無人機(jī)傾斜攝影輔助“GIS+”在智慧林業(yè)防火中的應(yīng)用

馮幼貴, 邢著榮, 任維成

(1.山東正元航空遙感技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250100;2.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

基于無人機(jī)傾斜實(shí)景模型的GIS數(shù)據(jù)采集，已經(jīng)廣泛用于林區(qū)監(jiān)測(cè)、基礎(chǔ)測(cè)繪、不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)、舊城改造、農(nóng)村宅基地等各類業(yè)務(wù)，因其高效便捷、外業(yè)工時(shí)低、成果豐富等優(yōu)勢(shì)深得關(guān)注[1]。

森林資源作為地球上最重要資源之一，是生物多樣化的基礎(chǔ)及人類賴以生存和發(fā)展必不可少的資源。然而近年的氣候變暖和人為因素，森林火災(zāi)發(fā)生頻率不斷增高[2,3]。中國(guó)森林資源相對(duì)匱乏，火災(zāi)的頻繁發(fā)生更是對(duì)國(guó)家林業(yè)生態(tài)環(huán)境和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)構(gòu)成嚴(yán)重影響。為鞏固和發(fā)展生態(tài)旅游城市，森林資源保護(hù)任務(wù)艱巨，因此，提升森林防火監(jiān)控系統(tǒng)水平顯得尤為重要。

依托自主研發(fā)三維Genius World平臺(tái)，采用無人機(jī)傾斜攝影獲取林區(qū)數(shù)據(jù)，為護(hù)林員巡檢快速、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)森林火警，并對(duì)火警情況進(jìn)行清晰、直觀的呈現(xiàn)，有利于林區(qū)領(lǐng)導(dǎo)及工作人員能夠在第一時(shí)間掌握完整資料，快速做出緊急響應(yīng)和準(zhǔn)確決策[4]。本文將以無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量實(shí)景真三維建模技術(shù)為研究對(duì)象，分析其在智慧林業(yè)防火中的應(yīng)用。

1 無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)

1.1 無人機(jī)簡(jiǎn)介

在林區(qū)采用無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)是CW-10小型全電動(dòng)垂直起降固定翼無人機(jī)，飛機(jī)具有垂直起降、全自主飛行、操作簡(jiǎn)單、零基礎(chǔ)上手使用等優(yōu)勢(shì)，適用于單人作業(yè)；連接結(jié)構(gòu)采用快鎖裝置，拆裝過程無須工具，電氣和機(jī)械連接一次同步；拆解后可裝入1 100 mm×800 mm×800 mm包裝箱，運(yùn)輸攜帶方便。

1.2 傳感器簡(jiǎn)介

在林區(qū)采用的RIY-DG3是一款多用途的傾斜攝影相機(jī)(圖1)，具有重量輕、體積小、焦距合理、兼容性高、維護(hù)成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，且DG3內(nèi)置散熱和除塵系統(tǒng)，能夠保證了相機(jī)在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)[5-7]。同時(shí)可以安裝在各種多旋翼無人機(jī)上做高精度傾斜數(shù)據(jù)采集。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)獲取與制作

2.1 研究區(qū)

研究區(qū)位于廈門市集美區(qū)西北部，轄區(qū)總面積5 076.5 hm2，林區(qū)森林覆蓋率達(dá)97.5%，綠化率99%，森林活立木蓄積量達(dá)43萬m3。

2.2 技術(shù)路線

2.2.1 根據(jù)測(cè)區(qū)的地形、地貌條件，制定合理的航攝計(jì)劃，采用傾斜攝影系統(tǒng)和慣導(dǎo)輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)，選擇有利飛行時(shí)機(jī)，獲取測(cè)區(qū)最佳航空影像數(shù)據(jù)。

2.2.2 在測(cè)區(qū)已有的基礎(chǔ)控制成果的基礎(chǔ)上，利用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行像控測(cè)量。

2.2.3 三維建模人員利用可量測(cè)的傾斜影像、POS數(shù)據(jù)以及像控點(diǎn)，使用三維建模軟件進(jìn)行全景三維模型的自動(dòng)化建模。

2.2.4 整理相應(yīng)數(shù)據(jù)和文檔進(jìn)行提交。

具體技術(shù)路線見圖2。

圖2 三維實(shí)景模型制作流程圖

2.3 數(shù)據(jù)獲取與制作

2.3.1 數(shù)據(jù)獲取 利用CW-10無人機(jī)，搭載銳眼Riy-DG3第二代傾斜攝影五鏡頭吊艙進(jìn)行研究區(qū)傾斜數(shù)據(jù)采集,獲取多角度傾斜影像數(shù)據(jù)；同時(shí)獲取系統(tǒng)記錄的POS數(shù)據(jù)；結(jié)合所選相機(jī)得到焦距、像素等參數(shù)；研究區(qū)像控點(diǎn)文件。根據(jù)航飛分區(qū)圖，按照設(shè)定好的航線圖從五個(gè)方向采集影像，包括正射影像和四個(gè)傾斜角度的影像。林場(chǎng)三維建模采用ContextCapture Center Master自動(dòng)建模系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)景三維模型的制作，該系統(tǒng)通過對(duì)高重疊度的傾斜影像進(jìn)行空三加密[8]，密集匹配等過程，最終生成三維模型。整個(gè)過程具有快速、簡(jiǎn)單、自動(dòng)等特點(diǎn)，支持多種數(shù)據(jù)輸出格式，數(shù)據(jù)兼容性好。模型成果中，建筑物的紋理及其空間關(guān)系均采用分層顯示技術(shù)(分層大于20層)，以保證在不同配置計(jì)算機(jī)上均能詳細(xì)表達(dá)建筑物局部特征及流暢展示整個(gè)地物模型。

2.3.2 照片導(dǎo)入 通過ContextCapture Center Master軟件的Photo菜單加載影像文件導(dǎo)入選擇的照片或文件夾導(dǎo)入全部照片，設(shè)置傳感器大小和焦距等參數(shù)。同時(shí)可選擇通過import blocks導(dǎo)入整理好的EXECL表格，即可直接加載顯示對(duì)應(yīng)照片組的相關(guān)信息[9]。

2.3.3 像控點(diǎn)輸入 在Control points菜單編輯控制點(diǎn)，在控制點(diǎn)的編輯過程中，先選擇成果所需的空間參考，如果所需空間參考系在空間參考庫(kù)中無法找到，可以自定義空間參考系。輸入控制點(diǎn)信息，并在每個(gè)控制點(diǎn)下添加對(duì)應(yīng)的影像(每個(gè)相機(jī)的影像至少一張)并標(biāo)志控制點(diǎn)所在具體位置，保存控制點(diǎn)信息。

2.3.4 自動(dòng)化空三加密 在ContextCapture Center自動(dòng)建模系統(tǒng)中加載研究區(qū)航攝影像，結(jié)合外業(yè)采集的像控點(diǎn)坐標(biāo)，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差原理，以一張相片組成的一束光線作為一個(gè)平差單元，以共線方程作為基礎(chǔ)方程，通過光線束的旋轉(zhuǎn)和平移，實(shí)現(xiàn)模型光束的最佳交會(huì)，最終恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系[10]。

2.3.5 影像密集匹配 軟件基于高精度的影像匹配算法，從立體像對(duì)中自動(dòng)匹配出同名點(diǎn)及高密度三維點(diǎn)云，使得地物細(xì)節(jié)的表達(dá)更清晰準(zhǔn)確[11,12]。影像密集匹配使得地物復(fù)雜、建筑物密集地方，點(diǎn)密度高，地物簡(jiǎn)單、建筑物少的地方，匹配點(diǎn)相對(duì)稀疏。

2.3.6 紋理映射 基于上述影像密集匹配結(jié)果，由空三加密建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)(簡(jiǎn)稱TIN,即Triangulated Irregular Network)，再由TIN構(gòu)成白模，結(jié)合軟件計(jì)算的影像紋理，進(jìn)而將紋理映射到對(duì)應(yīng)白模上，形成真實(shí)的三維場(chǎng)景[13]，如圖3所示。

圖3紋理映射成果例圖

2.3.7 三維成果輸出 利用軟件輸出制作國(guó)家2000大地坐標(biāo)系下的三維成果(格式為OSGB)。

3 實(shí)景三維模型在智慧林業(yè)防火中應(yīng)用

3.1 Genius World平臺(tái)及其特性

Genius World是團(tuán)隊(duì)完全自主研發(fā)的、不借助于第三方商業(yè)引擎或插件的三維發(fā)布平臺(tái)，在數(shù)據(jù)安全性、二三維一體化、數(shù)據(jù)更新、三維自動(dòng)建模等方面有效彌補(bǔ)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外三維GIS平臺(tái)的劣勢(shì)。同時(shí)根據(jù)本項(xiàng)目的需要還可以在該三維平臺(tái)上做定制開發(fā)，即基于最新的林場(chǎng)三維可視化數(shù)據(jù)并融合最新的資源數(shù)據(jù)，建立了林場(chǎng)三維可視化綜合管理服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)是一款支持海量三維GIS數(shù)據(jù)的輸入、編輯、瀏覽、分析、檢索、共享、發(fā)布等服務(wù)一體的軟件平臺(tái)。可支持“數(shù)據(jù)-軟件-服務(wù)-應(yīng)用”等功能。支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和單機(jī)應(yīng)用，便于個(gè)性化的三維GIS制作[14]。

通過整合林業(yè)、資源、地質(zhì)等最新專項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Genius World平臺(tái)，為智慧林業(yè)綜合管理平臺(tái)提供基礎(chǔ)性、全方位的空間管理解決方案。

Genius World平臺(tái)具有以下獨(dú)特特性：

3.1.1 海量影像數(shù)據(jù)的顯示 隨著遙感技術(shù)的不斷更新發(fā)展，遙感影像分辨率越來越高、獲取周期越來越短，從而造成影像數(shù)據(jù)量以幾何級(jí)數(shù)成倍增長(zhǎng)，使得海亮的數(shù)據(jù)在顯示流暢性上存在問題。Genius World則可支持海量影像數(shù)據(jù)的快速顯示，同時(shí)可對(duì)多時(shí)相數(shù)據(jù)進(jìn)行展示與對(duì)比。

3.1.2 海量矢量數(shù)據(jù)的顯示 在實(shí)際生產(chǎn)工作及GIS分析中，二維矢量數(shù)據(jù)起著舉足輕重的作用，但由于部存在分三維平臺(tái)的功能限制，在展示與應(yīng)用中存在問題。Genius World軟件可支持海量的矢量數(shù)據(jù)快速顯示，同時(shí)可對(duì)多層矢量數(shù)據(jù)共同展示并分圖層進(jìn)行分級(jí)管理，有利于矢量數(shù)據(jù)的疊加展示及進(jìn)一步應(yīng)用分析。

3.1.3 海量模型數(shù)據(jù)的顯示 高精度真三維模型具有數(shù)據(jù)量大、真實(shí)感強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，Genius World軟件平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)海量三維模型數(shù)據(jù)的瀏覽和管理，室內(nèi)、街區(qū)、城市、全球等不同區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)和平滑瀏覽展示。

同時(shí)Genius World軟件平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)的三維模型數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進(jìn)行了流程和算法的優(yōu)化，在數(shù)據(jù)裁剪技術(shù)、動(dòng)態(tài)裝載、多細(xì)節(jié)層次模型繪制等技術(shù)方面具有其獨(dú)特的領(lǐng)先性，具體表現(xiàn)如下：

在數(shù)據(jù)裁剪技術(shù)上，充分利用空間的連貫性，采用實(shí)時(shí)遮擋裁剪算法,提前去掉場(chǎng)景中的不可見部分，省去對(duì)齊進(jìn)行的不必要處理，大大提高了城市建筑景觀的實(shí)時(shí)處理效率。

在數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)裝載方面，融合了基于數(shù)據(jù)分層、分塊和數(shù)據(jù)頁(yè)動(dòng)態(tài)更新算法，實(shí)現(xiàn)多層次、大范圍的城市場(chǎng)景實(shí)時(shí)描繪。

在多細(xì)節(jié)層次模型漸進(jìn)繪制方面，優(yōu)化場(chǎng)景繪制刷新頻率，更新繪制場(chǎng)景內(nèi)容。

3.2 智慧林業(yè)防火中的應(yīng)用

3.2.1 定位功能 系統(tǒng)為用戶提供了三維坐標(biāo)定位、地名定位、火點(diǎn)定位以及二維地圖的地名定位、坐標(biāo)定位(輸入經(jīng)緯度十進(jìn)制坐標(biāo))等多種定位功能。

3.2.2 查詢功能 系統(tǒng)為用戶提供了攝像頭查詢、物資庫(kù)查詢、防火哨卡查詢、指揮中心查詢、消防隊(duì)、水源地等救援力量的查詢功能。在進(jìn)行查詢功能之前需要先設(shè)定搜索半徑，然后點(diǎn)擊攝像頭查詢或者其他救援力量查詢，然后在地圖上點(diǎn)擊。就會(huì)查詢到相應(yīng)的信息。救援力量查詢：先預(yù)設(shè)搜索半徑，選擇列表中的相關(guān)查詢內(nèi)容，然后點(diǎn)擊救援力量查詢，在地圖上點(diǎn)擊位置之后，就會(huì)搜索出相應(yīng)的信息。

3.2.3 最短路徑分析 系統(tǒng)為用戶提供了根據(jù)地名已知坐標(biāo)進(jìn)行路徑分析的功能。

地名分析：輸入起止點(diǎn)名稱，點(diǎn)擊最短路徑，在地圖上會(huì)找到最短路徑。

經(jīng)緯度分析：輸入起止點(diǎn)的經(jīng)緯度，點(diǎn)擊最短路徑，在地圖上會(huì)找到最短路徑。

3.2.4 輔助決策 當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，可以通過輔助決策功能對(duì)事故點(diǎn)周邊進(jìn)行查詢分析，找到周邊的救援力量、物資庫(kù)、指揮中心等。點(diǎn)擊輔助決策，然后在地圖上點(diǎn)擊事故點(diǎn)位置，會(huì)檢索出事故點(diǎn)周邊的相關(guān)救援力量，以及救援物資庫(kù)的存儲(chǔ)信息、相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案、救援隊(duì)伍、油庫(kù)軍用設(shè)施等信息。

3.2.5 巡檢管理

(1)巡檢路線查看。結(jié)合實(shí)際防火項(xiàng)目及巡檢目的查看，在軟件平臺(tái)上，可選擇定位巡檢路線，實(shí)時(shí)查看路線情況，任務(wù)結(jié)束可選擇刪除巡檢路線。

(2)定制巡檢路線。結(jié)合三維模型，基于軟件平臺(tái)，選擇巡檢人員，通過巡檢路線定制按鈕，可在三維模型地圖上繪制和編輯修改巡檢路線。

(3)巡檢事件查看。巡檢事件查看是對(duì)事件進(jìn)行的回訪和查看，在軟件平臺(tái)上，可依次查詢巡檢管理的巡檢事件上傳，然后尋找巡檢管理模塊的巡檢事件上傳下拉框，按照巡檢人與上傳時(shí)間信息選擇，點(diǎn)擊巡檢事件查看按鈕，就會(huì)定位到巡檢人員上傳圖片的位置。

4 結(jié)論與展望

利用傾斜攝影技術(shù)獲取研究區(qū)的原始傾斜影像，結(jié)合三維建模軟件完成林區(qū)實(shí)景三維模型的制作。將三維實(shí)景數(shù)據(jù)導(dǎo)入自主研發(fā)的Genius World平臺(tái)，輔助GIS技術(shù)在智慧林業(yè)防火中應(yīng)用。

在經(jīng)濟(jì)效益上，無人機(jī)傾斜攝影輔助GIS技術(shù)在智慧林業(yè)防火中應(yīng)用將對(duì)林業(yè)資源的現(xiàn)狀進(jìn)行無死角的掌控，對(duì)林業(yè)的總體發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行跟進(jìn)與復(fù)核，對(duì)轄區(qū)林地的違法犯罪行為進(jìn)行智能判讀、自動(dòng)監(jiān)控，對(duì)森林火警、林區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，保障林區(qū)的平安，維護(hù)森林生態(tài)穩(wěn)定，促進(jìn)森林資源的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)，對(duì)于我市具有不可估量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和效益。

在社會(huì)效益上，通過GIS平臺(tái)軟件對(duì)其進(jìn)行深度應(yīng)用開發(fā)，為林場(chǎng)各項(xiàng)業(yè)務(wù)提供系統(tǒng)、完整的解決方案與服務(wù)，增強(qiáng)林地及林業(yè)資源的可視化智能監(jiān)測(cè)能力，大大提升森林火災(zāi)和林區(qū)盜砍等犯罪的預(yù)防預(yù)警敏感度[14]，提高林區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)控力度及應(yīng)急響應(yīng)速度，把森林火災(zāi)造成的損失降到極低水平，有力地預(yù)防和打擊林區(qū)各種違法犯罪行為，提高國(guó)有林場(chǎng)科學(xué)管理現(xiàn)代化水平，建立文明發(fā)展相協(xié)調(diào)的生態(tài)林場(chǎng)，為生態(tài)環(huán)境安全和身體健康提供保障，將發(fā)揮顯著的社會(huì)效益。