无人机倾斜摄影辅助“GIS+”在智慧林业防火中的应用

冯幼贵, 邢著荣, 任维成

(1.山东正元航空遥感技术有限公司，山东 济南 250100;2.山东农业工程学院，山东 济南 250100)

基于无人机倾斜实景模型的GIS数据采集，已经广泛用于林区监测、基础测绘、不动产确权、旧城改造、农村宅基地等各类业务，因其高效便捷、外业工时低、成果丰富等优势深得关注[1]。

森林资源作为地球上最重要资源之一，是生物多样化的基础及人类赖以生存和发展必不可少的资源。然而近年的气候变暖和人为因素，森林火灾发生频率不断增高[2,3]。中国森林资源相对匮乏，火灾的频繁发生更是对国家林业生态环境和产业经济构成严重影响。为巩固和发展生态旅游城市，森林资源保护任务艰巨，因此，提升森林防火监控系统水平显得尤为重要。

依托自主研发三维Genius World平台，采用无人机倾斜摄影获取林区数据，为护林员巡检快速、准确的发现森林火警，并对火警情况进行清晰、直观的呈现，有利于林区领导及工作人员能够在第一时间掌握完整资料，快速做出紧急响应和准确决策[4]。本文将以无人机倾斜摄影测量实景真三维建模技术为研究对象，分析其在智慧林业防火中的应用。

1 无人机倾斜摄影系统

1.1 无人机简介

在林区采用无人机倾斜摄影系统是CW-10小型全电动垂直起降固定翼无人机，飞机具有垂直起降、全自主飞行、操作简单、零基础上手使用等优势，适用于单人作业；连接结构采用快锁装置，拆装过程无须工具，电气和机械连接一次同步；拆解后可装入1 100 mm×800 mm×800 mm包装箱，运输携带方便。

1.2 传感器简介

在林区采用的RIY-DG3是一款多用途的倾斜摄影相机(图1)，具有重量轻、体积小、焦距合理、兼容性高、维护成本低等一系列优点，且DG3内置散热和除尘系统，能够保证了相机在高温环境下长时间作业[5-7]。同时可以安装在各种多旋翼无人机上做高精度倾斜数据采集。

2 研究区及数据获取与制作

2.1 研究区

研究区位于厦门市集美区西北部，辖区总面积5 076.5 hm2，林区森林覆盖率达97.5%，绿化率99%，森林活立木蓄积量达43万m3。

2.2 技术路线

2.2.1 根据测区的地形、地貌条件，制定合理的航摄计划，采用倾斜摄影系统和惯导辅助航空摄影测量技术，选择有利飞行时机，获取测区最佳航空影像数据。

2.2.2 在测区已有的基础控制成果的基础上，利用GPS-RTK技术进行像控测量。

2.2.3 三维建模人员利用可量测的倾斜影像、POS数据以及像控点，使用三维建模软件进行全景三维模型的自动化建模。

2.2.4 整理相应数据和文档进行提交。

具体技术路线见图2。

图2 三维实景模型制作流程图

2.3 数据获取与制作

2.3.1 数据获取 利用CW-10无人机，搭载锐眼Riy-DG3第二代倾斜摄影五镜头吊舱进行研究区倾斜数据采集,获取多角度倾斜影像数据；同时获取系统记录的POS数据；结合所选相机得到焦距、像素等参数；研究区像控点文件。根据航飞分区图，按照设定好的航线图从五个方向采集影像，包括正射影像和四个倾斜角度的影像。林场三维建模采用ContextCapture Center Master自动建模系统进行实景三维模型的制作，该系统通过对高重叠度的倾斜影像进行空三加密[8]，密集匹配等过程，最终生成三维模型。整个过程具有快速、简单、自动等特点，支持多种数据输出格式，数据兼容性好。模型成果中，建筑物的纹理及其空间关系均采用分层显示技术(分层大于20层)，以保证在不同配置计算机上均能详细表达建筑物局部特征及流畅展示整个地物模型。

2.3.2 照片导入 通过ContextCapture Center Master软件的Photo菜单加载影像文件导入选择的照片或文件夹导入全部照片，设置传感器大小和焦距等参数。同时可选择通过import blocks导入整理好的EXECL表格，即可直接加载显示对应照片组的相关信息[9]。

2.3.3 像控点输入 在Control points菜单编辑控制点，在控制点的编辑过程中，先选择成果所需的空间参考，如果所需空间参考系在空间参考库中无法找到，可以自定义空间参考系。输入控制点信息，并在每个控制点下添加对应的影像(每个相机的影像至少一张)并标志控制点所在具体位置，保存控制点信息。

2.3.4 自动化空三加密 在ContextCapture Center自动建模系统中加载研究区航摄影像，结合外业采集的像控点坐标，采用光束法区域网整体平差原理，以一张相片组成的一束光线作为一个平差单元，以共线方程作为基础方程，通过光线束的旋转和平移，实现模型光束的最佳交会，最终恢复地物间的空间位置关系[10]。

2.3.5 影像密集匹配 软件基于高精度的影像匹配算法，从立体像对中自动匹配出同名点及高密度三维点云，使得地物细节的表达更清晰准确[11,12]。影像密集匹配使得地物复杂、建筑物密集地方，点密度高，地物简单、建筑物少的地方，匹配点相对稀疏。

2.3.6 纹理映射 基于上述影像密集匹配结果，由空三加密建立的影像之间的三角关系构成不规则三角网(简称TIN,即Triangulated Irregular Network)，再由TIN构成白模，结合软件计算的影像纹理，进而将纹理映射到对应白模上，形成真实的三维场景[13]，如图3所示。

图3纹理映射成果例图

2.3.7 三维成果输出 利用软件输出制作国家2000大地坐标系下的三维成果(格式为OSGB)。

3 实景三维模型在智慧林业防火中应用

3.1 Genius World平台及其特性

Genius World是团队完全自主研发的、不借助于第三方商业引擎或插件的三维发布平台，在数据安全性、二三维一体化、数据更新、三维自动建模等方面有效弥补现有国内外三维GIS平台的劣势。同时根据本项目的需要还可以在该三维平台上做定制开发，即基于最新的林场三维可视化数据并融合最新的资源数据，建立了林场三维可视化综合管理服务平台。该平台是一款支持海量三维GIS数据的输入、编辑、浏览、分析、检索、共享、发布等服务一体的软件平台。可支持“数据-软件-服务-应用”等功能。支持网络环境和单机应用，便于个性化的三维GIS制作[14]。

通过整合林业、资源、地质等最新专项信息数据，导入Genius World平台，为智慧林业综合管理平台提供基础性、全方位的空间管理解决方案。

Genius World平台具有以下独特特性：

3.1.1 海量影像数据的显示 随着遥感技术的不断更新发展，遥感影像分辨率越来越高、获取周期越来越短，从而造成影像数据量以几何级数成倍增长，使得海亮的数据在显示流畅性上存在问题。Genius World则可支持海量影像数据的快速显示，同时可对多时相数据进行展示与对比。

3.1.2 海量矢量数据的显示 在实际生产工作及GIS分析中，二维矢量数据起着举足轻重的作用，但由于部存在分三维平台的功能限制，在展示与应用中存在问题。Genius World软件可支持海量的矢量数据快速显示，同时可对多层矢量数据共同展示并分图层进行分级管理，有利于矢量数据的叠加展示及进一步应用分析。

3.1.3 海量模型数据的显示 高精度真三维模型具有数据量大、真实感强、精度高等特点，Genius World软件平台可实现海量三维模型数据的浏览和管理，室内、街区、城市、全球等不同区域进行实时、连续和平滑浏览展示。

同时Genius World软件平台对传统的三维模型数据可视化技术进行了流程和算法的优化，在数据裁剪技术、动态装载、多细节层次模型绘制等技术方面具有其独特的领先性，具体表现如下：

在数据裁剪技术上，充分利用空间的连贯性，采用实时遮挡裁剪算法,提前去掉场景中的不可见部分，省去对齐进行的不必要处理，大大提高了城市建筑景观的实时处理效率。

在数据动态装载方面，融合了基于数据分层、分块和数据页动态更新算法，实现多层次、大范围的城市场景实时描绘。

在多细节层次模型渐进绘制方面，优化场景绘制刷新频率，更新绘制场景内容。

3.2 智慧林业防火中的应用

3.2.1 定位功能 系统为用户提供了三维坐标定位、地名定位、火点定位以及二维地图的地名定位、坐标定位(输入经纬度十进制坐标)等多种定位功能。

3.2.2 查询功能 系统为用户提供了摄像头查询、物资库查询、防火哨卡查询、指挥中心查询、消防队、水源地等救援力量的查询功能。在进行查询功能之前需要先设定搜索半径，然后点击摄像头查询或者其他救援力量查询，然后在地图上点击。就会查询到相应的信息。救援力量查询：先预设搜索半径，选择列表中的相关查询内容，然后点击救援力量查询，在地图上点击位置之后，就会搜索出相应的信息。

3.2.3 最短路径分析 系统为用户提供了根据地名已知坐标进行路径分析的功能。

地名分析：输入起止点名称，点击最短路径，在地图上会找到最短路径。

经纬度分析：输入起止点的经纬度，点击最短路径，在地图上会找到最短路径。

3.2.4 辅助决策 当发生火情时，可以通过辅助决策功能对事故点周边进行查询分析，找到周边的救援力量、物资库、指挥中心等。点击辅助决策，然后在地图上点击事故点位置，会检索出事故点周边的相关救援力量，以及救援物资库的存储信息、相关的应急预案、救援队伍、油库军用设施等信息。

3.2.5 巡检管理

(1)巡检路线查看。结合实际防火项目及巡检目的查看，在软件平台上，可选择定位巡检路线，实时查看路线情况，任务结束可选择删除巡检路线。

(2)定制巡检路线。结合三维模型，基于软件平台，选择巡检人员，通过巡检路线定制按钮，可在三维模型地图上绘制和编辑修改巡检路线。

(3)巡检事件查看。巡检事件查看是对事件进行的回访和查看，在软件平台上，可依次查询巡检管理的巡检事件上传，然后寻找巡检管理模块的巡检事件上传下拉框，按照巡检人与上传时间信息选择，点击巡检事件查看按钮，就会定位到巡检人员上传图片的位置。

4 结论与展望

利用倾斜摄影技术获取研究区的原始倾斜影像，结合三维建模软件完成林区实景三维模型的制作。将三维实景数据导入自主研发的Genius World平台，辅助GIS技术在智慧林业防火中应用。

在经济效益上，无人机倾斜摄影辅助GIS技术在智慧林业防火中应用将对林业资源的现状进行无死角的掌控，对林业的总体发展规划进行跟进与复核，对辖区林地的违法犯罪行为进行智能判读、自动监控，对森林火警、林区地质灾害进行全面实时监测预警，保障林区的平安，维护森林生态稳定，促进森林资源的可持续经营，对于我市具有不可估量的经济价值和效益。

在社会效益上，通过GIS平台软件对其进行深度应用开发，为林场各项业务提供系统、完整的解决方案与服务，增强林地及林业资源的可视化智能监测能力，大大提升森林火灾和林区盗砍等犯罪的预防预警敏感度[14]，提高林区地质灾害的监控力度及应急响应速度，把森林火灾造成的损失降到极低水平，有力地预防和打击林区各种违法犯罪行为，提高国有林场科学管理现代化水平，建立文明发展相协调的生态林场，为生态环境安全和身体健康提供保障，将发挥显著的社会效益。