李默然

(貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，貴州 貴陽 550003)

建設(shè)森林城市是促進(jìn)城市生產(chǎn)和良好生態(tài)環(huán)境全面發(fā)展的重要途徑。加強(qiáng)城市生態(tài)建設(shè)，營(yíng)造良好的人居環(huán)境，弘揚(yáng)生態(tài)文化，提高城市質(zhì)量，是促進(jìn)人與自然和諧相處的重要舉措。無人機(jī)傾斜攝影作為一項(xiàng)新興測(cè)繪技術(shù)，以其高速靈活、高效可靠、高精度等優(yōu)點(diǎn)在數(shù)字城市、智慧城市等領(lǐng)域建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]，關(guān)于森林城市總體規(guī)劃的應(yīng)用卻鮮有研究[3]。以大疆精靈4RTK為例，選擇貴州省江口縣城區(qū)內(nèi)部分區(qū)域作為試驗(yàn)對(duì)象，通過無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行現(xiàn)地照片的采集以及后期三維模型的構(gòu)建，闡述大疆無人機(jī)搭載DJI GS RTK App航線飛控軟件的操作并對(duì)比分析生成的三維模型的精度，為森林城市生態(tài)體系建設(shè)、智慧管理、城區(qū)三維模型數(shù)據(jù)獲取等方面應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)概況

江口縣位于貴州省銅仁市中南部，地跨東經(jīng)108°30′～109°06′，北緯27°27′～27°58′。東鄰碧江，南抵岑鞏，西毗石阡，北連松桃，西北接印江。距貴陽市412 km，距銅仁52 km，省道S303、S305通過縣域境內(nèi)。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，光照充足，雨量充沛，年均總積溫5 941 ℃，年均溫16.2 ℃，年均降水量1 369.6 mm，雨季長(zhǎng)達(dá)6.5個(gè)月，年均總?cè)照? 257.3 h，全年相對(duì)溫度81%，年均蒸發(fā)量664.5 mm。全縣戶籍人口總數(shù)24.8萬人，其中城鎮(zhèn)人口8.9萬人，年末常住半年以上人口數(shù)(常住人口)17.6萬人，森林覆蓋率77.00%，2019年末通過省級(jí)森林城市專家組的評(píng)估驗(yàn)收。

2 試驗(yàn)設(shè)備

本次研究使用的無人機(jī)為大疆精靈4 RTK，是目前國(guó)內(nèi)航測(cè)較為主流的消費(fèi)級(jí)航拍無人機(jī)之一。相機(jī)鏡頭為FOV 84°；8.8 mm/24 mm(35 mm格式等效)；光圈 f/2.8～f/11；帶自動(dòng)對(duì)焦(焦點(diǎn)無窮遠(yuǎn))；圖像傳感器1英寸CMOS；有效像素2 000萬(總像素 2 048 萬)；3軸云臺(tái)(俯仰、橫滾、偏航)。衛(wèi)星定位模塊為GPS/GLONASS雙模；理論續(xù)航時(shí)間28 min。使用的地面站軟件為DJI GS RTK App，主要用于為區(qū)域內(nèi)進(jìn)行飛行任務(wù)的無人機(jī)制定飛行計(jì)劃。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 航線設(shè)計(jì)

控制器設(shè)備注冊(cè)登錄后綁定DJI賬號(hào)，在飛行模式中，選擇3D五向飛行。按照任務(wù)需要規(guī)劃好飛行區(qū)域邊界(圖1)，高度70 m，速度5.5 m/s；斜射高度100 m，斜射角度-60°，速度6.0 m/s，旁向重疊率70%，航向重疊率80%，拍攝方式為定時(shí)拍攝，照片比例3∶2，測(cè)光模式為平均測(cè)光。設(shè)置完成后，彈出確認(rèn)界面，確認(rèn)無誤后，調(diào)用任務(wù)，拖動(dòng)滑動(dòng)條，無人機(jī)自行開始傾斜攝影航拍任務(wù)。

圖1 規(guī)劃航線界面

按規(guī)劃的航拍線路，從起始點(diǎn)由既定速度勻速飛至終點(diǎn)，完成空中拍攝。該無人機(jī)在空時(shí)間約為11 min。一次起飛，飛行面積1 462.8 m2，獲得了無人機(jī)航拍有效照片257張。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)獲取的航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理以及檢查工作，內(nèi)容主要包括照片質(zhì)量和文件格式、照片重疊度、GPS記錄管理信息與照片對(duì)應(yīng)關(guān)系。為確保圖像顏色符合生產(chǎn)要求，原始圖像需要均勻。處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)保證與測(cè)區(qū)色調(diào)整體一致，且每張照片不偏色。

3.3 實(shí)景三維模型生成

為對(duì)比三維輸出效果，分別以pix4d和ContextCapture為數(shù)據(jù)建立處理技術(shù)平臺(tái)，將從影像中獲得的紋理特征信息和幾何結(jié)構(gòu)模型分析結(jié)合，采用高精度一體化的自動(dòng)建模技術(shù)，以測(cè)區(qū)幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立測(cè)區(qū)三維模型(圖2，圖3)，設(shè)立WGS-84 coordinate system世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)，將模型按照該坐標(biāo)系進(jìn)行輸出，構(gòu)建江口縣城部分區(qū)域的實(shí)景三維模型，并在LocaSpaceViewer平臺(tái)中加載模型進(jìn)行對(duì)比及質(zhì)量評(píng)價(jià)。

圖2 pix4d軟件空三測(cè)量處理

圖3 ContextCapture軟件空三測(cè)量處理

4 結(jié)果與分析

4.1 三維模型質(zhì)量評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證和評(píng)價(jià)三維建模的幾何質(zhì)量，將模型按照建筑物、交通工具、森林、道路河流、農(nóng)耕地等類型分解到基元面，以局部精度評(píng)估整體質(zhì)量。三維模型實(shí)景成果展示見圖4和圖5。

圖4 三維模型實(shí)景成果整體展示

圖5中左側(cè)為pix4d輸出的三維模型，精度等級(jí)為最高，格式為.obj；右側(cè)為ContextCapture 輸出的三維模型，精度等級(jí)為最高，格式為.osgb。放大影像，從目視效果來看，右側(cè)地物還原度較高，生成模型棱角分明。這些信息對(duì)于土地利用的監(jiān)測(cè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。選取接邊處道路的錯(cuò)動(dòng)最大距離進(jìn)行測(cè)量，并將該距離作為接邊處的精度誤差。整體而言，接邊誤差可控制在0.7 m以內(nèi)。該誤差可隨照片重疊率及飛行高度等因素進(jìn)一步降低。

圖5 三維模型實(shí)景成果細(xì)節(jié)展示

4.2 模型精度分析

由于ContextCapture 輸出的三維模型質(zhì)量較好，土地利用信息豐富。房屋、林地、道路、湖泊、草地等清晰可見，也易判讀提取。在現(xiàn)地選取幾處明顯地物進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，同時(shí)在ContextCapture 輸出的三維模型上選取對(duì)應(yīng)同地物點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，分別測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的直線距離。以實(shí)地的距離為真值，模型上的距離與真值的差值即為誤差值，差值占真值的百分比即為誤差(表1)。

由表1可知，模型的誤差均在2%以內(nèi)。

表1 誤差分析

4.3 效率分析

該試驗(yàn)的數(shù)據(jù)獲取時(shí)間約25 min。包括無人機(jī)起飛前準(zhǔn)備時(shí)間約10 min，飛行航拍時(shí)間約11 min，飛后整理時(shí)間約4 min。1人負(fù)責(zé)飛行及航拍。數(shù)據(jù)處理需1人/d。通過該試驗(yàn)，三維模型覆蓋地面的面積為91 418 m2。由此可見，該三維模型不僅時(shí)效性極強(qiáng)，而且獲取成果周期短，效率高。

4.4 實(shí)用性分析

LocaSpaceViewer是一款專業(yè)的3D數(shù)字地球軟件，具備便捷的影像、高程、傾斜攝影數(shù)據(jù)瀏覽功能。用戶利用該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)模型瀏覽、測(cè)量和分析測(cè)區(qū)范圍內(nèi)三維地理信息數(shù)據(jù)[4]。對(duì)于森林城市規(guī)劃中需要測(cè)算的建成區(qū)內(nèi)的水岸綠化率、道路綠化率、立體綠化率等指標(biāo)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量(圖6，圖7)。

圖6 基于LocaSpaceViewer平臺(tái)測(cè)定喬木層南北冠幅

圖7 基于LocaSpaceViewer平臺(tái)測(cè)定喬木林地面積

5 結(jié)論

該研究探索了基于DJI GS RTK App飛控軟件進(jìn)行傾斜攝影照片采集。對(duì)pix4d和ContextCapture兩款數(shù)據(jù)處理平臺(tái)獲取森林城市三維模型的精度進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，ContextCapture導(dǎo)出的3D模型及地物信息相比于對(duì)pix4d更加清楚、精細(xì)，在山區(qū)小范圍土地利用類型判別及森林城市生態(tài)體系建設(shè)、智慧管理、城區(qū)三維模型數(shù)據(jù)獲取等方面具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值[5]。