无人机低空遥感在复杂山地森林景区实景三维构建中的应用——以南岭国家森林公园为例*

谭金石 祖为国 刘 丽

（广东工贸职业技术学院，广东 广州 510510)

国家森林公园是一个国家最高级别的森林公园，是森林景观特别优美，人文景物比较集中，观赏、科学、文化价值高，地理位置特殊，具有一定的区域代表性，旅游服务设施齐全，有较高的知名度，可供人们游览、休息或进行科学、文化、教育活动的场所[1-2]。国家森林公园是一项世界性的人类自然文化保护运动，通过建立国家森林公园，对景观资源的保存与保护、资源环境的考察与研究及旅游观光业的可持续发展中发挥了重要作用。随着国家公园的保护理念与管理模式的不断完善，合理利用国家森林公园的生物、人文、天象、水文等各类景观资源发展森林旅游，已成为当前我国国家森林公园管理的重要内容[3]。对于森林公园的资源监测、管理及开发，早期主要是利用卫星遥感和地面人员巡山的形式，已不能满足森林公园现代化管理需求。

随着空间技术、虚拟现实VR 和增强现实AR技术的发展，将景区进行实景三维场景构建与可视化，能极大地增强旅游体验感，提高游客对自然景观与人文景观、历史与现实的认知及理解，这已成为数字旅游发展的主要方向。实景三维场景可真实地反映地物地貌的客观情况，如地物的外观、位置、高度等属性，弥补了传统航空摄影测量无法从多个角度获取地物三维信息的局限，被广泛用于自然资源、城建、水利、交通、旅游、地质、林业、电力、农牧等诸多领域[4-5]。目前，实景三维构建主要采用低空倾斜摄影的方法，研究对象主要是城市或居民区域，而对于大面积、复杂高山等的森林公园景区的三维场景研究较少。

本文利用低空摄影测量技术，借助低空无人机遥感平台，以南岭国家森林公园为例，研究大规模面积区域、复杂山地森林公园地区的航空摄影、数据处理及实景三维场景构建等技术，分析实景三维场景成果在森林公园的应用，为森林公园的信息管理系统和可视化提供重要的数据支撑，更好地服务于景区交互式、沉浸式的可视化体验，为森林公园的科学管理、规划、调查监测等提供重要支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本文试验区为广东省南岭国家森林公园，是广东省最大的自然保护区，是珍稀动植物宝库。位于广东省北部，乳源县、阳山县、乐昌市和湖南省宜章县两省四县交界处，处于南岭山脉的中心偏南地带，北与湖南莽山国家级森林公园相邻，西接连县大东山自然保护区，南为天井山林场和乳源南水湖水库，东有乳源必背瑶寨。东南距韶关市区70 km，北距坪石镇50 km，东离京珠高速公路大桥出口10 km，面积273 km2。本试验区选择中心区域面积约75 km2进行试验。

1.2 试验设备选型

试验区均为高山地形，面积约75 km2，高差约1 300 m，植被茂密。气候环境方面，试验区气候跟山脚下大不相同，上午11:00 时和下午16:00 时后雾气较大，不适合航空摄影。需要选择在11:00 时至16:00 时的时间段作业，因此，需要选择一种航时长、飞行速度快、采集效率高、起降方便的无人机。本文筛选出一款复合翼无人机，该型无人机在固定翼无人机的基础上进行改进，增加了4 个旋翼，在起飞、降落的过程中，以多旋翼模式，在起飞到一定高度后，切换到固定翼模式，因此该类型无人机兼顾固定翼无人机的飞行速度快、航程长、采集效率高、抗风能力强等特点，也继承了多旋翼无人机起降方便、转场方便等特点，是一款最佳无人机选择。本试验采用的复合翼无人机如图1 所示。

图1 复合翼无人机及相机Fig.1 Compound wing drone and camera

该无人机机身采用复合材料，质量轻，强度高，翼展2.36 m，机身长度1.6 m，续航2 h，最大飞行速度为30 m/s，荷载0.5-1.8 kg，具体的参数见表1。该无人机搭载Sony RX1R II（DSC-RX-1RM2）数码相机，35 mm 焦距，传感器为：Exmor R CMOS，传感器尺寸：3/2 全画幅（35.9×24.0 mm）， 有 效 像 素4 200 万，42 MB（7 952×5 304）。

表1 复合翼无人机技术参数Tab. 1 Technical parameters for composite wing drones

1.3 高山景区航空摄影

考虑到高山景区都是植被，没有房屋，利用复合翼无人机搭载Sony 相机以垂直朝下角度拍摄，大大提高采集影像和数据处理效率，同时保证实景三维建模质量和效果。根据对地形的考察，选择山顶为最佳的起飞和降落地，在11:00 时之前任务人员到达山顶，展开前期准备工作，主要是进行航线规划，即制定无人机飞行的路线和拍摄间隔。本试验采用开源的航线规划软件Mission Planner，根据场景空间位置精度和成图清晰度，设定地面分辨率为9 cm。根据相机焦距、像幅及航飞高度之间的等比例关系，确定飞行的高度约700 m。考虑到后续数据处理及建模过程中，照片之间的重叠与关联，将航向重叠度设定为75%，旁向重叠度设定为70%，即航向相隔537 m 拍一张照片，相邻航线相隔334 m。拍摄的摄影比例尺为1:20 000。由于高差较大，进行分区飞行，防止由于高差过大导致照片的分辨率相差过大，本测区分成2 个区域，如图2 所示，南北方向飞行航线为1 区，东西方向航线为2 区。实施过程中，用了3 个架次完成75 km2的景区低空摄影采集，面积分别为21、18、36 km2。总航程约380 km，飞行时间约5.5 h。

1.4 实景三维场景构建

无人机完成外业影像数据采集后，进行数据整理，包括把起飞、降落、拐弯等无效的照片进行删除，以防影响空三数据处理。用到无人机在拍摄照片瞬间的位置和姿态信息，即POS 数据。无人机通过控制程序，在触发相机拍摄的瞬间，飞控中记录当前瞬间位置和姿态，位置通过GPS获取，姿态通过内置陀螺仪来获取，并将每张照片和POS 记录一一对应。

图3 南岭国家森林公园实景三维Fig.3 Real 3D scene of Nanling National Forest Park

图4 实景三维模型局部放大Fig.4 Partial enlarged view of real 3D scene

利用无人机拍摄的照片和POS 信息，结合低空摄影测量技术，经过预处理、影像空三、密集匹配、DSM 生成、TIN 构网、纹理映射及LOD 模型生成等过程，得到实景三维模型。试验中借助Bently ContextCapture 实景三维建模软件来执行，该软件是一款专业的三维实景建模软件，利用照片创建规模宏大的三维实景模型。快速三维场景运算软件的整个过程无需人工干预，从简单连续影像中生成最逼真的实景真三维场景模型。具有快速、简单、全自动等特点，广泛的数据源兼容性和多种数据输出格式使其优势明显。模型成果采用层次细节模型（LOD），以保证任何配置的计算机均能流畅地显示地物模型，充分详细地表达地形地物细部特征。

数据处理过程中，首先将整理好的照片（JPEG，4 373 张）和POS 数据导入到软件中，并设相机参数（焦距、像元大小等），进行空三处理，恢复每张照片在拍摄瞬间准确的位置和姿态信息，利用该信息，结合摄影测量原理[6-9]，相邻照片进行影像匹配，生成密集点云，即数字表面模型DSM，点云进行三角网构建，生成TIN。对于每一个三角面，反求点所在的照片及准确位置，从中获取三角面对应的照片纹理，并完成映射。按此过程，直至完成所有三角网的纹理影像。模型的数据量比较大，为了利于数据的浏览和应用，采用LOD技术来组织。经过上述过程，完成了南岭森林公园的实景三维场景构建，整个测区的三维场景构建完成后，效果如图3 所示。模型清晰、真实，局部放大图如图4 所示。

2 结果与分析

2.1 场景建模精度分析

通过构建的南岭国家森林公园景区三维场景可以看出：三维场景的几何特征精细、逼真；将三维模型放大后，植被仍然纹理清晰、真实；模型不存在拉花、变形；在不同架次交接区域，存在色彩的不协调，经分析，由于两架次是上午和下午不同时间段拍摄，太阳光线和强度不一致，导致存在一定的色差。利用影像数据构建三维场景的过程中，根据空三精度报告可知，空中三角测量加密结果最大水平误差为0.2 m，中误差为0.07 m；最大垂直误差为0.23 m，中误差为0.08。该精度足够满足景区三维场景管理、森林调查及应用分析等精度要求。

2.2 成果应用分析

通过低空摄影测量生成的森林公园景区三维场景，可以用于景区的三维浏览、展示和管理。从模型上可以清楚看出，修路的工程对景区生态破环等影响。同时，数据可以用于森林资源调查与监测、碳汇计量、荒漠化和沙化土地、湿地资源监测、森林灾害监测、林业生态工程监测等，该方法可以作为信息获取与信息服务的新手段，为林业建设决策提供监测和效益评价信息。

3 结语

本文以南岭国家森林公园为试验对象，研究分析高山地形森林景区实景三维场景重建的方法。为了更好地进行森林公园的可视化管理、监测及科学开发，利用低空摄影测量技术进行景区三维场景重建。结合森林景区的地形特征和无人机的特性，筛选一款复合翼无人机作为低空遥感平台，研究了高山森林景区的航空摄影、实景三维场景构建的方法，该方法可以快速构建清晰、逼真、高分辨率的实景三维场景。利用该场景可方便任意角度、任意缩放的展示景区的真实场景。通过查看景区的顶视图信息和植被侧面的几何特征和纹理特征，直观展示森林公园的地形地貌，为景区管理员进行景区管理、监测、维护及开发等工作提供了数据支撑，为游客了解森林公园人文、自然风貌等提供非常直观、非常真实的虚拟场景，同时为森林公园景区规划、森林资源普查、景区各种自然植被现象仿真以及后续开发“智慧景区”管理系统的建设等提供基础数据，研究人员还可以利用数据进行基于光谱分析的植被类型和树种识别，三维建模森林蓄积估算等应用研究，具有巨大的市场价值与应用前景。

在后续的研究工作中，作者将继续深入研究低空无人机在林业方面的应用，如利用无人机激光雷达进行森林树木测量高，建立不同区域森林类型模型分析技术应用；利用无人机搭载多光谱相机进行林火监测、森林生化组成与健康状况的评价、叶面积指数估计、森林树种识别、森林郁闭度信息提取及外来物种监测等应用。