森林公園景區可視化管理系統的設計與實現

劉 沖,叢曉丹,費 磊,畢海嬌

(1.伊春森工上甘嶺林業局有限責任公司,黑龍江 伊春 153000; 2.黑龍江省科學院智能制造研究所,哈爾濱 150000)

0 引言

當前,森林旅游已成為繼經濟林產品種植與采集業、木材加工與木竹制品制造業之后的第三林業支柱產業[1]。隨著信息化技術的發展,旅游業已呈現網絡化、散客化、大眾化發展趨勢。為實現景區旅游信息的網絡互聯及智能感知,森林公園景區管理與游客服務亟需數字化轉型。

森林公園景區可視化管理系統核心理念是通過數字技術合理開發利用森林公園資源,以提升旅游服務體驗為目標,建立數據可更新、資源可持續和產品可交互的一體化旅游資源管理平臺,實現森林公園的高效管理、智慧互動、網絡宣傳等功能[2]。①高效管理。通過三維數字化技術對森林公園景區進行全景建模,獲取詳實準確的森林公園地理信息數據,保障景區管理安全[3]。②智慧互動。以交互式一體機為互動終端,提供面向游客的景區一張圖旅游管理系統,使游客可自助獲取旅游資源分布、三維地理位置等信息。③網絡宣傳。森林公園景區可視化管理系統可關聯森林公園官方網站、官方公眾號、官方視頻號等,提高森林公園網絡知名度,有效宣傳森林公園文化特色[4]。

某國家森林公園總面積4580 hm2,地處小興安嶺中段、湯旺河流域,是一個集森林、濕地和溪流于一體的生態型國家森林公園。通過走訪調研,根據現有的開發工具及國家森林公園運營過程中對可視化管理系統的實際要求,制定國家森林公園三維可視化管理系統設計方案。總體設計流程如圖1所示,分為前期資料收集及整理、森林公園地理信息數據采集、森林公園空間數據庫建設、景區受眾體驗分析、景區旅游數據采集、森林旅游管理系統框架構建、可視化平臺客戶端交互設計、森林旅游管理系統運行及優化等流程。

圖1 森林公園景區可視化管理系統設計流程Fig.1 Flow of forest park scenic area visual management system design

1 關鍵技術

1.1 空間數據建模技術

高精度森林公園區域地理信息三維模型是森林公園景區可視化展示和管理的載體。傳統遙感測量技術采用垂直方向拍攝,只能獲得地物頂部的正射特征,無法獲取地物側面的三維信息和紋理。隨著低空遙感技術的快速發展,傾斜攝影技術采用低空無人機搭載的全畫幅圖像傳感器可高效準確獲取山林地區多角度高分辨率影像,通過關聯計算每張影像的飛行位置及姿態數據,準確構建地物三維信息,還原森林公園景區高精度可視化場景,全方位無死角展示景區游覽細節。空間數據建模流程如圖2所示。

圖2 森林公園景區空間數據建模流程Fig.2 Process of forest park scenic area spatial data modeling

傾斜攝影拍攝采用四旋翼無人機搭載全畫幅相機按照智能化軌跡進行多角度擺動拍攝。

空中三角測量,將采集的數據導入大疆智圖軟件,通過讀取輸入影像的定位信息、方位角元素及相機屬性參數,計算每幅影像的外方位元素和影像密集點的三維坐標,刪除連接點誤差較大和連接較弱的影像,生成高密度點云DSM數據。

TIN模型處理,針對空中三角測量得到的成果建立影像金字塔,構建具有不同細節級別的三角網絡模型(TIN)。

多視角紋理貼圖,自動提取每一位置點紋理信息,建立三角網格與紋理的相互關系,得到紋理清晰三維模型成果。

質量檢查貫穿于數據生產的各個過程,每一過程都要遵循相應標準,合格后方可進入下一流程。

1.2 基于GIS的森林公園空間數據管理技術

SuperMap GIS是面向各行業應用開發、二三維制圖與可視化、決策分析的大型GIS基礎軟件。作為目前國內最大的地理信息系統平臺,為國內外地理信息系統服務提供技術服務支持[5]。SuperMap GIS三維GIS開發包深度融合了二三維一體化GIS的空間調度管理能力與Unity3D游戲引擎的高保真可視化渲染能力,大幅提升大規模傾斜攝影三維模型的加載性能,快速構建高保真可視三維場景,支持30多種分析查詢及圖層交互功能。

GIS管理系統針對區域地理信息三維模型具備圖元、屬性、關系三類信息的特點,將空間數據模型擴充至GIS數據集,實現二三維圖元、地理實體屬性、地理實體關系三大要素的一體化組織及管理。針對實景三維數據提供6大基本功能:數據采集與輸入、數據編輯與更新、數據存儲與管理、空間查詢與分析、空間決策支持、數據顯示與輸出[6]。

森林公園景區可視化管理系統共分4個子系統,分別是等值線分析、可視域分析、定位坐標及空間測量。前2項為系統GIS管理功能,后2項為景區旅游宣傳管理功能。系統管理功能模塊如圖3所示。

圖3 系統管理功能模塊Fig.3 System management function module

2 系統的實現

某國家森林公園航拍面積2 987 600 m2。由于森林公園內地形條件復雜,最大飛行高度為180～250 m,設置航向重疊率75%、旁向重疊率80%,按預設航線飛行自動拍攝。共計飛行2架次,每架次10條航線,飛行時間約491 min,拍攝圖像17 771張,單張圖像分辨率為4500萬像素。單架次飛行航線如圖4所示。

圖4 飛行航線Fig.4 Airline

森林公園景區可視化管理系統包含4大功能板塊,即園區簡介、三維沙盤、景區導覽和全景漫游。園區簡介板塊介紹了公園基本情況,如圖5所示。通過景區一張圖數據管理系統將景區內的景點分區、推薦旅游路線、游客中心、露營空間、衛生站、出入口、洗手間等公共設施準確定位在GIS地圖中,整合多源信息,對設施狀態進行實時顯示。實現了景區資源管理、景區安全管理和游客信息服務多任務疊加。

三維沙盤板塊從地形、地貌、建筑物、植被、光照等多方面真實還原了國家森林公園主體區域場景,通過手指觸摸屏幕操作、單指滑動屏幕旋轉模型、雙指操作視角切換及縮放可達到身臨其境的游覽效果。三維沙盤板塊界面如圖6所示。具體功能包括等值線分析、可視域分析、定位坐標及空間測量。

圖6 三維沙盤板塊Fig.6 3D sand plate

等值線分析功能即根據模型柵格數據的像元值提取指定區域的的等值線,通過分層設色的方式展示區域模型高程變化。等值線分析功能如圖7所示。

圖7 模型等值線分析Fig.7 Model contour analysis

可視域分析功能即以選定觀察點位置為中心,調整視角水平和垂直的范圍區域,通過計算區域內模型分析出可觀視域空間,綠色區域為觀察點視線可觀空間,紅色區域為觀察點不可觀空間?？梢曈蚍治龉δ苋鐖D8所示。

圖8 模型可視域分析Fig.8 Model visibility analysis

定位坐標功能即通過獲取選取點的笛卡爾坐標,使用坐標轉換公式將笛卡爾坐標轉為經緯度坐標,進行實時顯示?？臻g測量功能主要包括距離、高程測量和面積測量。在三維模型空間中繪制需要測距的線段或平面圖形,即可快速計算出空間距離和圖形面積?？臻g測量功能如圖9所示。

圖9 模型空間測量Fig.9 Model space measurement

景區導覽模塊以列表形式展示了森林公園景區10個重要的分區景點。游客點擊景點名稱后的詳情按鈕,可快速瀏覽對應景點宣傳視頻和語音導覽信息,了解景點區域主題特色。景區導覽模塊界面如圖10所示。

圖10 景區導覽模塊Fig.10 Scenic guide module

全景漫游模塊分別展示了航攝和地面森林公園景區VR全景數據。VR全景圖層以樹形結構存儲在二維數據庫中,相鄰景點之間相互關聯。游客點擊指引箭頭即可順序瀏覽相應旅游路線的VR數據。全景漫游模塊界面如圖11所示。

圖11 全景漫游模塊Fig.11 Panoramic roaming module

3 結束語

利用傾斜攝影測量、數據庫、地理信息數據管理、互聯網通信等技術建立國家森林公園景區可視化管理系統,整合森林公園景區三維地理信息和數字化文化資源,在滿足國家森林公園日常旅游業務管理需要的同時兼顧未來生態旅游行業發展,為游客提供智能、友好、便捷的生態森林旅游體驗。