無人機(jī)遙感生態(tài)場(chǎng)景三維建模綜述

伍 毅，趙海盟，李宇波

（1.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，南寧 530028；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院廣西高校無人機(jī)遙測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004；3.浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，杭州 310058）

1 引言

無人機(jī)首次出現(xiàn)在1917年，初期無人機(jī)主要是應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，比如用于作戰(zhàn)、偵察。從20世紀(jì)80年代以來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以及各種機(jī)載硬件傳感器的不斷改進(jìn)與突破，使得無人機(jī)的性能得到了快速提升。特別是其運(yùn)用的領(lǐng)域在不斷拓展，而且制約其續(xù)航時(shí)間和載荷重量的問題得到大幅度改善。

三維可視化是指在人的大腦中形成某一具體事物的三維圖像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該事物的洞察力及概念等[1]。傳統(tǒng)的三維建模制作周期長、工作量大、制作流程復(fù)雜，生成的三維模型還原度不高、看起來不真實(shí)，以上不足使三維建模技術(shù)的發(fā)展受到很大的限制。但是隨著無人機(jī)遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，利用無人機(jī)對(duì)建模對(duì)象進(jìn)行多角度傾斜攝影，獲取具有重疊率的影像，結(jié)合得益于信息技術(shù)快速發(fā)展的各種處理算法，得到高分辨率、高品質(zhì)材質(zhì)顏色、高清晰度的三維模型，在國土資源、城市建設(shè)、測(cè)繪領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

生態(tài)場(chǎng)景三維可視化近幾年開始得到發(fā)展。由于生態(tài)場(chǎng)景復(fù)雜多變，地形、植被形態(tài)各異使得監(jiān)測(cè)場(chǎng)景極具層次化、立體化和復(fù)雜化。而無人機(jī)三維可視化不僅可以低成本展示當(dāng)前生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)、類型等復(fù)雜多樣的組成，還可以提供一個(gè)便利的直觀顯示平臺(tái)，因此生態(tài)場(chǎng)景三維顯示對(duì)于深入了解生態(tài)環(huán)境和人與自然的可持續(xù)發(fā)展都有著重要意義[2]。

2 三維建模技術(shù)概述

三維建模技術(shù)通過多年發(fā)展取得了長足的進(jìn)步，國外柏林、米蘭、馬德里、洛杉磯等多個(gè)城市的高分辨率三維城市模型已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。這些三維模型大都是利用低空無人機(jī)傾斜攝影，將采集到的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建而成的。并且對(duì)大范圍區(qū)域的三維模型分割成均勻大小的區(qū)塊，之后建立細(xì)節(jié)層次分明的三維模型，最后將實(shí)景三維模型發(fā)布在能讓用戶實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上在線瀏覽的平臺(tái)上。在我國很多城市已經(jīng)開展了基于傾斜攝影的三維城市研究，并通過無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)用于城市管理、國土資源管理等方面。

目前市場(chǎng)上無人機(jī)三維建模方法主要是通過把采集到的無人機(jī)圖像或者視頻進(jìn)行三維建模。通過在場(chǎng)景實(shí)踐拍攝中的一系列具有一定重疊度的圖像就可以建立出具有和圖像一樣真實(shí)感的場(chǎng)景或者實(shí)景三維模型。隨著三維建模技術(shù)的不斷進(jìn)步，系統(tǒng)平臺(tái)的處理能力越來越強(qiáng)大，自動(dòng)化程度不斷提高，大大降低人力成本。因此三維建模技術(shù)和無人機(jī)遙感技術(shù)的結(jié)合，為層次化、立體化、復(fù)雜化的生態(tài)場(chǎng)景三維建模提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

3 無人機(jī)遙感生態(tài)場(chǎng)景三維研究內(nèi)容

無人機(jī)遙感生態(tài)場(chǎng)景三維可視化包含三部分內(nèi)容：首先利用無人機(jī)平臺(tái)和光學(xué)遙感載荷完成對(duì)所監(jiān)測(cè)區(qū)域的多角度、多層次的傾斜攝影數(shù)據(jù)采集，其次對(duì)采集到的數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的場(chǎng)景特點(diǎn)，采用不同的模型進(jìn)行三維建模，再次將三維模型與空間數(shù)據(jù)管理平臺(tái)以及測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)虛擬地圖等進(jìn)行集成[3]，同時(shí)把生態(tài)場(chǎng)景的生態(tài)信息，例如植被、人類活動(dòng)等數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最后實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遙感生態(tài)場(chǎng)景三維可視化總集成。

無人機(jī)遙感三維模型可以提供高度真實(shí)的任意視點(diǎn)的生態(tài)環(huán)境場(chǎng)景。但是，生態(tài)場(chǎng)景種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在模型和可視化上存在巨大挑戰(zhàn)。目前三維建模技術(shù)包括基于過程和基于圖像的建模技術(shù)。其中前者主要通過無人機(jī)獲取有限參數(shù)來控制場(chǎng)景的建模過程，如L-system模型、分形方法和隨機(jī)過程等。后者主要是通過無人機(jī)獲取的圖像與繪制技術(shù)融合形成三維生態(tài)環(huán)境場(chǎng)景的建模，如宋鐵英等利用計(jì)算機(jī)圖形與圖像結(jié)合的方法，提出了一種林分三維可視化模型[4]；Chiba等解決了地形引起的植被變形[5]；劉彥宏等提出了樹干二維框架，實(shí)現(xiàn)了雙視點(diǎn)樹木的三維模型構(gòu)建等[6]。

無人機(jī)遙感生態(tài)場(chǎng)景三維建模的流程包括：（1）內(nèi)業(yè)分析。前期以無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)區(qū)為目標(biāo)，具體研究監(jiān)測(cè)區(qū)的地形、地貌、氣候變化等因素，合理設(shè)計(jì)航飛方案。在設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)考慮控制點(diǎn)分布、出圖比例尺、重疊度、航飛高度等因素。（2）外業(yè)飛行。選擇合適的天氣和時(shí)間，在監(jiān)測(cè)區(qū)布置前期確定的控制點(diǎn)，在無人機(jī)起飛且達(dá)到指定高度后進(jìn)行外業(yè)航攝。（3）無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)預(yù)處理。整理無人機(jī)影像和飛行日志，包括飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、影像獲取坐標(biāo)點(diǎn)、控制點(diǎn)等數(shù)據(jù)，通過專業(yè)軟件形成生態(tài)場(chǎng)景的三維模型。（4）生態(tài)場(chǎng)景三維模型建立，以及與空間管理數(shù)據(jù)庫及虛擬地圖集成。（5）三維生態(tài)場(chǎng)景的遙感解譯與顯示，分析監(jiān)測(cè)區(qū)的生態(tài)質(zhì)量[7]。具體流程如下圖1所示。

圖1 無人機(jī)遙感生態(tài)場(chǎng)景三維建模的流程

這里重點(diǎn)描述一下植被，因?yàn)橹脖皇巧鷳B(tài)場(chǎng)景的重要組成部分，其三維可視化模型有多種，為了使計(jì)算機(jī)能夠高精度顯示植被的三維模型，需要對(duì)三維模型進(jìn)行建造，基本操作技術(shù)包括：（1）物體繪制技術(shù)；（2）交換技術(shù)；（3）著色技術(shù)；（4）光照模型技術(shù)；（5）反走樣；（6）混合技術(shù)；（7）霧化技術(shù)；（8）紋理映射技術(shù)和（9）交互操作和動(dòng)畫技術(shù)等。為實(shí)現(xiàn)上述操作，常用的操作語言包括OpenGL，Direct3D，Java3d和VRML。其中VRML是一種模型描述語言，只要按照其規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，即可方便構(gòu)建三維場(chǎng)景，因此被常用于生態(tài)場(chǎng)景中植被的三維模型可視化工具[8]。

4 無人機(jī)遙感生態(tài)場(chǎng)景三維可視化在廣西的典型示范應(yīng)用

目前廣西壯族自治區(qū)擁有各類自然保護(hù)區(qū)達(dá)78處，涵蓋自然生態(tài)系統(tǒng)類、野生生物類和自然遺跡類三大類，特別適合中低空無人機(jī)航空數(shù)據(jù)采集或者監(jiān)測(cè)。

2016年中央督察組指出桂林漓江非法采石問題突出，基于以上問題開展了一系列積極有效的整改措施，包括應(yīng)用無人機(jī)遙感生態(tài)場(chǎng)景三維建模技術(shù)，加強(qiáng)漓江風(fēng)景名勝區(qū)的監(jiān)管，應(yīng)用于沿江生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，以及對(duì)流域生態(tài)環(huán)境影響等。

采用中低空無人機(jī)航空遙感傾斜攝影技術(shù)，對(duì)漓江沿江山體、沿江碼頭、旅游設(shè)施、河道灘涂等進(jìn)行實(shí)際無人機(jī)航空影像數(shù)據(jù)采集，然后對(duì)涉及到的生態(tài)場(chǎng)景進(jìn)行真三維可視化實(shí)現(xiàn)，真實(shí)地再現(xiàn)了所拍攝區(qū)域的實(shí)際三維場(chǎng)景信息，這樣對(duì)沿江山體采石采礦情況摸排、采石采礦量估算、規(guī)模調(diào)查等工作起到了決策依據(jù)作用。漓江流域三維生態(tài)場(chǎng)景三維圖如圖2所示。

圖2 漓江流域三維生態(tài)場(chǎng)景三維圖

那考河濕地公園曾經(jīng)是南寧市出名的黑臭水溝，經(jīng)過生態(tài)綜合整治后，建設(shè)為美麗的濕地公園。為了加強(qiáng)治理與監(jiān)管，對(duì)那考河濕地公園進(jìn)行了無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)采集，對(duì)公園場(chǎng)景進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)濕地公園的三維可視化監(jiān)管。2017年4月，習(xí)近平總書記在廣西考察調(diào)研時(shí)考察了那考河濕地公園，對(duì)那考河濕地公園生態(tài)綜合治理工作十分肯定?，F(xiàn)在公園里有層層梯田、成片的美人蕉、朱瑾花田，環(huán)境美不勝收。利用無人機(jī)遙感三維建模技術(shù)構(gòu)建的生態(tài)場(chǎng)景真實(shí)地還原實(shí)地狀況，進(jìn)一步推動(dòng)無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在生態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用起到示范作用。那考河濕地公園治理后生態(tài)場(chǎng)景三維圖如圖3所示。

圖3 那考河濕地公園治理后生態(tài)場(chǎng)景三維圖

無人機(jī)遙感生態(tài)三維場(chǎng)景監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法，以構(gòu)建三維模型為對(duì)象，定量分析人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響[9]。但是評(píng)價(jià)對(duì)象不像大氣、水等場(chǎng)景均勻且組成部分單一，而是具有強(qiáng)差異性特性、地域性強(qiáng)、類型和結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。因此對(duì)基于無人機(jī)遙感生態(tài)場(chǎng)景三維模型的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法還有待進(jìn)一步深入研究，同時(shí)也說明通過無人機(jī)遙感生態(tài)三維場(chǎng)景進(jìn)行立體化生態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用前景十分廣闊。

5 結(jié)束語

綜上，針對(duì)目前廣西各自然保護(hù)區(qū)普遍存在的人力、技術(shù)等嚴(yán)重不足的問題，開展采用無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，獲取自然保護(hù)區(qū)的三維場(chǎng)景與生態(tài)信息，對(duì)識(shí)別破壞性人類活動(dòng)，獲取珍惜保護(hù)植物分布，以及保護(hù)廣西生態(tài)環(huán)境，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念具有重要意義。本論文得到廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“廣西自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)與技術(shù)示范（桂科AB18050014）”和國家自然科學(xué)基金（61841101）資助。