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。
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)。
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
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。
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。
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。
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。
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。