無人機遙感生態(tài)場景三維建模綜述

伍 毅，趙海盟，李宇波

（1.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站，南寧 530028；2.桂林航天工業(yè)學院廣西高校無人機遙測重點實驗室，桂林 541004；3.浙江大學信息與電子工程學院，杭州 310058）

1 引言

無人機首次出現(xiàn)在1917年，初期無人機主要是應用于軍事領域，比如用于作戰(zhàn)、偵察。從20世紀80年代以來，隨著信息技術的不斷發(fā)展，以及各種機載硬件傳感器的不斷改進與突破，使得無人機的性能得到了快速提升。特別是其運用的領域在不斷拓展，而且制約其續(xù)航時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，從而實現(xiàn)對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、制作流程復雜，生成的三維模型還原度不高、看起來不真實，以上不足使三維建模技術的發(fā)展受到很大的限制。但是隨著無人機遙感技術的不斷發(fā)展，利用無人機對建模對象進行多角度傾斜攝影，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、測繪領域得到廣泛應用。

生態(tài)場景三維可視化近幾年開始得到發(fā)展。由于生態(tài)場景復雜多變，地形、植被形態(tài)各異使得監(jiān)測場景極具層次化、立體化和復雜化。而無人機三維可視化不僅可以低成本展示當前生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)、類型等復雜多樣的組成，還可以提供一個便利的直觀顯示平臺，因此生態(tài)場景三維顯示對于深入了解生態(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 三維建模技術概述

三維建模技術通過多年發(fā)展取得了長足的進步，國外柏林、米蘭、馬德里、洛杉磯等多個城市的高分辨率三維城市模型已經(jīng)得到了廣泛應用。這些三維模型大都是利用低空無人機傾斜攝影，將采集到的遙感影像數(shù)據(jù)進行三維重建而成的。并且對大范圍區(qū)域的三維模型分割成均勻大小的區(qū)塊，之后建立細節(jié)層次分明的三維模型，最后將實景三維模型發(fā)布在能讓用戶實現(xiàn)網(wǎng)上在線瀏覽的平臺上。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，并通過無人機傾斜攝影三維建模技術用于城市管理、國土資源管理等方面。

目前市場上無人機三維建模方法主要是通過把采集到的無人機圖像或者視頻進行三維建模。通過在場景實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感的場景或者實景三維模型。隨著三維建模技術的不斷進步，系統(tǒng)平臺的處理能力越來越強大，自動化程度不斷提高，大大降低人力成本。因此三維建模技術和無人機遙感技術的結(jié)合，為層次化、立體化、復雜化的生態(tài)場景三維建模提供了良好的技術基礎。

3 無人機遙感生態(tài)場景三維研究內(nèi)容

無人機遙感生態(tài)場景三維可視化包含三部分內(nèi)容：首先利用無人機平臺和光學遙感載荷完成對所監(jiān)測區(qū)域的多角度、多層次的傾斜攝影數(shù)據(jù)采集，其次對采集到的數(shù)據(jù)，針對不同的場景特點，采用不同的模型進行三維建模，再次將三維模型與空間數(shù)據(jù)管理平臺以及測量的網(wǎng)絡虛擬地圖等進行集成[3]，同時把生態(tài)場景的生態(tài)信息，例如植被、人類活動等數(shù)據(jù)庫信息進行關聯(lián)，最后實現(xiàn)無人機遙感生態(tài)場景三維可視化總集成。

無人機遙感三維模型可以提供高度真實的任意視點的生態(tài)環(huán)境場景。但是，生態(tài)場景種類繁多、結(jié)構(gòu)復雜，在模型和可視化上存在巨大挑戰(zhàn)。目前三維建模技術包括基于過程和基于圖像的建模技術。其中前者主要通過無人機獲取有限參數(shù)來控制場景的建模過程，如L-system模型、分形方法和隨機過程等。后者主要是通過無人機獲取的圖像與繪制技術融合形成三維生態(tài)環(huán)境場景的建模，如宋鐵英等利用計算機圖形與圖像結(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，實現(xiàn)了雙視點樹木的三維模型構(gòu)建等[6]。

無人機遙感生態(tài)場景三維建模的流程包括：（1）內(nèi)業(yè)分析。前期以無人機遙感監(jiān)測區(qū)為目標，具體研究監(jiān)測區(qū)的地形、地貌、氣候變化等因素，合理設計航飛方案。在設計過程中，需要重點考慮控制點分布、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間，在監(jiān)測區(qū)布置前期確定的控制點，在無人機起飛且達到指定高度后進行外業(yè)航攝。（3）無人機獲取數(shù)據(jù)預處理。整理無人機影像和飛行日志，包括飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、影像獲取坐標點、控制點等數(shù)據(jù)，通過專業(yè)軟件形成生態(tài)場景的三維模型。（4）生態(tài)場景三維模型建立，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)場景的遙感解譯與顯示，分析監(jiān)測區(qū)的生態(tài)質(zhì)量[7]。具體流程如下圖1所示。

圖1 無人機遙感生態(tài)場景三維建模的流程

這里重點描述一下植被，因為植被是生態(tài)場景的重要組成部分，其三維可視化模型有多種，為了使計算機能夠高精度顯示植被的三維模型，需要對三維模型進行建造，基本操作技術包括：（1）物體繪制技術；（2）交換技術；（3）著色技術；（4）光照模型技術；（5）反走樣；（6）混合技術；（7）霧化技術；（8）紋理映射技術和（9）交互操作和動畫技術等。為實現(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)范標準，即可方便構(gòu)建三維場景，因此被常用于生態(tài)場景中植被的三維模型可視化工具[8]。

4 無人機遙感生態(tài)場景三維可視化在廣西的典型示范應用

目前廣西壯族自治區(qū)擁有各類自然保護區(qū)達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航空數(shù)據(jù)采集或者監(jiān)測。

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，包括應用無人機遙感生態(tài)場景三維建模技術，加強漓江風景名勝區(qū)的監(jiān)管，應用于沿江生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，以及對流域生態(tài)環(huán)境影響等。

采用中低空無人機航空遙感傾斜攝影技術，對漓江沿江山體、沿江碼頭、旅游設施、河道灘涂等進行實際無人機航空影像數(shù)據(jù)采集，然后對涉及到的生態(tài)場景進行真三維可視化實現(xiàn)，真實地再現(xiàn)了所拍攝區(qū)域的實際三維場景信息，這樣對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)場景三維圖如圖2所示。

圖2 漓江流域三維生態(tài)場景三維圖

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，建設為美麗的濕地公園。為了加強治理與監(jiān)管，對那考河濕地公園進行了無人機遙感數(shù)據(jù)采集，對公園場景進行三維建模，實現(xiàn)濕地公園的三維可視化監(jiān)管。2017年4月，習近平總書記在廣西考察調(diào)研時考察了那考河濕地公園，對那考河濕地公園生態(tài)綜合治理工作十分肯定。現(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。利用無人機遙感三維建模技術構(gòu)建的生態(tài)場景真實地還原實地狀況，進一步推動無人機遙感監(jiān)測技術在生態(tài)領域的應用起到示范作用。那考河濕地公園治理后生態(tài)場景三維圖如圖3所示。

圖3 那考河濕地公園治理后生態(tài)場景三維圖

無人機遙感生態(tài)三維場景監(jiān)測評價方法，以構(gòu)建三維模型為對象，定量分析人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響[9]。但是評價對象不像大氣、水等場景均勻且組成部分單一，而是具有強差異性特性、地域性強、類型和結(jié)構(gòu)極其復雜。因此對基于無人機遙感生態(tài)場景三維模型的監(jiān)測評價方法還有待進一步深入研究，同時也說明通過無人機遙感生態(tài)三維場景進行立體化生態(tài)監(jiān)測的應用前景十分廣闊。

5 結(jié)束語

綜上，針對目前廣西各自然保護區(qū)普遍存在的人力、技術等嚴重不足的問題，開展采用無人機遙感監(jiān)測技術，獲取自然保護區(qū)的三維場景與生態(tài)信息，對識別破壞性人類活動，獲取珍惜保護植物分布，以及保護廣西生態(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研發(fā)計劃“廣西自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測與技術示范（桂科AB18050014）”和國家自然科學基金（61841101）資助。