張萌，林麗群，汪正祥，夏慧瓊，石遠(yuǎn)坤，李亭亭，馬國(guó)飛

(1. 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430062； 2. 海南熱帶海洋學(xué)院創(chuàng)意設(shè)計(jì)學(xué)院, 海南 三亞 572022；3. 神農(nóng)架國(guó)家公園管理局神農(nóng)架金絲猴保育生物學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 神農(nóng)架林區(qū) 442421)

0 引言

近些年，科普教育在我國(guó)逐步發(fā)展，對(duì)國(guó)家公園及一些自然保護(hù)地起到了很好的載體作用，但科普內(nèi)容與形式都較為單一，大多從科普宣教規(guī)劃設(shè)計(jì)、解說(shuō)系統(tǒng)、解說(shuō)形式、路線等進(jìn)行規(guī)劃，受眾者不易理解和接受.為提高教育過(guò)程的效率，使用GIS和遙感、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段作為在環(huán)境教育領(lǐng)域創(chuàng)新項(xiàng)目的主要方向具有極大的前景[1].用3S和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)為代表的現(xiàn)代空間信息技術(shù)對(duì)自然保護(hù)區(qū)、國(guó)家公園、濕地公園等構(gòu)建的數(shù)字旅游[2-3]、數(shù)字景區(qū)[4]、虛擬現(xiàn)實(shí)旅游[5-6]等進(jìn)展很快.

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以全自動(dòng)、高效率地構(gòu)建地表全要素三維模型，且場(chǎng)景真實(shí)，是目前數(shù)字化應(yīng)用中的熱點(diǎn)[7-8].目前無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)在數(shù)字城市、智慧城市中有合理的解決方案[9].真三維場(chǎng)景模型結(jié)合情景式科普教育的交互式系統(tǒng)是國(guó)家公園科普宣教可嘗試的方向，可以更好地利用三維場(chǎng)景增加大眾對(duì)科普教育地的交互感和認(rèn)知[10].但無(wú)人機(jī)獲取的三維模型精度低，后期模型單體化耗時(shí)長(zhǎng)、高精度三維模型產(chǎn)生的費(fèi)用成本高等問(wèn)題一直有待突破，另外多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)傾斜攝影所生成的三維模型的使用有許多自身的限制[11-12]，如模型格式不融洽和模型耗內(nèi)存較大等問(wèn)題，均限制了傾斜攝影三維模型的應(yīng)用.

本研究中以神農(nóng)架國(guó)家公園科普教育系統(tǒng)為例，針對(duì)以上問(wèn)題，有效利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，探尋簡(jiǎn)單、易于推廣應(yīng)用的方案.首先在模型構(gòu)建方面，本研究區(qū)域是自然保護(hù)地，不同于城市以建筑為主體，而是以具有自然地形地貌特征的森林、巖石等為主體，因此不能簡(jiǎn)單利用模型工具構(gòu)建模型；其次在三維場(chǎng)景搭建方面，以傾斜攝影模型搭建模擬真實(shí)三維場(chǎng)景需要與之契合的平臺(tái)，Unity3D是當(dāng)前全球市場(chǎng)上主流的游戲引擎，借助Unity3D 三維虛擬引擎，研究其對(duì)無(wú)人機(jī)三維模型的處理能力、數(shù)據(jù)的適用性、系統(tǒng)性能等，將真實(shí)地形模型搭建虛擬三維場(chǎng)景，探索實(shí)現(xiàn)公眾基于三維模型的科普教育新產(chǎn)品.

1 數(shù)據(jù)獲取

神農(nóng)架國(guó)家公園位于大巴山東緣、湖北省西北部，垂直海拔跨度398.0～3 105.4 m.神農(nóng)架國(guó)家公園具有獨(dú)特的自然地理環(huán)境、豐富的生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)類型、古老的地質(zhì)遺跡等，是普及各類動(dòng)植物資源、生態(tài)系統(tǒng)類型、地質(zhì)地貌構(gòu)造等自然科學(xué)知識(shí)和開(kāi)展資源保護(hù)與環(huán)境保護(hù)教育的絕佳場(chǎng)所.實(shí)驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)采集分布點(diǎn)如圖1所示.

圖1 神農(nóng)架國(guó)家公園數(shù)據(jù)采集分布點(diǎn)圖

在實(shí)地野外數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，設(shè)計(jì)大疆無(wú)人機(jī)精靈4 P以120 ～ 200 m的飛行高度、80%的航向重疊度、60%的旁向重疊度的飛行參數(shù)完成正射，以25°偏角完成4個(gè)角度的傾斜攝影.在實(shí)際野外數(shù)據(jù)采集中，由于神農(nóng)架國(guó)家公園區(qū)域的飛行高度受限，且山行走勢(shì)非常險(xiǎn)峻，僅部分地形開(kāi)闊區(qū)域能夠完成4個(gè)角度的傾斜攝影，這對(duì)后期建模產(chǎn)生了一定影響.實(shí)驗(yàn)中以神農(nóng)架國(guó)家公園三堆河入口飛行場(chǎng)景為例，根據(jù)地形調(diào)整完成正射及一個(gè)角度的傾斜拍攝，實(shí)際飛行場(chǎng)景范圍為379 m×387 m，飛行高度120 m，如圖2所示.

本實(shí)驗(yàn)基于無(wú)人機(jī)航拍獲取的影像數(shù)據(jù)分別構(gòu)建基于FBX的三維模型和DSM+DOM的地形三維模型，利用Unity3D進(jìn)行場(chǎng)景搭建以及漫游、交互功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)兩種三維模型的建模方案進(jìn)行比較分析，技術(shù)路線如圖3所示.

2 數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建

2.1 三維地形場(chǎng)景構(gòu)建場(chǎng)景模型包括地形和地物兩部分，考慮到傾斜攝影的特點(diǎn)和本系統(tǒng)漫游功能的需求，對(duì)實(shí)驗(yàn)中靜態(tài)地形三維模型，嘗試基于三維模型格式和基于地形的兩種無(wú)人機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景模型；對(duì)于部分精細(xì)的物模型則采用3DMax建模.

2.1.1 基于FBX模型方式 無(wú)人機(jī)航拍的影像經(jīng)過(guò)建模軟件處理產(chǎn)出OSGB、OBJ、FBX等當(dāng)前主流的三維模型格式，能夠創(chuàng)建細(xì)節(jié)豐富的三維實(shí)景模型，實(shí)驗(yàn)中地形場(chǎng)景采用FBX三維模型格式，作為Unity3D的靜態(tài)加載模型.

針對(duì)FBX三維地形模型，采用三維修模軟件如Dpmolder或Geomagic等，利用其補(bǔ)洞、紋理映射等功能進(jìn)行模型的編輯處理，對(duì)模型進(jìn)行平滑處理.

2.1.2 基于DSM+ DOM的地形方式 基于地形模型的的三維場(chǎng)景構(gòu)建流程如圖4所示，采用地形高度數(shù)據(jù)疊加紋理，在Unity3D下結(jié)合地形Terrain編輯，通過(guò)虛擬引擎渲染三維效果.

圖4 基于地形模型的三維場(chǎng)景構(gòu)建流程

由于研究區(qū)為山地且森林覆蓋茂密，無(wú)人機(jī)高空獲取的地形信息為森林覆蓋的高度，通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取的數(shù)字表面模型DSM部分細(xì)節(jié)會(huì)因此丟失并造成誤差，且生成的地形表面起伏不平，將增加后期在Unity3D中Terrain插件樹(shù)木種植的難度，因此實(shí)驗(yàn)中嘗試一種平均地表高度提取方式，利用Unity3D的地形編輯功能實(shí)現(xiàn)地形平滑處理，再進(jìn)行場(chǎng)景紋理貼圖和場(chǎng)景實(shí)現(xiàn).

針對(duì)DSM + DOM地形模型，借助Unity3D的地形插件完成場(chǎng)景構(gòu)建，首先需要將DSM修正，得到具有地表特征信息的DOM.為滿足后期場(chǎng)景瀏覽效果，借助Unity3D 中Terrain繪制高度(Paint Height)及平滑高度(Smooth Height)等工具對(duì)DSM進(jìn)一步精細(xì)處理，以DOM作為紋理進(jìn)行貼圖，最后利用種樹(shù)工具(Paint Trees)進(jìn)行人工植被覆蓋.

2.2 其他模型構(gòu)建無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理時(shí)，部分人工建筑物或精細(xì)地物出現(xiàn)扭曲變形或失真效果，如房屋、特殊石頭等三維模型，對(duì)于這部分精細(xì)靜態(tài)物體則通過(guò)3D Max完成建模，滿足后期瀏覽的視覺(jué)效果[13]，自動(dòng)生成與人工構(gòu)建的模型效果對(duì)比如圖5所示.

圖5 自動(dòng)生成與人工構(gòu)建的模型效果對(duì)比

3 三維場(chǎng)景交互的實(shí)現(xiàn)

利用Unity3D跨平臺(tái)三維引擎，結(jié)合C#或Javascript腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的瀏覽，完成交互式功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，達(dá)到僅利用電腦或手機(jī)移動(dòng)平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景瀏覽和知識(shí)學(xué)習(xí)的效果，以真實(shí)背景和互動(dòng)的方式讓受眾者更容易理解相關(guān)專業(yè)知識(shí).

三維場(chǎng)景構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)中，我們著重探究FBX模型和地形模型這兩種方式在Unity3D三維場(chǎng)景瀏覽時(shí)能否滿足系統(tǒng)功能需求和視覺(jué)瀏覽的要求.其中涉及到的主要的技術(shù)是：場(chǎng)景建模技術(shù)、交互技術(shù)、場(chǎng)景漫游技術(shù)和碰撞檢測(cè)技術(shù)[14].若要實(shí)現(xiàn)自然、精確的人機(jī)交互，必須解決碰撞等問(wèn)題，相機(jī)加入碰撞后能更好地解決模型的穿插問(wèn)題[15].

漫游是交互式科普系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，簡(jiǎn)單的交互用JavaScript可實(shí)現(xiàn)在漫游系統(tǒng)中用鼠標(biāo)按鍵控制自由行走的功能, 或以快捷鍵 WSAD 分別實(shí)現(xiàn)上下左右的移動(dòng)[16].場(chǎng)景漫游技術(shù)主要包括鍵盤控制和鼠標(biāo)控制, 能讓用戶在虛擬城市系統(tǒng)中前后左右任意方向行走，同時(shí)能控制運(yùn)動(dòng)的速度.

4 分析

4.1 三維場(chǎng)景的構(gòu)建分析兩種方式建立的三維地形場(chǎng)景中，F(xiàn)BX模型能一定程度地還原真實(shí)地形，例如河流、石頭能在一定尺度內(nèi)呈現(xiàn)出較好的視覺(jué)效果，但不足以支撐地面漫游.

通過(guò)DSM + DOM數(shù)據(jù)，采用raw格式的高度和紋理在Unity3D中渲染得到的地形模型，雖然初始形成的整體效果在各方面的表現(xiàn)均不理想，例如樹(shù)木、石頭等地物已經(jīng)失去原有的形狀，但是這種方式生成的地形模型可以直接用作后期瀏覽和交互操作的地形場(chǎng)景，并且可以在Unity3D下直接進(jìn)行二次處理.圖6(a)是FBX模型在Unity3D下的三維效果，圖6(b)是DSM + DOM模型在Unity3D下的三維效果.

圖6 兩種模型在Unity3D下的三維效果

圖7是FBX模型處理前與處理后的對(duì)比.圖8是地型模型處理的效果.總體而言，圖6～8表明，基于地形方式的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在可以直接對(duì)其進(jìn)行平滑、種樹(shù)、與人工構(gòu)建的模型進(jìn)行疊加等處理，并添加風(fēng)吹草動(dòng)，樹(shù)葉擺動(dòng)等自然效果.FBX模型在河流、石頭和公路上的顯示效果比基于地形方式更貼近自然真實(shí)效果.但基于地形方式和FBX模型在植被顯示上均不理想，無(wú)法滿足瀏覽的視覺(jué)要求.FBX模型在Unity3D下處理涉及到花草、植被、水、風(fēng)等具有物理性質(zhì)的地物，需要寫腳本判斷模型的各個(gè)頂點(diǎn)，對(duì)于模型的實(shí)現(xiàn)有一定的難度.實(shí)驗(yàn)表明，在三維場(chǎng)景構(gòu)建方面，基于DSM + DOM的地形模型更適用與Unity3D結(jié)合實(shí)現(xiàn)科普系統(tǒng)的建立.

圖7 FBX模型處理前與處理后的對(duì)比

圖8 地型模型處理效果

4.2 三維場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)分析三維場(chǎng)景的流暢運(yùn)用是本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面中的關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了以上兩種三維場(chǎng)景構(gòu)建方式在Unity3D運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)效果和性能參數(shù)的表現(xiàn).

4.2.1 實(shí)現(xiàn)效果 以國(guó)家公園入口處為例做功能展示，通過(guò)人物對(duì)話形式完成神農(nóng)架國(guó)家公園的總體概況介紹，實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)的科普；通過(guò)控制人物行走跑動(dòng)、飛行的動(dòng)作方式增加交互操作性和畫面動(dòng)態(tài)感，實(shí)現(xiàn)科普系統(tǒng)的代入性.圖9(a)和圖9(b)分別為基于地形模型和基于FBX模型的電腦桌面或安卓手機(jī)端系統(tǒng)界面，其中基于地形的手機(jī)端APP大小為80 M，可發(fā)布至互聯(lián)網(wǎng).

圖9 兩種模型的科普系統(tǒng)局部場(chǎng)景圖

從實(shí)現(xiàn)效果看，由于在基于地形方式中采用Unity3D的Terrain功能，添加樹(shù)木、草地等地物，解決了植被效果不理想的問(wèn)題，使場(chǎng)景效果更精細(xì)、更美觀；而基FBX模型即使在修飾模型以后，由于在后期不易于實(shí)現(xiàn)樹(shù)木等覆蓋，效果仍然不夠理想.

4.2.2 性能參數(shù) 利用Unity測(cè)試工具profiler采用最高畫質(zhì)對(duì)基于FBX模型和基于地形的兩套系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，分別測(cè)試系統(tǒng)的CPU、GPU 渲染Rendering和Memory內(nèi)存消耗，各項(xiàng)指標(biāo)值越低代表性能越好.

CPU的響應(yīng)耗時(shí)上，F(xiàn)BX模型平均維持100幀/s,地形模型平均維持60幀/s，說(shuō)明基于FBX的系統(tǒng)運(yùn)行流暢度優(yōu)于基于地形模型的系統(tǒng)運(yùn)行流暢度.GPU圖形處理器方面，基于地形的模型draw call總數(shù)達(dá)到2 374，需要處理的三角形數(shù)量1.2 M，頂點(diǎn)數(shù)量1.2 M；基于FBX模型draw call總數(shù)為63，三角形數(shù)量6.5 M，頂點(diǎn)數(shù)量4.5 M.基于FBX模型的GPU運(yùn)算消耗遠(yuǎn)小于基于地形的模型的GPU運(yùn)算消耗.內(nèi)存分配方面，基于地形的內(nèi)存分配，最高分配1.55 G內(nèi)存(其中顯存可分配1.24 G)，基于FBX模型最高分布1.07 G(其中顯存可分配390 MB).系統(tǒng)性能參數(shù)方面，Unity3D中，基于地形的方式比基于FBX模型的方式更加耗能.

4.3 分析本實(shí)驗(yàn)中基于FBX的模型無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍的精細(xì)場(chǎng)景，在沒(méi)有添加花草樹(shù)木等自然地物的前提下，雖然基于FBX模型的科普系統(tǒng)性能更優(yōu)化，但是由于國(guó)家公園的科普更多涉及到花草植被，實(shí)現(xiàn)物體的疊加需要腳本判斷模型的各個(gè)頂點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)大范圍的精細(xì)場(chǎng)景.因此，F(xiàn)BX的地形模型更適合應(yīng)用于一定尺度下的、不需要精細(xì)瀏覽的大型場(chǎng)景的展示.基于地形構(gòu)建的三維場(chǎng)景經(jīng)Unity3D的Terrain編輯后的場(chǎng)景更加美觀，能較好地滿足地面瀏覽需求，更容易讓系統(tǒng)受眾者產(chǎn)生代入感，但其不足之處在于紋理細(xì)節(jié)不是真實(shí)的地面紋理，如河流、石頭等細(xì)節(jié)部分均采用貼圖的方式表現(xiàn).

總體而言，基于FBX模型細(xì)膩度消耗資源比基于地形的模型小，但基于地形的模型對(duì)于復(fù)雜的交互和物理性質(zhì)更易于實(shí)現(xiàn).相比較而言，在有交互式的自然保護(hù)地科普系統(tǒng)中更適宜采用基于地形模型的方式實(shí)現(xiàn)，而FBX模型更適用于大場(chǎng)景的地貌展示.

5 結(jié)語(yǔ)

本研究中將無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)與虛擬引擎技術(shù)相結(jié)合，以神農(nóng)架國(guó)家公園入口處為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集、處理，完成三維地形模型的編輯與構(gòu)建、結(jié)合Unity3D實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的虛擬搭建，探究利用虛擬引擎技術(shù)給大眾提供身臨其境的學(xué)習(xí)互動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)App系統(tǒng)的可行性.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Unity3D能夠較好地處理FBX模型和地形模型，對(duì)于小場(chǎng)景的真三維地形的實(shí)現(xiàn)、瀏覽和交互操作都能較理想地完成，并能夠保證場(chǎng)景的流暢運(yùn)行，同時(shí)探討了這兩種方式的適用范圍.此外，這一過(guò)程的經(jīng)濟(jì)、勞動(dòng)和時(shí)間消耗小，這為科普教育的發(fā)展提供了一種新的面向大眾的可行性方案，對(duì)國(guó)家公園科普教育的展示與推進(jìn)有非常重要的積極意義，也為無(wú)人機(jī)獲取的真實(shí)場(chǎng)景和虛擬引擎結(jié)合提供了一種新的應(yīng)用思路.