梵凈山保護區(qū)樣地三維可視化系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張維勇，黃 鶴，翁福洲，白少博，曹江雄，石 磊

(1.梵凈山自然保護區(qū)，貴州 銅仁 554400; 2.北京建筑大學，北京 102616; 3.中圖地理信息有限公司，北京 100054)

目前，隨著我國對林業(yè)的重視以及測繪新技術的不斷發(fā)展,很多高校和研究院所正在研究精準林業(yè)。由于我國在林業(yè)測繪以及多源數(shù)據(jù)處理技術相對滯后,導致了林業(yè)測繪從儀器設備、數(shù)據(jù)處理到技術理論一般要滯后于其他測繪行業(yè)5～10 a,特別是林地樣木監(jiān)測和后期信息維護差距較大，所以說我國在林業(yè)測繪上還談不上精準[1]。在數(shù)據(jù)采集方面仍多沿用傳統(tǒng)的靜態(tài)測量手段,用皮尺等測量樹干胸徑,在樹很高時還需要攀爬或是將樹伐倒才能進行測量,測量冠長、冠幅等樣木參數(shù)也很困難。傳統(tǒng)的測量方法破壞性較大,費時費力。同時針對多源樣木信息的數(shù)字化管理也并沒有一套完善的技術體系，存在樣木信息丟失、后期入庫數(shù)據(jù)冗余、三維可視化效果單一、無法全方位對樣木信息進行疊加分析等問題。隨著測繪科學技術的發(fā)展，現(xiàn)近測繪技術逐漸應用于林地測繪相關工作，如傾斜攝影測量技術可以為林地樣木長勢、健康狀況分析提供依據(jù)；激光點云可以用來擬合樣木的胸徑，方便后期針對性管理樣木等，這些都是其他技術手段無法替代的。與此同時，如何管理維護大量結(jié)構(gòu)復雜、多源異構(gòu)的樣木測繪數(shù)據(jù)，提高它們的可視化效果也是一個亟待解決的問題，而多源樣木數(shù)據(jù)的展示維護過程復雜，僅僅依靠人工管理難以在短時間內(nèi)完成并保證正確性。因此搭建樣地樣木數(shù)據(jù)管控平臺對樣木數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一入庫管理，以期實現(xiàn)更好的人機交互效果勢在必行。

1 梵凈山保護區(qū)樣地管理現(xiàn)狀

本研究選擇梵凈山保護區(qū)林地樣木作為觀測對象。該保護區(qū)位于貴州省東北部銅仁市的江口、印江、松桃三縣交界處(地理坐標為東經(jīng)108°45′55″～108°48′30″，北緯27°49′50″～28°1′30″)，位于我國云貴高原向湘西丘陵的過渡帶，是武陵山脈的主峰，保護區(qū)總面積43 411 hm2，處于我國亞熱帶中心，具有我國典型中亞熱帶季風山地濕潤氣候特征。特殊的地理位置和優(yōu)越的水熱條件，形成山區(qū)溫暖濕潤的環(huán)境，加之山體古老，地質(zhì)史上少受冰川影響，這里成了古老動植物的棲息地。據(jù)統(tǒng)計，保護區(qū)內(nèi)有原始森林2萬公頃得到有效保護，已查明區(qū)內(nèi)生物種類6 000多種，并分布有大量的珍稀瀕危野生動植物，其中以珙桐為代表的國家一級保護植物6種，以黔金絲猴為代表的國家一級保護動物有9種。另外，國家二級保護動植物物種共計52種。梵凈山豐富的物種資源為生物物種多樣性研究和保護提供了絕佳場所。本文利用無人機、三維激光掃描、360°全景技術采集樣地樣木數(shù)據(jù)，并以此為基礎建立信息化數(shù)據(jù)庫，通過DEM胸徑樹高提取、圖屬關聯(lián)、多維度索引等三維GIS技術實現(xiàn)梵凈山多源樣地樣木測繪數(shù)據(jù)管理平臺的研發(fā)，為樣木數(shù)據(jù)的存儲管控、三維瀏覽提供技術保障。

2 測繪新技術及數(shù)據(jù)采集處理

2.1 無人機

傾斜攝影測量是一項新型航測技術，一般采用無人機搭載傾斜相機同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同角度進行影像采集。不但能夠獲取建筑物的頂部信息，還可以同時獲取建筑物的側(cè)面信息，從而更全面的反映目標物體的真實情況。作為近些年測繪領域新興的數(shù)據(jù)采集平臺，無人機已經(jīng)開始逐漸取締傳統(tǒng)的測繪手段。在航空測量中，無人機依據(jù)其機動靈活的作業(yè)優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)外業(yè)有效結(jié)合，優(yōu)勢互補，有效提高外業(yè)測繪的工作效率，滿足人們對三維信息的需求[2]。

為了更直觀體現(xiàn)梵凈山樣地的整體性，本研究采用小型無人機以傾斜攝影的方式采集樣地影像數(shù)據(jù)，并利用相關建模軟件建立樣地三維模型。機型是配置有自發(fā)研制的5鏡頭的大疆精靈4無人機，能夠同時從五個不同方位采集影像以模擬傾斜攝影過程。所用設備如圖1所示。

圖1 五鏡頭消費級無人機

本次拍攝的梵凈山實驗樣地大約為30 m×30 m范圍，最大高差約為10 m。在飛行任務前，進行航線規(guī)劃。為了達到較好的建模效果，設置航高為50 m，航向重疊度為90%，旁向重疊度為80%，且將飛行區(qū)域外擴一航帶(圖2)。完成航線設計后即執(zhí)行飛行任務。在任務執(zhí)行過程中通過軟件系統(tǒng)實時監(jiān)控無人機的飛行位置、飛行速度、飛行高度，以及相機傳感器的拍攝畫面。樣地高空影像數(shù)據(jù)采集共耗時1 h左右，影像數(shù)量為612張，大小為2.3 GB。完成飛行任務后，檢查是否有航攝漏洞，如果出現(xiàn)要及時補拍。最后采用Context Capture軟件對獲取的影像進行處理。經(jīng)過添加照片、空三處理、模型重建、生成產(chǎn)品等相關步驟得到樣地的三維模型。

圖2 航線規(guī)劃示意圖

2.2 全景

全景技術是近年來涌現(xiàn)的新型虛擬現(xiàn)實技術，該技術采用基于圖像的渲染方式，利用全景圖像以立方體、柱面或球面投影的方式實現(xiàn)了一種偽3D效果，具備成本低、實現(xiàn)方便、展示效果逼真等優(yōu)點[3]。相比于單一圖像視角的缺陷，全景圖像包含了360°環(huán)視視角內(nèi)容，給管理者帶來全方位的視覺體驗?；谏鲜鰞?yōu)勢，全景技術很適合大型工程項目的展示，已在旅游景點、房產(chǎn)推介等領域得到了廣泛應用。本試驗樣地位于梵凈山視野開闊的山腰，樣木空間分布規(guī)律不明顯，因此，相比于采集車等大型設備，一個簡易的便攜全景相機適用性更強。本文所用的全景相機由6個GoPro運動相機自行組裝而成，可同時拍攝同一站點不同朝向的6張魚眼影像。利用PTGui軟件通過手動添加控制點的方式將拍攝的原始影像進行投影拼接，形成等距圓柱投影，最后使用Krpano全景制作插件對生成的全景圖進行分割、加工，制作出全景漫游即可在本地分享瀏覽，也能上傳到服務器發(fā)布成網(wǎng)頁，利用前端語言HTML5在漫游中根據(jù)需要加入一定的屬性信息，主要包括：(1)無縫過渡場景；(2)樣木的動態(tài)地標并始終顯示文字；(3)完善樣木屬性信息，并將其顯示在漫游系統(tǒng)中；(4)添加自定義鷹眼圖。全景相機和樣地整體漫游界面如圖3、4所示。

圖3 全景相機

圖4 樣地整體漫游

2.3 三維激光掃描

新興的三維激光掃描技術能夠通過記錄物體表面大量點的三維信息、顏色信息以及反射率信息進行三維模型重建，并將完整的模型儲存到電腦中，后期應用于不同領域。傳統(tǒng)的獲取樹木直徑數(shù)據(jù)是通過軟尺測量樹木周長，再通過計算而得，這種方法比較繁瑣，而且受測量手段的局限誤差大，只能保存單一的數(shù)據(jù)，既費時，又費力。本項目基于梵凈山樣地保護的三維激光點云對相關樣木的直徑進行了提取并在后期系統(tǒng)中展示保護區(qū)樣地中樹木三維激光點云模型。本次外業(yè)數(shù)據(jù)采集利用Riegl公司vz-2000三維激光掃描儀對樣地掃描，在掃描前踏勘樣地，大致確定需掃描的界限、路線以及架站和標靶的位置。布設標靶的現(xiàn)場環(huán)境如圖5所示。

圖5 測量現(xiàn)場控制標靶示意圖

從采集數(shù)據(jù)到得到樹木點云模型和胸徑、樹高等信息，大致可分三個步驟。

2.3.1 掃描 在現(xiàn)場直接對樣地樹林掃描，掃描前均勻分散放置標靶。掃描過程中使用掃描儀自帶的尼康照相機拍照，為建立內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)模型獲取更多的顏色數(shù)據(jù)。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理 內(nèi)業(yè)使用掃描儀自帶的數(shù)據(jù)處理軟件RISCAN對采集的點云進行處理。處理的步驟為：①手動初步拼接和軟件精密拼接，粗拼精度不超過2 cm，后期精密拼接精度控制在2～4 mm之間；②導出pts格式點云數(shù)數(shù)據(jù)；③通過CloudCompare點云處理軟件對最終數(shù)據(jù)進行切割去噪。

2.3.3 點云數(shù)據(jù)及樣木參數(shù) 樣木點云參數(shù)提取的前提是確定單株樣木的位置，本文利用Hough變換算法識別單木，進一步提取樣地點云數(shù)據(jù)中樣木的胸徑，并通過分層計算單株樣木不同切片的點云個數(shù)，擬合樹高，并將最終的擬合結(jié)果應用于后期平臺展示。具體算法與流程如圖6。

圖6 Hough變換算法流

(1)點云高度歸一化

樣木位置與胸徑的提取需對同一高度的樣木點云數(shù)據(jù)進行切片處理。

在此將不同高度的樣木進行歸一化處理。首先，將樣地點云數(shù)據(jù)生成0.1 m×0.1 m的DEM網(wǎng)格，統(tǒng)計出每個網(wǎng)格的高度值Zi；然后將所有點云的高度減去相對應DEM網(wǎng)格高度，即可將樣地內(nèi)不同高程的樣木數(shù)據(jù)歸算到高程為“0”的平面上。

(2)分層柵格化

由于保護區(qū)內(nèi)灌木較多，在原始數(shù)據(jù)采集時對樣木有一定的遮擋，不利于后期胸徑的擬合，所以，此處以擬合的DEM平面為基準，在IDL中從1.5 m處往上對樹干點云數(shù)據(jù)進行分層，層間距0.3 m，單層厚度10 cm，共分11層。并將分層后的數(shù)據(jù)以0.05 m×0.05 m的分辨率進行柵格化，最后根據(jù)每個體元內(nèi)的回波點個數(shù)確定像素灰度值。

(3)Hough變換算法進行圓擬合

由于本次掃描單株樣木胸徑在5～50 cm范圍內(nèi)，所以檢測半徑從2 cm開始，直到25 cm結(jié)束，步長為1 cm。根據(jù)樣地內(nèi)樣木分布的實際情況，把樣木胸徑處實際距離小于50 cm的認為是同一株單木[4]。識別出單木后，根據(jù)每一層點云數(shù)據(jù)中存在的多個圓心與半徑擬合出胸徑，做法如下：計算單株樣木不同高度處切片對應的所有圓心坐標的離散程度，刪除閾值小于5 cm的圓心坐標距離對應的圓心及其半徑，在剩余圓心及半徑中取距離各自圓心大概0.96～1.04倍半徑范圍內(nèi)的點云參與圓心O(x，y)平均值的計算，并將所有范圍內(nèi)點云到圓心距離的平均值設為這層圓的半徑。獲取每層的圓心及其對應的半徑后，可取1.4～1.5 m處計算的圓直徑為胸徑。Hough變換算法擬合前后的胸徑點云如圖7、8所示。

Hough變換算法計算得到多層樹干處的圓心可以擬合出一條直線，以距離直線一定范圍內(nèi)的點云為基礎進行樹高提取，即：以0.1 m厚度對點云數(shù)據(jù)進行垂直方向上的分層，自下而上遍歷每層點云數(shù)量并進行計算，若第n層開始，連續(xù)5層的點云數(shù)量均小于10，則樹高H=0.1 n,樹高如圖9。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體框架設計

作為一個以多源樣木測繪數(shù)據(jù)為基礎的數(shù)據(jù)管理平臺，本系統(tǒng)采用多層次C/S開發(fā)模式，邏輯上可分為用戶層、應用層、數(shù)據(jù)引擎層、基礎數(shù)據(jù)層。系統(tǒng)的設計在功能上滿足以下需求：支持多源樣木數(shù)據(jù)的統(tǒng)一入庫并依據(jù)索引建立空間相對管理； 通過相應的圖屬關聯(lián)對建庫數(shù)據(jù)進行快

圖7 胸徑處原始點云

圖8 Hough變換后胸徑處點云

圖9 樹高提取示意

速的檢索定位服務；支持多源樣木數(shù)據(jù)的安全快速實時多用戶訪問與共享；從可視化角度看，系統(tǒng)支持瀏覽Url全景數(shù)據(jù)并關聯(lián)相對應的樣木點云數(shù)據(jù)，可旋轉(zhuǎn)漫游，通過全景瀏覽樣地的點云數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體框架的層次化設計思想實現(xiàn)了不同層次的相互獨立性，保障了系統(tǒng)的高度穩(wěn)定性、實用性和擴展性。整體框架結(jié)構(gòu)如圖10所示。

(1)用戶層:與系統(tǒng)連接的外部實體，為用戶提供相應的交互界面，向應用層提交操作指令，并將操作結(jié)果返回在客戶端顯示。

(2)應用層:接受用戶層傳入的參數(shù)完成相應的操作，同時向數(shù)據(jù)庫發(fā)出指令，接受數(shù)據(jù)引擎層反饋的結(jié)果。

(3)數(shù)據(jù)引擎層:主要包括可視化引擎、重構(gòu)建模引擎、空間數(shù)據(jù)引擎。數(shù)據(jù)引擎層為應用層和數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)引擎通道，向下向數(shù)據(jù)層傳遞應用層發(fā)出的操作指令，向上反饋相應的數(shù)據(jù)引擎結(jié)果，實現(xiàn)相應的功能。

(4)數(shù)據(jù)層:該層是整個系統(tǒng)的核心，各類數(shù)據(jù)按照合理規(guī)范的數(shù)據(jù)標準進行統(tǒng)一入庫處理，組成基礎地理信息數(shù)據(jù)庫，并建立科學的數(shù)據(jù)庫管理機制。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

在該樣地樣木測繪數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)分為三個模塊：數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、三維瀏覽模塊。系統(tǒng)通過PostgreSQL開源數(shù)據(jù)庫提供API來實現(xiàn)與基礎底MaP3D_SDE及MaP3D_VE模塊的交互。樣木測繪數(shù)據(jù)的瀏覽工具插件也通過數(shù)據(jù)庫提供的API函數(shù)來編寫，結(jié)合空間數(shù)據(jù)庫的存儲調(diào)度、三維交互可視化等核心功能，實現(xiàn)多源樣木數(shù)據(jù)的入庫、輸出、創(chuàng)建索引、實時在線展示等功能[5]。

用戶界面與數(shù)據(jù)庫的連接則通過開源的功能類和函數(shù)庫來實現(xiàn)，例如OGR、Proj4等，包括空間操作、數(shù)據(jù)庫存取和空間數(shù)據(jù)可視化等，邏輯上以工程的形式組織多源樣木數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、無縫漫游等可視化操作，以及屬性和距離測量等功能?？蛻舳嗽赩isual Studio2010提供的集成開發(fā)環(huán)境上利用C#語言和Developer Express v2010 vol2編寫而成，以充分體現(xiàn)面向?qū)ο蟮奶厣?，易于使用。系統(tǒng)功能如圖11所示。

圖10 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖11 系統(tǒng)功能圖

(1)數(shù)據(jù)管理模塊：是本系統(tǒng)中最基礎也是最重要的模塊，主要提供數(shù)據(jù)的預處理、入庫、高程提取、索引建立等功能；對數(shù)據(jù)進行分割，并建立多維度索引機制，方便數(shù)據(jù)的管理，最終形成樣木的屬性信息數(shù)據(jù)庫。

(2)數(shù)據(jù)查詢模塊：主要通過關鍵字、圖形以及屬性之間建立的索引實現(xiàn)檢索定位服務，解決樣木信息管理混亂問題，在查看一棵樹對應的點云數(shù)據(jù)的同時能夠查看樣地區(qū)域內(nèi)所有樣木某高度區(qū)間的點云數(shù)據(jù)，通過點云數(shù)據(jù)與全景漫游之間的聯(lián)動更加直觀方便的管理樣木信息。

(3)三維瀏覽模塊：主要通過系統(tǒng)中的點選、框選、刪除要素、坐標網(wǎng)格等瀏覽工具對樣木數(shù)據(jù)進行樣木點云全景展示，并以樣木長勢提取日期為單位，建立時間軸，可以查詢?nèi)我獠杉瘯r間樣木的長勢情況。

目前，系統(tǒng)經(jīng)測試已在梵凈山樣地樣木管理中試用，并在規(guī)范性、實用性、安全性等方面表現(xiàn)良好，圖12、13分別是系統(tǒng)的運行界面，成功實現(xiàn)了樣木數(shù)據(jù)的安全管理和三維展示。

圖12 樣木點云全景聯(lián)動示意圖

圖13 樣木長勢分析圖

4 結(jié)論

本研究以現(xiàn)近測繪技術獲取梵凈山樣地多源樣木測繪數(shù)據(jù)并利用Hough變換算法成功對樣木參數(shù)進行了提取，還開發(fā)了多源樣木數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)，把保護區(qū)樣木數(shù)據(jù)通過三維可視化手段進行管理，較好地解決了多源異構(gòu)測繪數(shù)據(jù)的存儲及展示，在提高樣木數(shù)據(jù)利用率的同時，達到了更好的人機交互效果。