譚金石 祖為國 劉 麗

（廣東工貿職業(yè)技術學院，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、文化價值高，地理位置特殊，具有一定的區(qū)域代表性，旅游服務設施齊全，有較高的知名度，可供人們游覽、休息或進行科學、文化、教育活動的場所[1-2]。國家森林公園是一項世界性的人類自然文化保護運動，通過建立國家森林公園，對景觀資源的保存與保護、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，已成為當前我國國家森林公園管理的重要內容[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、虛擬現(xiàn)實VR 和增強現(xiàn)實AR技術的發(fā)展，將景區(qū)進行實景三維場景構建與可視化，能極大地增強旅游體驗感，提高游客對自然景觀與人文景觀、歷史與現(xiàn)實的認知及理解，這已成為數(shù)字旅游發(fā)展的主要方向。實景三維場景可真實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、林業(yè)、電力、農牧等諸多領域[4-5]。目前，實景三維構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，借助低空無人機遙感平臺，以南嶺國家森林公園為例，研究大規(guī)模面積區(qū)域、復雜山地森林公園地區(qū)的航空攝影、數(shù)據(jù)處理及實景三維場景構建等技術，分析實景三維場景成果在森林公園的應用，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，更好地服務于景區(qū)交互式、沉浸式的可視化體驗，為森林公園的科學管理、規(guī)劃、調查監(jiān)測等提供重要支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本文試驗區(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。本試驗區(qū)選擇中心區(qū)域面積約75 km2進行試驗。

1.2 試驗設備選型

試驗區(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。本文篩選出一款復合翼無人機，該型無人機在固定翼無人機的基礎上進行改進，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，因此該類型無人機兼顧固定翼無人機的飛行速度快、航程長、采集效率高、抗風能力強等特點，也繼承了多旋翼無人機起降方便、轉場方便等特點，是一款最佳無人機選擇。本試驗采用的復合翼無人機如圖1 所示。

圖1 復合翼無人機及相機Fig.1 Compound wing drone and camera

該無人機機身采用復合材料，質量輕，強度高，翼展2.36 m，機身長度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。該無人機搭載Sony RX1R II（DSC-RX-1RM2）數(shù)碼相機，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 復合翼無人機技術參數(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，利用復合翼無人機搭載Sony 相機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，同時保證實景三維建模質量和效果。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 時之前任務人員到達山頂，展開前期準備工作，主要是進行航線規(guī)劃，即制定無人機飛行的路線和拍攝間隔。本試驗采用開源的航線規(guī)劃軟件Mission Planner，根據(jù)場景空間位置精度和成圖清晰度，設定地面分辨率為9 cm。根據(jù)相機焦距、像幅及航飛高度之間的等比例關系，確定飛行的高度約700 m。考慮到后續(xù)數(shù)據(jù)處理及建模過程中，照片之間的重疊與關聯(lián)，將航向重疊度設定為75%，旁向重疊度設定為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，進行分區(qū)飛行，防止由于高差過大導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 實景三維場景構建

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

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

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

利用無人機拍攝的照片和POS 信息，結合低空攝影測量技術，經(jīng)過預處理、影像空三、密集匹配、DSM 生成、TIN 構網(wǎng)、紋理映射及LOD 模型生成等過程，得到實景三維模型。試驗中借助Bently ContextCapture 實景三維建模軟件來執(zhí)行，該軟件是一款專業(yè)的三維實景建模軟件，利用照片創(chuàng)建規(guī)模宏大的三維實景模型。快速三維場景運算軟件的整個過程無需人工干預，從簡單連續(xù)影像中生成最逼真的實景真三維場景模型。具有快速、簡單、全自動等特點，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節(jié)模型（LOD），以保證任何配置的計算機均能流暢地顯示地物模型，充分詳細地表達地形地物細部特征。

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)導入到軟件中，并設相機參數(shù)（焦距、像元大小等），進行空三處理，恢復每張照片在拍攝瞬間準確的位置和姿態(tài)信息，利用該信息，結合攝影測量原理[6-9]，相鄰照片進行影像匹配，生成密集點云，即數(shù)字表面模型DSM，點云進行三角網(wǎng)構建，生成TIN。對于每一個三角面，反求點所在的照片及準確位置，從中獲取三角面對應的照片紋理，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)的瀏覽和應用，采用LOD技術來組織。經(jīng)過上述過程，完成了南嶺森林公園的實景三維場景構建，整個測區(qū)的三維場景構建完成后，效果如圖3 所示。模型清晰、真實，局部放大圖如圖4 所示。

2 結果與分析

2.1 場景建模精度分析

通過構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、逼真；將三維模型放大后，植被仍然紋理清晰、真實；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，經(jīng)分析，由于兩架次是上午和下午不同時間段拍攝，太陽光線和強度不一致，導致存在一定的色差。利用影像數(shù)據(jù)構建三維場景的過程中，根據(jù)空三精度報告可知，空中三角測量加密結果最大水平誤差為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、森林調查及應用分析等精度要求。

2.2 成果應用分析

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查與監(jiān)測、碳匯計量、荒漠化和沙化土地、濕地資源監(jiān)測、森林災害監(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的新手段，為林業(yè)建設決策提供監(jiān)測和效益評價信息。

3 結語

本文以南嶺國家森林公園為試驗對象，研究分析高山地形森林景區(qū)實景三維場景重建的方法。為了更好地進行森林公園的可視化管理、監(jiān)測及科學開發(fā)，利用低空攝影測量技術進行景區(qū)三維場景重建。結合森林景區(qū)的地形特征和無人機的特性，篩選一款復合翼無人機作為低空遙感平臺，研究了高山森林景區(qū)的航空攝影、實景三維場景構建的方法，該方法可以快速構建清晰、逼真、高分辨率的實景三維場景。利用該場景可方便任意角度、任意縮放的展示景區(qū)的真實場景。通過查看景區(qū)的頂視圖信息和植被側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)管理員進行景區(qū)管理、監(jiān)測、維護及開發(fā)等工作提供了數(shù)據(jù)支撐，為游客了解森林公園人文、自然風貌等提供非常直觀、非常真實的虛擬場景，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)的建設等提供基礎數(shù)據(jù)，研究人員還可以利用數(shù)據(jù)進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用研究，具有巨大的市場價值與應用前景。

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在林業(yè)方面的應用，如利用無人機激光雷達進行森林樹木測量高，建立不同區(qū)域森林類型模型分析技術應用；利用無人機搭載多光譜相機進行林火監(jiān)測、森林生化組成與健康狀況的評價、葉面積指數(shù)估計、森林樹種識別、森林郁閉度信息提取及外來物種監(jiān)測等應用。