的是無(wú)人機(jī)相對(duì)遙控器的高度，也就是實(shí)際作業(yè)時(shí)的飛行高度，這個(gè)參數(shù)決定了模型的分辨率和作業(yè)效率，同相機(jī)鏡頭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，起飛速度和航線(xiàn)速度設(shè)置最快。旁向重疊率是主要的模型分辨率設(shè)置，一般建議設(shè)置范圍在60-70%，航向重疊率建議設(shè)置70-80%，主航線(xiàn)角度默認(rèn)。邊距是調(diào)整航線(xiàn)外擴(kuò)范圍的參數(shù)，默認(rèn)參數(shù)即可，如有外擴(kuò)必須確認(rèn)外擴(kuò)航線(xiàn)飛行安全，指的是因?yàn)閮A斜攝影拍攝的航線(xiàn)會(huì)有角度外擴(kuò)的部分，因此要仔細(xì)檢查航線(xiàn)是否會(huì)撞到周邊建筑，拍照模式采用默認(rèn)的等時(shí)拍照。全部設(shè)置完成后，檢查參數(shù)，確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題后即可點(diǎn)擊上傳航線(xiàn)開(kāi)始飛行執(zhí)行作業(yè)任務(wù)。

任務(wù)執(zhí)行完成則自動(dòng)返航，如果電池電量不夠可暫定航線(xiàn)飛行，返航更換電池后點(diǎn)擊斷電續(xù)飛便可繼續(xù)執(zhí)行飛行任務(wù)。飛行任務(wù)執(zhí)行完畢后，將無(wú)人機(jī)拍攝照片導(dǎo)入智圖軟件，根據(jù)需要生成的二維或三維選擇重建選項(xiàng)合成模型。二維重建選擇二維地圖，三維重建選擇三維模型，重建場(chǎng)景選擇城市場(chǎng)景，重建清晰度選擇高、中、低，重建效率與清晰度成反比，重建輸出結(jié)果 OSGB選項(xiàng)打鉤，以便后期在圖新地球等軟件中進(jìn)行圖層疊加使用。

二維成果查看，將鼠標(biāo)移動(dòng)到成圖處，撥動(dòng)鼠標(biāo)滾輪即可放大縮小模型，長(zhǎng)按鼠標(biāo)左鍵并移動(dòng)鼠標(biāo)即可拖動(dòng)模型位置，點(diǎn)擊標(biāo)注與測(cè)量，可測(cè)量出點(diǎn)的坐標(biāo)、兩點(diǎn)之間的距離、框選區(qū)域的面積，如圖 2。點(diǎn)擊選中點(diǎn)測(cè)量功能，將鼠標(biāo)光標(biāo)移動(dòng)至模型所需測(cè)量的位置單機(jī)鼠標(biāo)左鍵即可測(cè)量出當(dāng)前點(diǎn)的坐標(biāo)信息。點(diǎn)擊選中距離測(cè)量功能，將鼠標(biāo)光標(biāo)移動(dòng)到模型所需測(cè)量的位置單擊鼠標(biāo)左鍵選中需測(cè)量的位置，單擊鼠標(biāo)右鍵結(jié)束即可查看兩點(diǎn)或多點(diǎn)間距離。點(diǎn)擊選中面積測(cè)量功能，將鼠標(biāo)光標(biāo)移動(dòng)到模型所需測(cè)量的位置單擊鼠標(biāo)左鍵選中需測(cè)量的位置，單擊鼠標(biāo)右鍵結(jié)束即可查看所框選區(qū)域面積信息。

將生成的現(xiàn)場(chǎng)二維正射影像同以往的衛(wèi)星影像以及高空?qǐng)D片作對(duì)比，如圖 3，可快速看清現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，清晰掌握災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)狀況，受災(zāi)面積，人員力量部署等。

6 結(jié)論

無(wú)人機(jī)二維正射影像圖、三維傾斜攝影模型、三維點(diǎn)云模型對(duì)消防滅火救援作戰(zhàn)行動(dòng)具有十分重要的輔助決策作用，極大地提升了滅火救援的科技含量，在今后的實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用當(dāng)中將進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，在預(yù)案制作、災(zāi)害分析研判等方面發(fā)揮重要作用。