淺談無人機實景三維模型在森林防滅火中的應用

羅 號，李世榮，胡 黎，余紫瑩

廣東省嶺南院勘查設計有限公司，廣東廣州 510500

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

目前，森林火災綜合風險普查的開展情況作為一項重大的國情國力調查，是提高森林火災防治能力的基礎性工作。普查數據作為這項任務的重要成果，對今后防火能力提高及戰時人力、物力、財力部署都具有重要意義。為最大限度地發揮普查數據的應用價值，提出將普查數據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域展現出超高的應用價值，由于其具有操作難度低、飛行狀態穩定、應用場景多樣、勤務性好等特點，其在森林防火中得到廣泛應用，而其航拍產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品，是對人類生產、生活和生態空間進行真實、立體、時序化反映和表達的數字虛擬空間，為經濟社會發展和各部門信息化提供統一的空間基底。

實景三維通過在三維地理場景上承載結構化、語義化、支持人機兼容理解和物聯實時感知的地理實體進行構建[3]。從2019年開始，自然資源部多次就“實景三維中國”發文，旨在加快推進實景三維中國的建設。2019年，自然資源部公布《自然資源部信息化建設總體方案》，推進三維實景數據庫建設。2020年，全國國土測繪工作會議提出新時期測繪工作“兩服務、兩支撐”的根本定位，明確要求大力推動新型基礎測繪體系建設，構建實景三維中國。2021年8月11日，自然資源部辦公廳印發《實景三維中國建設技術大綱(2021版)》。2022年2月24日，自然資源部辦公廳印發《關于全面推進實景三維中國建設的通知》，明確到2025年，50%以上的政府決策、生產調度和生活規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合應用，并經過了實踐的檢驗。例如，2022年8月25日重慶森林火災，采用無人機測定火場的三維圖像，全方位獲取火場地理數據，制作三維地形圖、720°全景圖，精確呈現崎嶇的山體，山中的輸電鐵塔、水塘、民房、公路等設施；2022年9月14日永州森林火災及次日茶陵縣森林火災，湖南省自然資源廳應急測繪保障隊首次采用三維模型開展應急測繪保障，調用了無人機及高像素長焦載荷，順利完成火災區域影像采集，為本次森林火災事件的滅火指揮及后續防火監測提供了清晰立體的正射影像與三維模型等數據保障。

1 無人機傾斜攝影三維建模

1.1 傾斜攝影三維建模基本原理

傾斜攝影是以空間位置相互關系為基礎，依據攝影測量原理，在坐標系統中從不同距離內和不同方向拍攝照片，其核心是圖像的空間位置關系，原理是視點理論，即照片中所有圖像點的位置關系，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。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，在建模范圍內同時采集不同位置的垂直、傾斜圖像數據，該數據包括各拍攝點的多角度影像信息和對應的pos數據，其中pos數據是由飛控系統在相機拍照時自動生成的，與相片一一對應，它賦予了相片豐富的信息，包括經緯度、高度、海拔、飛行方向、飛行姿態等。數據獲取后，通過計算機三維建模技術，建立具有高形態、高細節、高紋理特征且帶有精確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場景的三維幾何結構，建立能真實還原實際場景的三維模型[5]。構建過程如圖1所示。

圖1 三維模型構建過程

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，根據自身需求和預算，可選擇適合工作開展的無人機及云臺相機。無人機方面，小范圍作業區可選擇大疆御2、精靈RTK等，特點是成本低，攜帶便捷，易于開展工作；中等范圍作業區可選擇大疆經緯M300，特點是作業高效，可適配多種云臺相機配合開展工作；大范圍作業區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，作業高效，且無需跑道即可完成起飛降落，單人即可作業。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的產品，但因五鏡頭相機綜合優勢明顯，傾斜攝影多采用五鏡頭相機進行作業，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，從而采集影像數據。目前，應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，在高速飛行中實現智能擺動拍攝，采集下、前、后、左、右5個不同方向的影像數據，通常配合大疆經緯M300無人機進行作業。

1.3 傾斜攝影三維建模軟件

傾斜攝影三維建模技術是一種基于傾斜攝影技術和計算機圖形學的高精度三維建模技術，通過采集影像數據，獲取完整準確的紋理數據和定位信息，然后經過傾斜攝影實景三維建模軟件分析處理，生成具有高形態、高細節、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，輸入數據源廣泛，具有高兼容性，能對各種對象各種數據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無限精細的細節[6]。PhotoScan是一款基于影響自動生成高質量三維模型的軟件，無需設置初始值，無須相機檢校，根據最新的多視圖三維重建技術，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，缺點是對數據處理的容錯率較低，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，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無人機航線規劃、實時建圖、二維測圖、三維建模等全流程一體化PC端產品，其三維建模是基于大疆點云重建算法的，將無人機采集數據可視化，生成三維點云數據，又經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量高的特點。

2 無人機實景三維模型在森林防滅火中的應用

2.1 普查數據在實景三維模型中的立體展現

相比傳統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，結合森林火災風險普查所調查形成的重要數據，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，通過將這些普查數據疊加到實景三維模型上，能夠獲得更加豐富的數據信息。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展趨勢，為科學指揮調度提供了重要的決策依據，有助于人們更好地應對森林火災的挑戰。

2.2 結合實景三維模型對普查數據進行更新

實景三維模型在完善普查數據方面具有顯著的作用。第一，普查數據是人為調查所得的，與實際現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、重要火源點等關鍵要素的位置信息及現狀，借此優勢，通過疊加實景三維模型，可以對普查數據進行查漏補缺，彌補數據中的不足之處，這種結合實景三維模型的數據更新方式，能夠使普查數據更加接近實際現狀，提升數據的準確性和實用性。

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生變化。通過實景三維模型的實時監測和更新，可以及時獲取這些變化信息，相應地調整普查數據。這種動態更新的方式使得普查數據始終保持與實際情況的一致性，為森林防火工作提供及時、有效的數據支持。

2.3 普查數據結合實景三維模型用于防火指揮調度

實景三維模型在防火指揮調度方面發揮著重要作用。通過將普查數據與實景三維模型進行疊加，能夠實現對物資、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全面掌握各種資源的分布情況，為后續的指揮調度提供重要依據。

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，實景三維模型科學規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，從而科學地調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。

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

通過利用實景三維模型進行指揮調度，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、有效的作業環境。同時，也使得指揮人員更加前瞻性地思考問題并制定相應的應對措施。

2.4 基于實景三維模型對森林火災進行復盤

森林火災復盤是指對防火指揮調度的過程進行重復，以主動思考其科學性和合理性，探究如何更加科學有效地進行指揮調度，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境，了解其特點和地形。然后，可以根據模型展示的林火蔓延情況，制定最優的人員調度安排、物資調度安排以及撲火方式。

在實景三維模型的幫助下，可以總結以往的經驗，吸取教訓，形成一套完整的森林火災撲救復盤報告。這份報告不僅可以為下一次森林火災的應對提供參考和指導，還可以幫助人們不斷完善和優化防火指揮調度策略，提高應對森林火災的能力。

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

2.5 實景三維模型被用于山林生態修復

實景三維模型在山林生態修復方面發揮著至關重要的作用。它能夠清晰、準確地反映火災受損的范圍及受損的嚴重程度。通過調取火災前后同一地點的三維圖像進行對比分析，結合受災區的坡度、坡向、坡位等地理信息，以及林木的受損情況，能夠科學、合理地制定受災區生態修復方案。實景三維模型為火災后的山林生態修復提供了有力的技術支撐，使得修復工作更加精準、高效。

3 結束語

提出一種將實景三維模型應用在森林防火中的方法，相較于傳統二維影像數據，能提供更加直觀、真實的立體展現，加之近兩年我國高位推動森林火災風險普查，兩者若能進行有機結合，將對有效遏制森林火災和最大限度地保護森林資源起到重要作用。如今，無人機的應用已滲透各個行業，在林業防火中的應用雖然已在部分地區得以實施，但仍處于探索階段，也未在全國范圍內實現普及，無人機的應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。