Industry Observation
产业观察
DCW
23
数字通信世界
2019.06
1 引言
无人机首次出现在1917年，初期无人机主要是应用于军事领域，比如用于作战、侦察。从20世纪80年代以来，随着信息技术的不断发展，以及各种机载硬件传感器的不断改进与突破，使得无人机的性能得到了快速提升。特别是其运用的领域在不断拓展，而且制约其续航时间和载荷重量的问题得到大幅度改善。 三维可视化是指在人的大脑中形成某一具体事物的三维图像，从而实现对该事物的洞察力及概念等[1]。
传统的三维建模制作周期长、工作量大、制作流程复杂，生成的三维模型还原度不高、看起来不真实，以上不足使三维建模技术的发展受到很大的限制。但是随着无人机遥感技术的不断发展，利用无人机对建模对象进行多角度倾斜摄影，获取具有重叠率的影像，结合得益于信息技术快速发展的各种处理算法，得到高分辨率、高品质材质颜、高清晰度的三维模型，在国土资源、城市建设、测绘领域得到广泛应用。 生态场景三维可视化近几年开始得到发展。由于生态场景复杂多变，地形、植被形态各异使得监测场景极具层次化、立体化和复杂化。而无人机三维可视化不仅可以低成本展示当前生态环境的结构、类型等复杂多样的组成，还可以提供一个便利的直观显示平台，因此生态场景三维显示对于深入了解生态环境和人与自然的可持续发展都有着重要意义[2]。 2 三维建模技术概述
三维建模技术通过多年发展取得了长足的进步，国外柏林、米兰、马德里、洛杉矶等多个城市的高分辨率三维城市模型已经得到了广泛应用。这些三维模型大都是利用低空无人机倾斜摄影，将采集到的遥感影像数据进行三维重建而成的。并且对大范围区
域的三维模型分割成均匀大小的区块，之后建立细节层次分明的三维模型，最后将实景三维模型发布在能让用户实现网上在线浏览的平台上。在我国很多城市已经开展了基于倾斜摄影的三维城市研究，
并通过无人机倾斜摄影三维建模技术用于城市管理、国土资源管理等方面。
目前市场上无人机三维建模方法主要是通过把采集到的无人机图像或者视频进行三维建模。通过在场景实践拍摄中的一系列具有一定重叠度的图像就可以建立出具有和图像一样真实感的场景或者实景三维模型。随着三维建模技术的不断进步，系统平台的处理能力越来越强大，自动化程度不断提高，大大降低人力成本。因此三维建模技术和无人机遥感技术的结合，为层次化、立体化、复杂化的生态场景三维建模提供了良好的技术基础。
3 无人机遥感生态场景三维研究内容
通讯加密无人机遥感生态场景三维可视化包含三部分内容：首先利用无人机平台和光学遥感载荷完成对所监测区域的多角度、多层次的倾斜摄影数据采集，其次对采集到的数据，针对不同的场景特点，采用不同的模型进行三维建模，再次将三维模型与空间数据管理平台以及测量的网络虚拟地图等进行集成[3]，同时把生态场景的生态信息，例如植被、人类活动等数据库信息进行关联，最后实现无人机遥感生态场景三维可视化总集成。
无人机遥感三维模型可以提供高度真实的任意视点的生态环境场景。但是，生态场景种类繁多、结构复杂，在模型和可视化上存在巨大挑战。目前三维建模技术包括基于过程和基于图像的建模技术。其中前者主要通过无人机获取有限参数来控制场景的建模过程，如L-system 模型、分形方法和随机过程
等。后者主要是通过无人机获取的图像与绘制技术融合形成三维生态环境场景的建模，如宋铁英等利用计算机图形与图像结合的方法，提出了
无人机遥感生态场景三维建模综述
伍 毅1，赵海盟2，李宇波3
（1.广西壮族自治区环境监测中心站，南宁 530028；2.桂林航天工业学院广西高校无人机遥测重点实验室，桂林 541004；
3.浙江大学信息与电子工程学院，杭州 310058）
摘要：近几年快速发展的无人机遥感是信息技术与先进制造业结合的典型产物，利用无人机平台，集成各种高端机载传感器实现倾斜摄影三维实景建模技术，已逐渐深入到国土资源、城市建设等领域。针对无人机遥感三维建模技术在生态环境领域的应用，本文从技术概述、研究内容，应用示范等进行了论述，从实例角度展现无人机遥感三维建模技术在广西部分重点生态环境领域所取得的成果，为进一步推广该技术在生态领域的应用起到示范作用。
关键词：无人机遥感；生态场景；三维建模doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.06.012中图分类号：V279+.2，TP7 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）06-0023-02
Review of 3D Modeling of UAV Remote Sensing Ecological Scene
Wu Yi 1，Zhao Haimeng 2，Li Yubo 3
抽滤装置（1.Guangxi Zhuang Autonomous Region Environmental Monitoring Centre ，Nanning ，530028：
2.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Unmanned Aerial Vehicle Telemetry ，Guilin University of
Aerospace Technology ，Guilin ，541004：
3.Information and Electronic Engineering College ，Zhejiang University ，Hangzhou ，310058）
Abstract ：In recent years ，the rapid development of UA V is a typical product of the combination of information technology and advanced manufacturing. Utilizing UA V as a platform and integrating various high-end airborne sensors to realize photography 3D real-time modeling technology ，has gradually applied to land resources ，urban construction and other fi elds. In view of the application of UA V remote sensing 3D modeling technology in the fi eld of ecological environment ，this paper discusses the technical overview ，research content ，application demonstration ，etc. From the perspective of examples ，it shows the 3D modeling technology of UA V remote sensing in some ke
y ecological environment areas in Guangxi Zhuang Autonomous Region. The achieved results are exemplary to further promote the application of the technology in the ecological fi eld.
Keywords ：UA V remote sensing ：ecological scene ：3D modeling
基金项目： 广西重点研发计划《广西自然保护区生态环境遥感监测与技术示范》（桂科AB18050014）资助，国家自然科学基金（61841101）资助。作者简介：
伍 毅，男，广西桂林人，工程师，研究方向为生态环境、无人机遥感等。远距离遥控器
观察
Industry Observation
D
I G I T C W 产业
24DIGITCW
2019.06
一种林分三维可视化模型[4]；Chiba 等解决了地形引起的植被变形[5]
；
刘彦宏等提出了树干二维框架，实现了双视点树木的三维模型构建等[6]。
无人机遥感生态场景三维建模的流程包括：（1）内业分析。前期以无人机遥感监测区为目标，具体研究监测区的地形、地貌、气候变化等因素，合理设计航飞方案。在设计过程中，需要重点考虑控制点分布、出图比例尺、重叠度、航飞高度等因素。（2）外业飞行。选择合适的天气和时间，在监测区布置前期确定的控制点，在无人机起飞且达到指定高度后进行外业航摄。（3）无人机获取数据预处理。整理无人机影像和飞行日志，包括飞行姿态数据、影像获取坐标点、控制点等数据，通过专业软件形成生态场景的三维模型。（4）生态场景三维模型建立，以及与空间管理数据库及虚拟地图集成。（5）三维生态场景的遥感解译与显示，
分析监测区的生态质量[7]
。具体流程如下图1
所示。
图1 无人机遥感生态场景三维建模的流程
这里重点描述一下植被，因为植被是生态场景的重要组成部分，其三维可视化模型有多种，为了使计算机能够高精度显示植被的三维模型，需要对三维模型进行建造，基本操作技术包括：（1）物体绘制技术；（2）交换技术；（3）着技术；（4）光照模型技术；（5）反走样；（6）混合技术；（7）雾化技术；（8）纹理映射技术和（9）交互操作和动画技术等。为实现上述操作，常用的操作语言包括OpenGL ，Direct3D ，Java3d 和VRML 。其中VRML 是一种模型描述语言，只要按照其规范标准，即可方便构建三维场景，因此被常用于生态场景中植被的三维模型可视化工具[8]。
4 无人机遥感生态场景三维可视化在广西的典型
示范应用
目前广西壮族自治区拥有各类自然保护区达78处，涵盖自然生态系统类、野生生物类和自然遗迹类三大类，特别适合中低空无人机航空数据采集或者监测。
2016年中央督察组指出桂林漓江非法采石问题突出，基于以上问题开展了一系列积极有效的整改措施，包括应用无人机遥感生态场景三维建模技术，加强漓江风景名胜区的监管，应用于沿江生态环境监测，以及对流域生态环境影响等。
采用中低空无人机航空遥感倾斜摄影技术，对漓江沿江山体、沿江码头、旅游设施、河道滩涂等进行
三角形算法
实际无人机航空影像数据采集，然后对涉及到的生态场景进行真三维可视化实现，真实地再现了所拍摄区域的实际三维场景信息，这样对沿江山体采石采矿情况摸排、采石采矿量估算、规模调查等工作起到了决策依据作用。漓江流域三维生态场景三维图如图2
所示。
图2 漓江流域三维生态场景三维图
那考河湿地公园曾经是南宁市出名的黑臭水沟，经过生态综合整治后，建设为美丽的湿地公园。为了加强治理与监管，对那考河湿地公园进行了无人机遥感数据采集，对公园场景进行三维建模，实现湿地公园的三维可视化监管。2017年4月，习近平总书记在广西考察调研时考察了那考河湿地公园，对那考河湿地公园生态综合治理工作十分肯定。现在公园里有层层梯田、成片的美人蕉、朱瑾花田，环境美不胜收。利用无人机遥感三维建模技术构建的生态场景真实地还原实地状况，进一步推动无人机遥感监测技术在生态领域的应用起到示范作用。那考河湿地公园治理后生态场景三维图如图3
所示。
图3 那考河湿地公园治理后生态场景三维图
无人机遥感生态三维场景监测评价方法，以构建三维模型为对象，定量分析人类活动对生态环境的影
响[9]。但是评价对象不像大气、水等场景均匀且组成部分单一，而是具有强差异性特性、地域性强、类型和结构极其复杂。因此对基于无人机遥感生态场景三维模型的监测评价方法还有待进一步深入研究，同时也说明通过无人机遥感生态三维场景进行立体化生态监测的应用前景十分广阔。
5 结束语
综上，针对目前广西各自然保护区普遍存在的人力、技术等严重不足的问题，开展采用无人机遥感监测技术，获取自然保护区的三维场景与生态信息，对识别破坏性人类活动，获取珍惜保护植物分布，以及保护广西生态环境，践行“绿水青山就是金山银山”理念具有重要意义。本论文得到广西重点研发计划“广西自然保护区生态环境遥感监测与技术示范（桂科AB18050014）”和国家自然科学基金（61841101）资助。
参考文献
[1] U nwin D. Cartography ，ViSC and GIS[J]. Progress in human geography ，1994，18（4）：516-522.
[2] 王海霞，丁春莲，韩奋.无人机遥感技术在自然保护区管理中的应用研究[J].科技创新与应用. 2018.12：187-188.
[3] 单楠.基于SketchUp 和ArcGIS 的三维GIS 开发技术研究[M].重庆：西南大学，2009.
[4] 宋铁英.一种基于图象的林分三维可视模型[J].北京林业大学学报，1998，20（4）：93-97.
[5] C hiba N ，Muraoka K ，Doi A ，et al.Rendering of Forest Scenery using 3D Textures[J].The Joual of Visualization and Computer Animation ，1997，8：191-199.
[6] 刘彦宏.基于图像的树类物体的三维重建[D].中国科学院研究生院，2002. [7] 王晓臣，朱京海，梁婷，问鼎.无人机遥感技术在生态环境影响评价中的应用研究[J].环境影响评价，2015.3：70-73.
泥浆护壁成孔>信号处理[8] 冯宗坚.基于L-系统的植物三维可视化研究[M].杭州：浙江工业大学，2008.
[9] R ichards C ，Host G.Examining land use influences on stream habitats and macroinvertebrates ：a GIS approach[J].Journal of the American Water Resources Association ，1994，30（4）：105-111.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议