譚金石 祖為國 劉 麗

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510)

國家森林公園是一個國家最高級別的森林公園，是森林景觀特別優(yōu)美，人文景物比較集中，觀賞、科學(xué)、文化價(jià)值高，地理位置特殊，具有一定的區(qū)域代表性，旅游服務(wù)設(shè)施齊全，有較高的知名度，可供人們游覽、休息或進(jìn)行科學(xué)、文化、教育活動的場所[1-2]。國家森林公園是一項(xiàng)世界性的人類自然文化保護(hù)運(yùn)動，通過建立國家森林公園，對景觀資源的保存與保護(hù)、資源環(huán)境的考察與研究及旅游觀光業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。隨著國家公園的保護(hù)理念與管理模式的不斷完善，合理利用國家森林公園的生物、人文、天象、水文等各類景觀資源發(fā)展森林旅游，已成為當(dāng)前我國國家森林公園管理的重要內(nèi)容[3]。對于森林公園的資源監(jiān)測、管理及開發(fā)，早期主要是利用衛(wèi)星遙感和地面人員巡山的形式，已不能滿足森林公園現(xiàn)代化管理需求。

隨著空間技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)VR 和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR技術(shù)的發(fā)展，將景區(qū)進(jìn)行實(shí)景三維場景構(gòu)建與可視化，能極大地增強(qiáng)旅游體驗(yàn)感，提高游客對自然景觀與人文景觀、歷史與現(xiàn)實(shí)的認(rèn)知及理解，這已成為數(shù)字旅游發(fā)展的主要方向。實(shí)景三維場景可真實(shí)地反映地物地貌的客觀情況，如地物的外觀、位置、高度等屬性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影測量無法從多個角度獲取地物三維信息的局限，被廣泛用于自然資源、城建、水利、交通、旅游、地質(zhì)、林業(yè)、電力、農(nóng)牧等諸多領(lǐng)域[4-5]。目前，實(shí)景三維構(gòu)建主要采用低空傾斜攝影的方法，研究對象主要是城市或居民區(qū)域，而對于大面積、復(fù)雜高山等的森林公園景區(qū)的三維場景研究較少。

本文利用低空攝影測量技術(shù)，借助低空無人機(jī)遙感平臺，以南嶺國家森林公園為例，研究大規(guī)模面積區(qū)域、復(fù)雜山地森林公園地區(qū)的航空攝影、數(shù)據(jù)處理及實(shí)景三維場景構(gòu)建等技術(shù)，分析實(shí)景三維場景成果在森林公園的應(yīng)用，為森林公園的信息管理系統(tǒng)和可視化提供重要的數(shù)據(jù)支撐，更好地服務(wù)于景區(qū)交互式、沉浸式的可視化體驗(yàn)，為森林公園的科學(xué)管理、規(guī)劃、調(diào)查監(jiān)測等提供重要支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本文試驗(yàn)區(qū)為廣東省南嶺國家森林公園，是廣東省最大的自然保護(hù)區(qū)，是珍稀動植物寶庫。位于廣東省北部，乳源縣、陽山縣、樂昌市和湖南省宜章縣兩省四縣交界處，處于南嶺山脈的中心偏南地帶，北與湖南莽山國家級森林公園相鄰，西接連縣大東山自然保護(hù)區(qū)，南為天井山林場和乳源南水湖水庫，東有乳源必背瑤寨。東南距韶關(guān)市區(qū)70 km，北距坪石鎮(zhèn)50 km，東離京珠高速公路大橋出口10 km，面積273 km2。本試驗(yàn)區(qū)選擇中心區(qū)域面積約75 km2進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備選型

試驗(yàn)區(qū)均為高山地形，面積約75 km2，高差約1 300 m，植被茂密。氣候環(huán)境方面，試驗(yàn)區(qū)氣候跟山腳下大不相同，上午11:00 時和下午16:00 時后霧氣較大，不適合航空攝影。需要選擇在11:00 時至16:00 時的時間段作業(yè)，因此，需要選擇一種航時長、飛行速度快、采集效率高、起降方便的無人機(jī)。本文篩選出一款復(fù)合翼無人機(jī)，該型無人機(jī)在固定翼無人機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加了4 個旋翼，在起飛、降落的過程中，以多旋翼模式，在起飛到一定高度后，切換到固定翼模式，因此該類型無人機(jī)兼顧固定翼無人機(jī)的飛行速度快、航程長、采集效率高、抗風(fēng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，也繼承了多旋翼無人機(jī)起降方便、轉(zhuǎn)場方便等特點(diǎn)，是一款最佳無人機(jī)選擇。本試驗(yàn)采用的復(fù)合翼無人機(jī)如圖1 所示。

圖1 復(fù)合翼無人機(jī)及相機(jī)Fig.1 Compound wing drone and camera

該無人機(jī)機(jī)身采用復(fù)合材料，質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，翼展2.36 m，機(jī)身長度1.6 m，續(xù)航2 h，最大飛行速度為30 m/s，荷載0.5-1.8 kg，具體的參數(shù)見表1。該無人機(jī)搭載Sony RX1R II（DSC-RX-1RM2）數(shù)碼相機(jī)，35 mm 焦距，傳感器為：Exmor R CMOS，傳感器尺寸：3/2 全畫幅（35.9×24.0 mm）， 有 效 像 素4 200 萬，42 MB（7 952×5 304）。

表1 復(fù)合翼無人機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Technical parameters for composite wing drones

1.3 高山景區(qū)航空攝影

考慮到高山景區(qū)都是植被，沒有房屋，利用復(fù)合翼無人機(jī)搭載Sony 相機(jī)以垂直朝下角度拍攝，大大提高采集影像和數(shù)據(jù)處理效率，同時保證實(shí)景三維建模質(zhì)量和效果。根據(jù)對地形的考察，選擇山頂為最佳的起飛和降落地，在11:00 時之前任務(wù)人員到達(dá)山頂，展開前期準(zhǔn)備工作，主要是進(jìn)行航線規(guī)劃，即制定無人機(jī)飛行的路線和拍攝間隔。本試驗(yàn)采用開源的航線規(guī)劃軟件Mission Planner，根據(jù)場景空間位置精度和成圖清晰度，設(shè)定地面分辨率為9 cm。根據(jù)相機(jī)焦距、像幅及航飛高度之間的等比例關(guān)系，確定飛行的高度約700 m?？紤]到后續(xù)數(shù)據(jù)處理及建模過程中，照片之間的重疊與關(guān)聯(lián)，將航向重疊度設(shè)定為75%，旁向重疊度設(shè)定為70%，即航向相隔537 m 拍一張照片，相鄰航線相隔334 m。拍攝的攝影比例尺為1:20 000。由于高差較大，進(jìn)行分區(qū)飛行，防止由于高差過大導(dǎo)致照片的分辨率相差過大，本測區(qū)分成2 個區(qū)域，如圖2 所示，南北方向飛行航線為1 區(qū)，東西方向航線為2 區(qū)。實(shí)施過程中，用了3 個架次完成75 km2的景區(qū)低空攝影采集，面積分別為21、18、36 km2?？偤匠碳s380 km，飛行時間約5.5 h。

1.4 實(shí)景三維場景構(gòu)建

無人機(jī)完成外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，包括把起飛、降落、拐彎等無效的照片進(jìn)行刪除，以防影響空三數(shù)據(jù)處理。用到無人機(jī)在拍攝照片瞬間的位置和姿態(tài)信息，即POS 數(shù)據(jù)。無人機(jī)通過控制程序，在觸發(fā)相機(jī)拍攝的瞬間，飛控中記錄當(dāng)前瞬間位置和姿態(tài)，位置通過GPS獲取，姿態(tài)通過內(nèi)置陀螺儀來獲取，并將每張照片和POS 記錄一一對應(yīng)。

圖3 南嶺國家森林公園實(shí)景三維Fig.3 Real 3D scene of Nanling National Forest Park

圖4 實(shí)景三維模型局部放大Fig.4 Partial enlarged view of real 3D scene

利用無人機(jī)拍攝的照片和POS 信息，結(jié)合低空攝影測量技術(shù)，經(jīng)過預(yù)處理、影像空三、密集匹配、DSM 生成、TIN 構(gòu)網(wǎng)、紋理映射及LOD 模型生成等過程，得到實(shí)景三維模型。試驗(yàn)中借助Bently ContextCapture 實(shí)景三維建模軟件來執(zhí)行，該軟件是一款專業(yè)的三維實(shí)景建模軟件，利用照片創(chuàng)建規(guī)模宏大的三維實(shí)景模型?？焖偃S場景運(yùn)算軟件的整個過程無需人工干預(yù)，從簡單連續(xù)影像中生成最逼真的實(shí)景真三維場景模型。具有快速、簡單、全自動等特點(diǎn)，廣泛的數(shù)據(jù)源兼容性和多種數(shù)據(jù)輸出格式使其優(yōu)勢明顯。模型成果采用層次細(xì)節(jié)模型（LOD），以保證任何配置的計(jì)算機(jī)均能流暢地顯示地物模型，充分詳細(xì)地表達(dá)地形地物細(xì)部特征。

數(shù)據(jù)處理過程中，首先將整理好的照片（JPEG，4 373 張）和POS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，并設(shè)相機(jī)參數(shù)（焦距、像元大小等），進(jìn)行空三處理，恢復(fù)每張照片在拍攝瞬間準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)信息，利用該信息，結(jié)合攝影測量原理[6-9]，相鄰照片進(jìn)行影像匹配，生成密集點(diǎn)云，即數(shù)字表面模型DSM，點(diǎn)云進(jìn)行三角網(wǎng)構(gòu)建，生成TIN。對于每一個三角面，反求點(diǎn)所在的照片及準(zhǔn)確位置，從中獲取三角面對應(yīng)的照片紋理，并完成映射。按此過程，直至完成所有三角網(wǎng)的紋理影像。模型的數(shù)據(jù)量比較大，為了利于數(shù)據(jù)的瀏覽和應(yīng)用，采用LOD技術(shù)來組織。經(jīng)過上述過程，完成了南嶺森林公園的實(shí)景三維場景構(gòu)建，整個測區(qū)的三維場景構(gòu)建完成后，效果如圖3 所示。模型清晰、真實(shí)，局部放大圖如圖4 所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 場景建模精度分析

通過構(gòu)建的南嶺國家森林公園景區(qū)三維場景可以看出：三維場景的幾何特征精細(xì)、逼真；將三維模型放大后，植被仍然紋理清晰、真實(shí)；模型不存在拉花、變形；在不同架次交接區(qū)域，存在色彩的不協(xié)調(diào)，經(jīng)分析，由于兩架次是上午和下午不同時間段拍攝，太陽光線和強(qiáng)度不一致，導(dǎo)致存在一定的色差。利用影像數(shù)據(jù)構(gòu)建三維場景的過程中，根據(jù)空三精度報(bào)告可知，空中三角測量加密結(jié)果最大水平誤差為0.2 m，中誤差為0.07 m；最大垂直誤差為0.23 m，中誤差為0.08。該精度足夠滿足景區(qū)三維場景管理、森林調(diào)查及應(yīng)用分析等精度要求。

2.2 成果應(yīng)用分析

通過低空攝影測量生成的森林公園景區(qū)三維場景，可以用于景區(qū)的三維瀏覽、展示和管理。從模型上可以清楚看出，修路的工程對景區(qū)生態(tài)破環(huán)等影響。同時，數(shù)據(jù)可以用于森林資源調(diào)查與監(jiān)測、碳匯計(jì)量、荒漠化和沙化土地、濕地資源監(jiān)測、森林災(zāi)害監(jiān)測、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測等，該方法可以作為信息獲取與信息服務(wù)的新手段，為林業(yè)建設(shè)決策提供監(jiān)測和效益評價(jià)信息。

3 結(jié)語

本文以南嶺國家森林公園為試驗(yàn)對象，研究分析高山地形森林景區(qū)實(shí)景三維場景重建的方法。為了更好地進(jìn)行森林公園的可視化管理、監(jiān)測及科學(xué)開發(fā)，利用低空攝影測量技術(shù)進(jìn)行景區(qū)三維場景重建。結(jié)合森林景區(qū)的地形特征和無人機(jī)的特性，篩選一款復(fù)合翼無人機(jī)作為低空遙感平臺，研究了高山森林景區(qū)的航空攝影、實(shí)景三維場景構(gòu)建的方法，該方法可以快速構(gòu)建清晰、逼真、高分辨率的實(shí)景三維場景。利用該場景可方便任意角度、任意縮放的展示景區(qū)的真實(shí)場景。通過查看景區(qū)的頂視圖信息和植被側(cè)面的幾何特征和紋理特征，直觀展示森林公園的地形地貌，為景區(qū)管理員進(jìn)行景區(qū)管理、監(jiān)測、維護(hù)及開發(fā)等工作提供了數(shù)據(jù)支撐，為游客了解森林公園人文、自然風(fēng)貌等提供非常直觀、非常真實(shí)的虛擬場景，同時為森林公園景區(qū)規(guī)劃、森林資源普查、景區(qū)各種自然植被現(xiàn)象仿真以及后續(xù)開發(fā)“智慧景區(qū)”管理系統(tǒng)的建設(shè)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究人員還可以利用數(shù)據(jù)進(jìn)行基于光譜分析的植被類型和樹種識別，三維建模森林蓄積估算等應(yīng)用研究，具有巨大的市場價(jià)值與應(yīng)用前景。

在后續(xù)的研究工作中，作者將繼續(xù)深入研究低空無人機(jī)在林業(yè)方面的應(yīng)用，如利用無人機(jī)激光雷達(dá)進(jìn)行森林樹木測量高，建立不同區(qū)域森林類型模型分析技術(shù)應(yīng)用；利用無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)進(jìn)行林火監(jiān)測、森林生化組成與健康狀況的評價(jià)、葉面積指數(shù)估計(jì)、森林樹種識別、森林郁閉度信息提取及外來物種監(jiān)測等應(yīng)用。