摘要：研究项目通过无人机航拍直接产生地理信息需要的瓦片地图，进而极速搭建三维全景地理信息系统，并在水利行业进行了测试与应用，最后给出了该方法的可行性结论。
关键词：航拍；全景；GIS
项目概况
项目是通过无人机航拍极速建立三维全景地理信息系统，也就是根据无人机的定位技术并借助程控技术进行航拍，再通过自主研发地理信息GIS平台，接入航拍地图快速和我们研发的GIS平台建立关联完成全景地理信息系统（GIS）。
可广泛应用于景区导游、水情展示、灾情了解、工程建设现场管理、农业灌溉及农作物生长情况、物业小区管理、校园管理、交通拥堵展示等领域。
我们通过多年努力研究出“极速三维全景信息GIS”，并于2021年1月到5月将平台用于浙江省龙山源景区测试完成，已进入修改完善阶段。
此项目不仅大幅度减少了成本，还大大减少了人力物力工作量，工作流程可复制性强，项目易于推广应用。
制定合理的无人机飞行方案
首先要求每张航片和其他至少一张航拍有60%以上的重叠率，目的是航片进行拼图时能更加准确。如果发现有不符合以上条件的，建议当天补拍，以免隔天或多天后因为天气因素造成航拍拼图色差太大影响最终效果和美观。其次，飞行方案必须坚持以下原则。
（1）一般情况下飞行采用设定同一高度，同一俯角。
（2）确定飞行方向，飞行方向尽可能保持一致。这样能保持航拍到的照片或录像出现较小的色差。
（3）将拍照与录像混合使用，录像采集速度快，但不能获得经纬度值，而无人机拍照功能可以加载了经纬度坐标，但采集效率比较差，容易造成拼图盲点，相互结合，适当借助人工判断，可以很好地解决这类问题。
（4）要求无人机飞行速度一致，特别是在录像过程中，而在拍照过程中由于已经能获得经纬度坐标，非匀速飞行对拼图结果影响不大，而录像过程中每帧的坐标是通过飞行速度和飞行时间计算得到，所以必须设置匀速飞行以免出现较大拼图错误。
（5）调整飞行高度值，得到不同清晰度的航拍影像，便于地理信息GIS的地图分层分级，操作上只要重新按照上述4项进行就可以。
（6）多角度画面切换需要事先获得多角度影像，操作上只要调整不同飞行方向按照上述5项重新飞行就可以。
以上航拍步骤可见如下流程图：
获得采集的影像经纬度数据
对于要形成地理信息系统，我们知道关键要知道每个影像的GPS数据，即位置数据。
高档无人机航拍每张照片给出了位置信息，这给我们进行地图处理，最终实现瓦片地图提供很多方便。
（1）开始我们只有拿到的原始相片，这里以大疆无人机为例。
（2）在属性中可以看到照片的经纬度数据信息。
（3）在PhotoScan软件中，在查看工作区中新建区块。
（4）在上述区块中添加我们无人机航拍的照片。
（5）通过该软件可以读取出来的照片的经纬度信息，并通过导出按钮导出就可以。
（6）最后还要仔细检查照片中的导出的经纬信息和实际记录的是否一致，注意经纬度格式的转化。
这样可以批量导出经纬度数据，这个数据在无人机影像处理和航拍拼图中都是非常有用的。
将采集的影像生成瓦片地图
在生成瓦片地图前，需要分批分块对采集到的影像进行拼接，判断拼接的大致位置是根据上述（3）获得的经纬度数据，再通过影像的重叠度进行微调，原则上重叠度要高于60%，达不到大于60%重叠度要求的要进行补测。再通过最大像素重叠度要求自动接图。最后对拼接好地图按照瓦片地图要求进行分切。其过程还包括Photoscan处理；正投影像和数字高程模型处理；相机参数和调查路线设置；图像重叠分析处理；相机位置误差估计分析处理；地面控制点误差估计分析处理等。
根据GPS数据和瓦片地图建立极速GIS
我们通过影像中心点坐标位置，并根据上述得到的瓦片地图进行合理的编号和分层，根据GIS软件的要求进行接口。最后在各种GIS平台上进行运行我们需要的地理信息系统GIS。也就是根据无人机先进的自动定位航拍功能，结合GIS瓦片地图特点快速建立关联而建立的GIS，目前尚未有这方面开发应用报道。
传统方法是测绘专业方法建立GIS，方法是通过专业航拍和专业处理获得大量三维坐标点，最后用这个三维点建立DEM模型。并用三维GIS专业软件展示三维景观或地貌。步骤多，专业设备要求高，底层运行数据巨大，运行消费的网络流量大，虽然精度高，但此方法建立的GIS用户体验差。与现有工艺、流程相比，本系统具有突出的实质性技术特点和显著进步如下：（1）本成果用户体验感强，能较真实展示场景；（2）运行体量小，速度快；（3）开发成本低。
根据需求进行项目功能拓展
项目研究从水利巡查开始进行应用，建立以下的相关数据库与本系统进行无缝对接。
(1)工作区的水资源数据库，主要包括水质、各级水质总量信息。
(2)工作区水文数据库，包括水位和雨量信息等。
(3)工作区工程建设数据库，包括已建工程情况和在建工程情况。
(4)工作区设备管理数据库，包括泵站和供水管道、渠道等信息。
(5)工作区渠道流量数据库，包括各种日用水总量和分量等情况。
(6)工作区经信数据库，包括人口和GDP等情况。
(7)工作区监控数据库，包括在线监控数据和历史监控信息等。
并通过WEB技术，在我们极速全景三维GIS平台上通过弹窗式进行了信息联动。
极速三维全景信息GIS技术性能
项目是根据无人机先进的自动定位航拍功能，结合GIS瓦片地图特点快速建立关联而建立的GIS，目前尚未有这方面开发应用报道，系统已有性能如下。
（1）项目关键思路
目前，小型无人机航拍的图片应用主要无处理的直接查看，并且管理比较差，对查询并不方便，甚至容易造成数据丢失。这主要是无人机航拍的照片缺乏科学管理和科学处理。是否可以用地理信息中瓦片地图管理方式去解决这些问题并且建立GIS呢? 答案是可以的。解决思路如下：
第一，用无人机采集建立地理信息信息系统（GIS）所需要的影像。为此需要科学设置无人机摄像头参数和科学规划无人机相关飞行方案；
第二，无人机采集的影像接口到电脑，进行影响处理，满足瓦片地图需要的格式；
第三，将处理的影像建立地理信息系统（GIS）。
（2）项目核心创新点
通常为了有效利用无人机航拍影像按照测绘航拍流程进行航片处理时，需要昂贵的硬件和软件才能处理，并且需要大量投入人力。这样造成处理成本居高不下，而且速度慢，需要有很高设备才能展示结果，不利于在手机等便捷设备上推广 。
第一，利用定制无人机飞行方案，直接获得地图需要的瓦片；
第二，利用云计算和云服务快速在手机等便捷设备上进行GIS服务；
第三，建立与其他服务一体化无缝对接，如相关信息查询和景观语音介绍等。
（3）主要技术要点
第一，制定小型无人机飞行方案，该方案可直接获得GIS全景地图的底层数据，也就是瓦片地图；
第二，通过瓦片地图建立GIS模型；
第三，通过GIS属性链接建立完整的GIS查询系统。
（4）主要技术指标
第一，项目已经在应用运行，运行稳定，速度快。
第二，项目搭建成本低，使用简单方便，未来应用领域非常广 。
项目建立搭建成本低，便于推广 。可以在智能手机上快速无障碍畅通运行，并根据需要获得GIS信息，如景点介绍，全景体验。可在居民小区、校园、景观公园、创业园区、房地产销售与管理、库区巡查、项目建设管理多领域进行应用和开展服务。
第三，项目可扩展，提升方便。
（5）主要技术壁垒
第一，需要有自己的地理信息平台；
第二，需要对无人机有很深入的研究；
第三，需要有编写程控能力，能根据要求及时调整程序，控制无人机飞行轨迹；
第四，极强强的影像处理能力，特别是溶图能力，要有程序来自动调整影像能力。
（6）与同业在性能上优势
大大加快项目实施进度或速度，通过多项技术融合，极速解决地图化生成，进而形成地理信息系统（GIS），具体初步推算和比较：同行方法6个月落地的项目，我们只需要大约18天或者更短，提升90%。
（7）体验更真实、便捷
用户体验更真实，满足用户各种真实体验，不丑化场景也不美化场景，并且更新方便。可通过AI技术提供智能服务，如智能语音自动导航和最佳最近景点推荐等。
（8）使用方法和使用范围
第一，该作品使用说明：
该作品在用户上和传统手机GIS用法一样，如百度地图，高得地图等。
第二，该作品特点：
运行速度快；
开发产品的硬件要求低，需要附加开发设备仅为数千元价格的小型无人机；
无需购买任何第三方GIS平台；
用户体验感强，建立的结果和现场一致。
第三，适应范围：
仅为需要真实场景提供服务，增加三维场景体验感及相关信息查询与管理。不能获得精准三维坐标点，也不可以用此软件建立的GIS进行精准面积和距离等计算。
第四，推广前景
作品在以下领域有较好的应用推广前景，并具有较高的社会效益和经济效益。
可应用校园三维管理，三维导航，校园VR等。
在旅游方面的应用：可以让旅行者预先了解景观和景点，合理选择旅游目的地，增强了游客乐趣。
农业方面的应用：可以知道农作物生长情况，同时了解农作物土壤环境情况，可及时判断是否需要灌溉，并及时了解农作物病虫灾害情况，进而判断是否需要喷洒农药等，并可把相关数据传到专家办公室，及时让专家把脉农作物的生长遇到的各种情况和进行深入科学研究指导，提高自动化农业作业的科学依据。
在水利方面的应用：可对江道、河道、水库的水质、水情等情况有个直观初步判断，同时，可以对在建水利工程进行有效跟踪和管理。
在水土流失环境方面的应用：可以对水土流失情况进行深入了解和长期跟踪，帮助科学制定防止和治理水土流失的办法，达到改善生态环境的目的。
总结
本项目研究资金来源于浙江水利厅科技项目（项目编号RC1972），通过我们的研究和实践探索认为：通过无人机航拍直接（无需复杂的三维DEM建模）快速生成全景地图进而建立GIS是行之有效的，并在此基础上通过二次开发可方便地开展各领域项目应用，尽管项目只在水利行业进行验证，但在其他领域仍然具有很高推广价值。
参考文献
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