羅 號，李世榮，胡 黎，余紫瑩

廣東省嶺南院勘查設(shè)計有限公司，廣東廣州 510500

2020年5月31日，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于開展第一次全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查的通知》(國辦發(fā)〔2020〕12號)，為全面掌握我國自然災(zāi)害風(fēng)險隱患情況，提升全社會抵御自然災(zāi)害的綜合防范能力，經(jīng)國務(wù)院同意，定于2020—2022年開展第一次全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查工作，本次普查涉及的自然災(zāi)害類型主要有地震災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、氣象災(zāi)害、水旱災(zāi)害、海洋災(zāi)害、森林和草原火災(zāi)等[1]。根據(jù)文件精神，各地林業(yè)主管部門組織開展了森林火災(zāi)綜合風(fēng)險普查和評估與區(qū)劃工作，同時開展的還有普查成果的深度應(yīng)用，即推動普查成果與森林防火日常工作相融合，逐步將成果應(yīng)用于各類隱患排查整治、應(yīng)急指揮、救援協(xié)調(diào)、物資調(diào)配、災(zāi)情評估等方面，全面提高火災(zāi)科學(xué)防控水平。

目前，森林火災(zāi)綜合風(fēng)險普查的開展情況作為一項重大的國情國力調(diào)查，是提高森林火災(zāi)防治能力的基礎(chǔ)性工作。普查數(shù)據(jù)作為這項任務(wù)的重要成果，對今后防火能力提高及戰(zhàn)時人力、物力、財力部署都具有重要意義。為最大限度地發(fā)揮普查數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值，提出將普查數(shù)據(jù)疊加無人機實景三維模型，以提供更加立體的三維展示。近幾年來，多旋翼無人機在各個領(lǐng)域展現(xiàn)出超高的應(yīng)用價值，由于其具有操作難度低、飛行狀態(tài)穩(wěn)定、應(yīng)用場景多樣、勤務(wù)性好等特點，其在森林防火中得到廣泛應(yīng)用，而其航拍產(chǎn)生的實景三維模型在森林防火中有較大的價值意義[2]。實景三維是無人機重要衍生產(chǎn)品，是對人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進行真實、立體、時序化反映和表達的數(shù)字虛擬空間，為經(jīng)濟社會發(fā)展和各部門信息化提供統(tǒng)一的空間基底。

實景三維通過在三維地理場景上承載結(jié)構(gòu)化、語義化、支持人機兼容理解和物聯(lián)實時感知的地理實體進行構(gòu)建[3]。從2019年開始，自然資源部多次就“實景三維中國”發(fā)文，旨在加快推進實景三維中國的建設(shè)。2019年，自然資源部公布《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》，推進三維實景數(shù)據(jù)庫建設(shè)。2020年，全國國土測繪工作會議提出新時期測繪工作“兩服務(wù)、兩支撐”的根本定位，明確要求大力推動新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè)，構(gòu)建實景三維中國。2021年8月11日，自然資源部辦公廳印發(fā)《實景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱(2021版)》。2022年2月24日，自然資源部辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面推進實景三維中國建設(shè)的通知》，明確到2025年，50%以上的政府決策、生產(chǎn)調(diào)度和生活規(guī)劃可通過線上實景三維空間完成[4]。無論是森林防火方面，還是實景三維構(gòu)建方面，在國家層面都得到了極大程度的重視，兩者已在實際情景中進行了結(jié)合應(yīng)用，并經(jīng)過了實踐的檢驗。例如，2022年8月25日重慶森林火災(zāi)，采用無人機測定火場的三維圖像，全方位獲取火場地理數(shù)據(jù)，制作三維地形圖、720°全景圖，精確呈現(xiàn)崎嶇的山體，山中的輸電鐵塔、水塘、民房、公路等設(shè)施；2022年9月14日永州森林火災(zāi)及次日茶陵縣森林火災(zāi)，湖南省自然資源廳應(yīng)急測繪保障隊首次采用三維模型開展應(yīng)急測繪保障，調(diào)用了無人機及高像素長焦載荷，順利完成火災(zāi)區(qū)域影像采集，為本次森林火災(zāi)事件的滅火指揮及后續(xù)防火監(jiān)測提供了清晰立體的正射影像與三維模型等數(shù)據(jù)保障。

1 無人機傾斜攝影三維建模

1.1 傾斜攝影三維建?；驹?/h3>

傾斜攝影是以空間位置相互關(guān)系為基礎(chǔ)，依據(jù)攝影測量原理，在坐標系統(tǒng)中從不同距離內(nèi)和不同方向拍攝照片，其核心是圖像的空間位置關(guān)系，原理是視點理論，即照片中所有圖像點的位置關(guān)系，可以用三維立體圖形表示，以此建立地形圖平面化的坐標系統(tǒng)。傾斜攝影可用于地形特征的三維量測和三維模型制作，影像測距和定位，視線分析，地形測量，地形圖繪制等。無人機傾斜攝影是指通過無人機搭載多臺航拍儀器或傳感器，在建模范圍內(nèi)同時采集不同位置的垂直、傾斜圖像數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包括各拍攝點的多角度影像信息和對應(yīng)的pos數(shù)據(jù)，其中pos數(shù)據(jù)是由飛控系統(tǒng)在相機拍照時自動生成的，與相片一一對應(yīng)，它賦予了相片豐富的信息，包括經(jīng)緯度、高度、海拔、飛行方向、飛行姿態(tài)等。數(shù)據(jù)獲取后，通過計算機三維建模技術(shù)，建立具有高形態(tài)、高細節(jié)、高紋理特征且?guī)в芯_地理位置信息的實景三維模型。

無人機傾斜攝影三維建模是一種基于圖像的建模，由于圖像本身包括豐富的場景信息，因此能直接從二維圖像中恢復(fù)場景的三維幾何結(jié)構(gòu)，建立能真實還原實際場景的三維模型[5]。構(gòu)建過程如圖1所示。

圖1 三維模型構(gòu)建過程

1.2 傾斜攝影無人機及云臺相機

目前，市場上有較多無人機及云臺相機可用于傾斜攝影，根據(jù)自身需求和預(yù)算，可選擇適合工作開展的無人機及云臺相機。無人機方面，小范圍作業(yè)區(qū)可選擇大疆御2、精靈RTK等，特點是成本低，攜帶便捷，易于開展工作；中等范圍作業(yè)區(qū)可選擇大疆經(jīng)緯M300，特點是作業(yè)高效，可適配多種云臺相機配合開展工作；大范圍作業(yè)區(qū)可選擇垂直起降固定翼無人機，特點是航行時間長，飛行速度快，作業(yè)高效，且無需跑道即可完成起飛降落，單人即可作業(yè)。云臺相機方面，市面上單鏡頭、雙鏡頭、三鏡頭、四鏡頭、五鏡頭，甚至是九鏡頭均能找到相關(guān)的產(chǎn)品，但因五鏡頭相機綜合優(yōu)勢明顯，傾斜攝影多采用五鏡頭相機進行作業(yè)，如賽爾PSDK 102 S，可同時對下、前、后、左、右5個不同方向進行拍攝，從而采集影像數(shù)據(jù)。目前，應(yīng)用較多的還有單鏡頭相機禪思P1，其模擬五鏡頭相機工作特點，在高速飛行中實現(xiàn)智能擺動拍攝，采集下、前、后、左、右5個不同方向的影像數(shù)據(jù)，通常配合大疆經(jīng)緯M300無人機進行作業(yè)。

1.3 傾斜攝影三維建模軟件

傾斜攝影三維建模技術(shù)是一種基于傾斜攝影技術(shù)和計算機圖形學(xué)的高精度三維建模技術(shù)，通過采集影像數(shù)據(jù)，獲取完整準確的紋理數(shù)據(jù)和定位信息，然后經(jīng)過傾斜攝影實景三維建模軟件分析處理，生成具有高形態(tài)、高細節(jié)、高紋理的三維建模模型。目前，常用的三維建模軟件主要有Smart3D、PhotoScan、OpenDroneMap、大疆智圖等。Smart3D是目前市面上用得比較多的一款三維建模軟件，輸入數(shù)據(jù)源廣泛，具有高兼容性，能對各種對象各種數(shù)據(jù)源進行精確無縫重建，只要輸入照片的分辨率和精度合適，生成的三維模型可實現(xiàn)無限精細的細節(jié)[6]。PhotoScan是一款基于影響自動生成高質(zhì)量三維模型的軟件，無需設(shè)置初始值，無須相機檢校，根據(jù)最新的多視圖三維重建技術(shù)，可對任意照片進行處理，通過控制點生成真實坐標的三維模型，缺點是對數(shù)據(jù)處理的容錯率較低，易報錯[7]。OpenDroneMap是一個開源的航拍圖像處理工具，可以將航拍圖像進行點云、正射影像和高程模型等進行處理，也可以做三維重構(gòu)，生成三維模型，最大的特點是開源和免費。大疆智圖是一款可實現(xiàn)無人機航線規(guī)劃、實時建圖、二維測圖、三維建模等全流程一體化PC端產(chǎn)品，其三維建模是基于大疆點云重建算法的，將無人機采集數(shù)據(jù)可視化，生成三維點云數(shù)據(jù)，又經(jīng)后處理工作生成三維模型。相較于其他軟件，大疆智圖具有操作簡易、處理高效和處理成果質(zhì)量高的特點。

2 無人機實景三維模型在森林防滅火中的應(yīng)用

2.1 普查數(shù)據(jù)在實景三維模型中的立體展現(xiàn)

相比傳統(tǒng)的二維影像平面表達，實景三維模型提供了更加立體、直觀的展示，可以清晰地獲取山形走勢、火點范圍、隔離帶方位、取水點位置等重要信息。同時，結(jié)合森林火災(zāi)風(fēng)險普查所調(diào)查形成的重要數(shù)據(jù)，如防火道路、防火阻隔帶、重要火源點、水源點、消防隊伍和防火物資儲備庫等，通過將這些普查數(shù)據(jù)疊加到實景三維模型上，能夠獲得更加豐富的數(shù)據(jù)信息。這種立體的信息展示方式使得人們能夠更好地掌握火源周邊的有利條件和不利因素，從而更加準確地判斷火勢發(fā)展趨勢，為科學(xué)指揮調(diào)度提供了重要的決策依據(jù)，有助于人們更好地應(yīng)對森林火災(zāi)的挑戰(zhàn)。

2.2 結(jié)合實景三維模型對普查數(shù)據(jù)進行更新

實景三維模型在完善普查數(shù)據(jù)方面具有顯著的作用。第一，普查數(shù)據(jù)是人為調(diào)查所得的，與實際現(xiàn)狀情況可能存在一定的偏差，由于實景三維模型能夠直觀地、立體地展示現(xiàn)狀地類，清晰反映防火道路、防火阻隔帶、水源點、重要火源點等關(guān)鍵要素的位置信息及現(xiàn)狀，借此優(yōu)勢，通過疊加實景三維模型，可以對普查數(shù)據(jù)進行查漏補缺，彌補數(shù)據(jù)中的不足之處，這種結(jié)合實景三維模型的數(shù)據(jù)更新方式，能夠使普查數(shù)據(jù)更加接近實際現(xiàn)狀，提升數(shù)據(jù)的準確性和實用性。

此外，實景三維模型還能反映各要素的動態(tài)變化過程。在森林防火中，各種要素如道路、水源點等都可能隨著時間的推移而發(fā)生變化。通過實景三維模型的實時監(jiān)測和更新，可以及時獲取這些變化信息，相應(yīng)地調(diào)整普查數(shù)據(jù)。這種動態(tài)更新的方式使得普查數(shù)據(jù)始終保持與實際情況的一致性，為森林防火工作提供及時、有效的數(shù)據(jù)支持。

2.3 普查數(shù)據(jù)結(jié)合實景三維模型用于防火指揮調(diào)度

實景三維模型在防火指揮調(diào)度方面發(fā)揮著重要作用。通過將普查數(shù)據(jù)與實景三維模型進行疊加，能夠?qū)崿F(xiàn)對物資、人員、裝備、交通狀況等警情處置資源的可視化了解。這種展示方式使人們?nèi)嬲莆崭鞣N資源的分布情況，為后續(xù)的指揮調(diào)度提供重要依據(jù)。

在掌握火源點位置和火源周邊有利條件及不利因素之后，實景三維模型可以幫助人們科學(xué)部署各項物資的補給路線和補給位置，確保物資及時、準確地被送達火場，為撲火工作提供有力的支持。同時，實景三維模型科學(xué)規(guī)劃撲火隊員的行進路線和撲火位置。通過模型的立體展示，可以更加清楚地了解火場的整體情況和各個隊員的分布情況，從而科學(xué)地調(diào)整隊員的行進路線和撲火位置，確保他們高效、安全地進行撲火作業(yè)。

在實際應(yīng)用下，實景三維模型能幫助人們科學(xué)選擇最優(yōu)的撲火方式。通過模型的實時更新和動態(tài)展示，可以及時了解火場的最新情況，根據(jù)實際情況靈活調(diào)整撲火策略，選擇最合適的撲火方式，最大限度地減少火災(zāi)造成的損失。

通過利用實景三維模型進行指揮調(diào)度，指揮人員能夠更快地形成對火場全局的認知和理解。這種基于實景三維模型的指揮調(diào)度方式不僅提高了決策效率和準確性，還為撲火隊員提供了更加安全、有效的作業(yè)環(huán)境。同時，也使得指揮人員更加前瞻性地思考問題并制定相應(yīng)的應(yīng)對措施。

2.4 基于實景三維模型對森林火災(zāi)進行復(fù)盤

森林火災(zāi)復(fù)盤是指對防火指揮調(diào)度的過程進行重復(fù)，以主動思考其科學(xué)性和合理性，探究如何更加科學(xué)有效地進行指揮調(diào)度，最大限度地減少人力、物力、財力的投入。實景三維模型在此過程中發(fā)揮著重要作用。

實景三維模型可以被比成一個沙盤，通過它，可以深入分析火源點情況及林火蔓延情況。

可以觀察火源點的位置和周邊環(huán)境，了解其特點和地形。然后，可以根據(jù)模型展示的林火蔓延情況，制定最優(yōu)的人員調(diào)度安排、物資調(diào)度安排以及撲火方式。

在實景三維模型的幫助下，可以總結(jié)以往的經(jīng)驗，吸取教訓(xùn)，形成一套完整的森林火災(zāi)撲救復(fù)盤報告。這份報告不僅可以為下一次森林火災(zāi)的應(yīng)對提供參考和指導(dǎo)，還可以幫助人們不斷完善和優(yōu)化防火指揮調(diào)度策略，提高應(yīng)對森林火災(zāi)的能力。

通過這種方式，實景三維模型成為一個重要的工具，為森林火災(zāi)復(fù)盤提供了直觀、立體的展示平臺，使人們更加深入地分析火勢發(fā)展、人員和物資調(diào)度等方面的實際情況，從而為未來的防火工作提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)思想。

2.5 實景三維模型被用于山林生態(tài)修復(fù)

實景三維模型在山林生態(tài)修復(fù)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它能夠清晰、準確地反映火災(zāi)受損的范圍及受損的嚴重程度。通過調(diào)取火災(zāi)前后同一地點的三維圖像進行對比分析，結(jié)合受災(zāi)區(qū)的坡度、坡向、坡位等地理信息，以及林木的受損情況，能夠科學(xué)、合理地制定受災(zāi)區(qū)生態(tài)修復(fù)方案。實景三維模型為火災(zāi)后的山林生態(tài)修復(fù)提供了有力的技術(shù)支撐，使得修復(fù)工作更加精準、高效。

3 結(jié)束語

提出一種將實景三維模型應(yīng)用在森林防火中的方法，相較于傳統(tǒng)二維影像數(shù)據(jù)，能提供更加直觀、真實的立體展現(xiàn)，加之近兩年我國高位推動森林火災(zāi)風(fēng)險普查，兩者若能進行有機結(jié)合，將對有效遏制森林火災(zāi)和最大限度地保護森林資源起到重要作用。如今，無人機的應(yīng)用已滲透各個行業(yè)，在林業(yè)防火中的應(yīng)用雖然已在部分地區(qū)得以實施，但仍處于探索階段，也未在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)普及，無人機的應(yīng)用將會貫穿森林防火全過程。例如，前期熱源采集及地形勘測，中期現(xiàn)場實時影像回傳及高空喊話，撲救過程中氣象因子采集等，其對森林防滅火將是重大的科技進步。