400-880-8120【实景三维重建】实景三维重建在自然保护区勘界中的应用
2021-11-18 07:22:57
随着自然保护地整合优化预案的实施及勘界立标工作的进展，对勘界成果的现势性和准确性要求日益提高。为解决传统勘界工作中存在的监测技术落后、工作量繁多、成果界线不精确、边界不客观等问题，本文基于无人机倾斜摄影测量技术，结合谷歌地图和数字正射影像，通过摄影测出和实地测量相结合的方法，实现了满足精度要求的自然保护地边界快速识别和提取。
自然保护地对于建设重要自然生态系统、维护生物多样性、提高自然遗产保存率及改善生态环境质量至关重要。长期以来，我国实行“重数量轻质量”策略，保护地面积和数量不断犷张，忽略了保护地所面临的交叉重叠、生态环境境破碎化、土地权属不清等诸多问题，现实矛盾冲突尖锐，降低了自然资源的保护效率，阻碍了保护地的健康发展。因此，加强自然保护地的勘界立标，为优化整合工作提供准确、可靠的本底数据，有助于推动保护地的规范化建设和精细化管控，促进保护地与周边区域协调发展，对加强新时代生态文明建设具有重要现实意义。
随着新型信息观测技术的发展，无人机倾斜摄影测量通过飞行平台搭载多角度传感器，可同时得到地物正射和倾斜方向的真实纹理，获得更加立体的地理环境信息。相较于传统航空摄影二维平面观测的局限和实地勘测成本高、工作量大的限制，倾斜摄影测量拥有高效率的三维模型生产技术，成果更符合人类视觉系统的直观真实感知，大大提高了地表特征的判读解译效率和精度，可提供多种直接的测量手段。因此，被广泛应用于不动产更新测绘、城市规划、自然资源勘查和管理等领域。
目前，自然保护地界主要通过人工携带RTK或全站仪等装置进行实地勘测，该种方法在地势险峻地区勘测阻力较大，难以保证工作的全面覆盖。基于此，本文基于倾斜摄影测量技术，结合谷歌地图和数字正射影像（DOM），获取测区1 ：500实景三维模型，在兼顾测绘精度要求的同时，以期快速、高效地解决勘界过程中存在的边界不客观、不符合实际情况等问题，实现自然保护地边界的识别 和提取。
1、关键技术步骤
利用无人机倾斜摄影测量技术进行自然保护地勘界的流程主要包括像控点布设、倾斜摄影测量平台设定、飞行航线设计、像控点测址、空三解算、实景三维建模及边界识别与提取。
1.1、像控点布设
像控点布设作为倾斜摄影测量中不可或缺的基础步骤，在保证像控点测定几何精度的同时，低数量、质量还需满足像片处理和模型精度的要求，确保目标地物在空间系统中的绝对位置，技术流程如下所示。像控点应避免布设在建筑物密集区、可能被基础设施建设和植被遮挡区域，而应布设在纹理明显、色彩差异较大的空旷区，如道路交叉点、房前空地等区域。
1.2、倾斜摄影测量系统
无人机倾斜摄影测量是以无人机为飞行平台、以倾斜摄影相机为传感器的航空摄影测址系统。对于飞行平台而言，应着正考虑续航时间、飞行速度、载重、安全性及抗风性等因素；对于传感器而言，应着重关注其波段数、焦距、POS数据采集能力等主要指标。通过POS采集与相机拍摄的同步设置，最大限度减少了机械延时产生的定位误差，保证了而动态场景下的影像获取精度；通过无人机与航摄系统融合的设计使飞行更趋于稳定；通过高精度双RTK模块导航定位与精准飞行技术相结合的方式，使航线误差控制在2cm、定向精度在0.2度以内。
1.4、空三解算
倾斜摄影空三解算时，将机载POS提供的外方位元素视为观测值引入摄影测量区域网平差中，利用后处理软件采用统一的数学模型和算法，对多视影像进行自动匹配，获得同名连接点，构建自由网；在初次空三结果基础上加入控制点进行联合平差，可优化精度至1/3像素，通过同名点匹配技术建立影像与模型间的严格对应关系，以满足后续自动化建模精度。当空三运算精度结果中像控点中误差小于0.03m（小于0.01m效果最佳），残差满足限差要求，丢片合理，无分层、断层、错位，则认定空三运算满足质量要求。
2、应用实例
韶关北江特有珍惜鱼类省级自然保护区于2006年建立，2008年升格为省级自然保护区，位于广东省韶关北江水系的武江，总面积为2820hm²，主要保护对象为特有珍稀濒危鱼类及水生生态环境等，属于内陆湿地和水域生态系统类保护区。
三维建模
项目采用ContextCapture Center软件，集群调用8组GPU同步运算。通过集成处理POS数据，验证POS精度并对其姿态角数据进行子午线收敛角补偿，解算出精确外方位元素；利用特征匹配算法获取高精度同名点匹配结果，通过光束法局域网平差实现空中三角测量;根据聚簇算法和密集匹配算法初步构建高密度点云数据，依据空三建立的影像间三角关系经由高密度点云构建TIN网格模型；最后经由纹理映射形成实景三维模型，效果真实性强，纹理现势性好。
结语
本文通过无人机倾斜摄影测量技术首次实施北江特种珍稀鱼类自然保护区勘界工作。试验表明，该方法具有较好的适用性及实用性，能满足划定保护地边界的勘查及定期测量。其自动化程度高，大大减少了外业工作量;成果精度高，模型效果好，可针对特殊区域施行重点监测，弥补了航空、航天遥感的平面观测缺陷和现场监测技术的不足。
实景三维模型、DOM和DSM等地理信息数据的获取，推动了自然保护地勘界立标工作的信息化发展，为自然保护地整合优化工作提供了现势性好和准确的基础数据，应用前景十分广阔，易于推广。无人机倾斜摄影测量是否适用于湿地、森林等高植被覆盖的自然公园勘界有待进一步研究。此外，如何高效获取更直观的三维展示成果、提高无人机续航力及减少数据冗余等问题仍是今后探索的趋势。
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