森林公园景区可视化管理系统的设计与实现

刘 冲,丛晓丹,费 磊,毕海娇

(1.伊春森工上甘岭林业局有限责任公司,黑龙江 伊春 153000; 2.黑龙江省科学院智能制造研究所,哈尔滨 150000)

0 引言

当前,森林旅游已成为继经济林产品种植与采集业、木材加工与木竹制品制造业之后的第三林业支柱产业[1]。随着信息化技术的发展,旅游业已呈现网络化、散客化、大众化发展趋势。为实现景区旅游信息的网络互联及智能感知,森林公园景区管理与游客服务亟需数字化转型。

森林公园景区可视化管理系统核心理念是通过数字技术合理开发利用森林公园资源,以提升旅游服务体验为目标,建立数据可更新、资源可持续和产品可交互的一体化旅游资源管理平台,实现森林公园的高效管理、智慧互动、网络宣传等功能[2]。①高效管理。通过三维数字化技术对森林公园景区进行全景建模,获取详实准确的森林公园地理信息数据,保障景区管理安全[3]。②智慧互动。以交互式一体机为互动终端,提供面向游客的景区一张图旅游管理系统,使游客可自助获取旅游资源分布、三维地理位置等信息。③网络宣传。森林公园景区可视化管理系统可关联森林公园官方网站、官方公众号、官方视频号等,提高森林公园网络知名度,有效宣传森林公园文化特色[4]。

某国家森林公园总面积4580 hm2,地处小兴安岭中段、汤旺河流域,是一个集森林、湿地和溪流于一体的生态型国家森林公园。通过走访调研,根据现有的开发工具及国家森林公园运营过程中对可视化管理系统的实际要求,制定国家森林公园三维可视化管理系统设计方案。总体设计流程如图1所示,分为前期资料收集及整理、森林公园地理信息数据采集、森林公园空间数据库建设、景区受众体验分析、景区旅游数据采集、森林旅游管理系统框架构建、可视化平台客户端交互设计、森林旅游管理系统运行及优化等流程。

图1 森林公园景区可视化管理系统设计流程Fig.1 Flow of forest park scenic area visual management system design

1 关键技术

1.1 空间数据建模技术

高精度森林公园区域地理信息三维模型是森林公园景区可视化展示和管理的载体。传统遥感测量技术采用垂直方向拍摄,只能获得地物顶部的正射特征,无法获取地物侧面的三维信息和纹理。随着低空遥感技术的快速发展,倾斜摄影技术采用低空无人机搭载的全画幅图像传感器可高效准确获取山林地区多角度高分辨率影像,通过关联计算每张影像的飞行位置及姿态数据,准确构建地物三维信息,还原森林公园景区高精度可视化场景,全方位无死角展示景区游览细节。空间数据建模流程如图2所示。

图2 森林公园景区空间数据建模流程Fig.2 Process of forest park scenic area spatial data modeling

倾斜摄影拍摄采用四旋翼无人机搭载全画幅相机按照智能化轨迹进行多角度摆动拍摄。

空中三角测量,将采集的数据导入大疆智图软件,通过读取输入影像的定位信息、方位角元素及相机属性参数,计算每幅影像的外方位元素和影像密集点的三维坐标,删除连接点误差较大和连接较弱的影像,生成高密度点云DSM数据。

TIN模型处理,针对空中三角测量得到的成果建立影像金字塔,构建具有不同细节级别的三角网络模型(TIN)。

多视角纹理贴图,自动提取每一位置点纹理信息,建立三角网格与纹理的相互关系,得到纹理清晰三维模型成果。

质量检查贯穿于数据生产的各个过程,每一过程都要遵循相应标准,合格后方可进入下一流程。

1.2 基于GIS的森林公园空间数据管理技术

SuperMap GIS是面向各行业应用开发、二三维制图与可视化、决策分析的大型GIS基础软件。作为目前国内最大的地理信息系统平台,为国内外地理信息系统服务提供技术服务支持[5]。SuperMap GIS三维GIS开发包深度融合了二三维一体化GIS的空间调度管理能力与Unity3D游戏引擎的高保真可视化渲染能力,大幅提升大规模倾斜摄影三维模型的加载性能,快速构建高保真可视三维场景,支持30多种分析查询及图层交互功能。

GIS管理系统针对区域地理信息三维模型具备图元、属性、关系三类信息的特点,将空间数据模型扩充至GIS数据集,实现二三维图元、地理实体属性、地理实体关系三大要素的一体化组织及管理。针对实景三维数据提供6大基本功能:数据采集与输入、数据编辑与更新、数据存储与管理、空间查询与分析、空间决策支持、数据显示与输出[6]。

森林公园景区可视化管理系统共分4个子系统,分别是等值线分析、可视域分析、定位坐标及空间测量。前2项为系统GIS管理功能,后2项为景区旅游宣传管理功能。系统管理功能模块如图3所示。

图3 系统管理功能模块Fig.3 System management function module

2 系统的实现

某国家森林公园航拍面积2 987 600 m2。由于森林公园内地形条件复杂,最大飞行高度为180～250 m,设置航向重叠率75%、旁向重叠率80%,按预设航线飞行自动拍摄。共计飞行2架次,每架次10条航线,飞行时间约491 min,拍摄图像17 771张,单张图像分辨率为4500万像素。单架次飞行航线如图4所示。

图4 飞行航线Fig.4 Airline

森林公园景区可视化管理系统包含4大功能板块,即园区简介、三维沙盘、景区导览和全景漫游。园区简介板块介绍了公园基本情况,如图5所示。通过景区一张图数据管理系统将景区内的景点分区、推荐旅游路线、游客中心、露营空间、卫生站、出入口、洗手间等公共设施准确定位在GIS地图中,整合多源信息,对设施状态进行实时显示。实现了景区资源管理、景区安全管理和游客信息服务多任务叠加。

三维沙盘板块从地形、地貌、建筑物、植被、光照等多方面真实还原了国家森林公园主体区域场景,通过手指触摸屏幕操作、单指滑动屏幕旋转模型、双指操作视角切换及缩放可达到身临其境的游览效果。三维沙盘板块界面如图6所示。具体功能包括等值线分析、可视域分析、定位坐标及空间测量。

图6 三维沙盘板块Fig.6 3D sand plate

等值线分析功能即根据模型栅格数据的像元值提取指定区域的的等值线,通过分层设色的方式展示区域模型高程变化。等值线分析功能如图7所示。

图7 模型等值线分析Fig.7 Model contour analysis

可视域分析功能即以选定观察点位置为中心,调整视角水平和垂直的范围区域,通过计算区域内模型分析出可观视域空间,绿色区域为观察点视线可观空间,红色区域为观察点不可观空间。可视域分析功能如图8所示。

图8 模型可视域分析Fig.8 Model visibility analysis

定位坐标功能即通过获取选取点的笛卡尔坐标,使用坐标转换公式将笛卡尔坐标转为经纬度坐标,进行实时显示。空间测量功能主要包括距离、高程测量和面积测量。在三维模型空间中绘制需要测距的线段或平面图形,即可快速计算出空间距离和图形面积。空间测量功能如图9所示。

图9 模型空间测量Fig.9 Model space measurement

景区导览模块以列表形式展示了森林公园景区10个重要的分区景点。游客点击景点名称后的详情按钮,可快速浏览对应景点宣传视频和语音导览信息,了解景点区域主题特色。景区导览模块界面如图10所示。

图10 景区导览模块Fig.10 Scenic guide module

全景漫游模块分别展示了航摄和地面森林公园景区VR全景数据。VR全景图层以树形结构存储在二维数据库中,相邻景点之间相互关联。游客点击指引箭头即可顺序浏览相应旅游路线的VR数据。全景漫游模块界面如图11所示。

图11 全景漫游模块Fig.11 Panoramic roaming module

3 结束语

利用倾斜摄影测量、数据库、地理信息数据管理、互联网通信等技术建立国家森林公园景区可视化管理系统,整合森林公园景区三维地理信息和数字化文化资源,在满足国家森林公园日常旅游业务管理需要的同时兼顾未来生态旅游行业发展,为游客提供智能、友好、便捷的生态森林旅游体验。