張斌

[摘 要]為了更好地處理無人機(jī)巡檢圖像數(shù)據(jù)，本文從無人機(jī)數(shù)據(jù)采集處理的角度提出了一種大型圖像數(shù)據(jù)離散化處理方法，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)，使無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)能更加方便、直觀地展示給使用者。

[關(guān)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(hào)]TN919.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1673-0194（2017）12-0-02

1 無人機(jī)概述

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)也較為普遍地出現(xiàn)在公眾的視野，其在各行業(yè)的應(yīng)用不斷加強(qiáng)，除應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、石油等行業(yè)外，在植保、街景拍攝、環(huán)保、災(zāi)后救援、線路巡檢等領(lǐng)域也成為熱門。其中，無人機(jī)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(yùn)行的安全性。此外，無人機(jī)應(yīng)用在通信線路的巡檢中也開始發(fā)揮重要作用，而無人機(jī)巡檢則成為無人機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要方向。

無人機(jī)要想在線路巡檢領(lǐng)域發(fā)揮作用，必須配備高分辨率的相機(jī)，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(huì)形成單張很大的圖片，這對(duì)圖像的后期使用會(huì)帶來一定困難。為解決這一問題，需要設(shè)計(jì)研發(fā)一種能快速處理大型圖像的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，使無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)能更加方便直觀地展示給使用者，甚至可以在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)覽。

2 系統(tǒng)原理

由于無人機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過拼接形成單張大圖才能有效預(yù)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(huì)帶來諸多問題。

第一，數(shù)據(jù)瀏覽緩慢。通常情況下，圖像瀏覽需要在計(jì)算機(jī)中完成，如果圖像內(nèi)存太大，將會(huì)造成計(jì)算機(jī)內(nèi)存的巨大消耗；如果物理內(nèi)存不足會(huì)造成大量的頁(yè)面文件交換，給硬盤帶來較大負(fù)擔(dān)，造成整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。

第二，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和移動(dòng)困難。數(shù)據(jù)量過大會(huì)造成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的消耗，通常情況下，數(shù)據(jù)是按照整張圖片存儲(chǔ)的，當(dāng)圖片中僅存在很小變化時(shí)，對(duì)于沒有變化的數(shù)據(jù)也需要建立“副本”，而這會(huì)造成數(shù)據(jù)冗余。當(dāng)只需要整張圖片中的局部數(shù)據(jù)時(shí)，也需要將整張圖片進(jìn)行復(fù)制，造成數(shù)據(jù)移動(dòng)困難。

解決上述問題的關(guān)鍵是尋找一種有效的方式將圖像數(shù)據(jù)離散化，然后按照需求重新組合，保證在數(shù)據(jù)預(yù)覽時(shí)只讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，避免大數(shù)據(jù)的加載，從而在根本上解決數(shù)據(jù)加載問題實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的局部更新，提高數(shù)據(jù)更新的靈活性。

2.1 數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目采用的數(shù)據(jù)處理思路是將一張完整的圖片進(jìn)行離散，將數(shù)據(jù)保存在小的柵格中，需要時(shí)將若干個(gè)柵格進(jìn)行重組，形成需要的局部數(shù)據(jù)或完整的全局?jǐn)?shù)據(jù)。按照這種思路，首先需要尋找將圖像進(jìn)行離散的規(guī)則，通過分析這類數(shù)據(jù)圖像的特點(diǎn)總結(jié)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(biāo)系。

根據(jù)這兩條規(guī)律，可以考慮采用地理坐標(biāo)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行離散，也就是說可以按照經(jīng)緯度將圖像劃分成若干個(gè)柵格，并且進(jìn)行重新編排，在需要時(shí)按照地理坐標(biāo)再將柵格信息進(jìn)行重新組合，從而形成需要的圖像信息。

2.2 WMTS技術(shù)

通過上述分析已經(jīng)得出數(shù)據(jù)離散的方法和規(guī)則，現(xiàn)在需要研究的是如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，WMTS（切片地圖Web服務(wù)）技術(shù)無疑是所有技術(shù)中最合適的一種，其是一種采用預(yù)定義圖塊方法發(fā)布數(shù)字地圖服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。

WMTS彌補(bǔ)了傳統(tǒng)分塊地圖的不足，其通過提供靜態(tài)數(shù)據(jù)來增強(qiáng)伸縮性，這些靜態(tài)數(shù)據(jù)的范圍框和比例尺被限定在各個(gè)圖塊內(nèi)。這些固定的圖塊集使得WMTS服務(wù)的實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)僅簡(jiǎn)單返回已有文件的Web服務(wù)器即可，同時(shí)使得利用一些標(biāo)準(zhǔn)的諸如分布式緩存的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制實(shí)現(xiàn)伸縮性。

2.3 WMTS的原理和實(shí)現(xiàn)

WMTS的切片坐標(biāo)系統(tǒng)和其組織方式可參考圖1。

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

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要負(fù)責(zé)圖像切片數(shù)據(jù)的保存，主流的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式主要有數(shù)據(jù)庫(kù)和切片包兩種。

數(shù)據(jù)庫(kù)方式主要采用MBTiles格式進(jìn)行存儲(chǔ)，MBTiles是一種地圖瓦片存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)規(guī)范，它使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，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(jī)的離線地圖存儲(chǔ)。

MBTiles數(shù)據(jù)表很容易查詢到一張?zhí)囟ǖ那衅喝绮樵兗?jí)別為8，列號(hào)為116，行號(hào)為192的瓦片數(shù)據(jù)為：

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

tile_data為二進(jìn)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(shù)據(jù)庫(kù)中讀取切片數(shù)據(jù)。

切片數(shù)據(jù)包的文件構(gòu)成十分簡(jiǎn)單，是由很多切片文件按照縮放級(jí)別、經(jīng)緯度等信息進(jìn)行編排后的一組文件目錄。

3.2 WMTS引擎

WTMS引擎是整個(gè)平臺(tái)的核心，需要對(duì)圖像請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，WMTS服務(wù)和之前反復(fù)討論的數(shù)據(jù)離散思想是符合的，通過調(diào)用參數(shù)也能看出，TILEMATRIX、TILEROW、TILECOL其實(shí)就是Level、row、col。因此，WMTS服務(wù)下的瓦片請(qǐng)求的URL為：固定格式URL+“&TILEMATRIX=”+level+“&TILEROW=”+row+“&TILECOL=”+col。

4 應(yīng)用效果

通過對(duì)平臺(tái)的測(cè)試，將一張5 GB左右的大圖進(jìn)行切片，然后通過調(diào)用ArcGIS JavaScript API開發(fā)出了一個(gè)演示界面，達(dá)到預(yù)期效果，在瀏覽器中可以對(duì)圖像進(jìn)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(yàn)良好，演示界面及切片加載時(shí)間如圖2所示。

為了方便整個(gè)軟件平臺(tái)的管理和使用，專門開發(fā)了系統(tǒng)后臺(tái)控制軟件，可以控制系統(tǒng)服務(wù)的啟停、監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)維護(hù)管理、WTMS服務(wù)管理、API接口管理等。

5 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目從無人機(jī)數(shù)據(jù)采集處理的角度提出了一種大型圖像數(shù)據(jù)離散化處理的方法，通過與WMTS技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)，并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。經(jīng)過測(cè)試，可以滿足在數(shù)據(jù)處理方面的需求，同時(shí)本項(xiàng)目的研究成果可以在VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。項(xiàng)目的下一步研究方向主要集中在結(jié)合地理信息的高程數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)系變換，將采集的平面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù)，將圖像數(shù)據(jù)以3D的方式進(jìn)行展示。

主要參考文獻(xiàn)

[1]李治洪.WebGIS原理與實(shí)踐[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]牟乃夏.ARCGIS 10地理信息系統(tǒng)教程：從初學(xué)到精通[M].北京：測(cè)繪出版社，2012.

[3]胡中華，趙敏.無人機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2009（9）.

[4]任超鋒.航空視頻影像的正射影像制作關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2014.