森林公園景區(qū)可視化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 沖,叢曉丹,費(fèi) 磊,畢海嬌

(1.伊春森工上甘嶺林業(yè)局有限責(zé)任公司,黑龍江 伊春 153000; 2.黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所,哈爾濱 150000)

0 引言

當(dāng)前,森林旅游已成為繼經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)品種植與采集業(yè)、木材加工與木竹制品制造業(yè)之后的第三林業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)[1]。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展,旅游業(yè)已呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、散客化、大眾化發(fā)展趨勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)景區(qū)旅游信息的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)及智能感知,森林公園景區(qū)管理與游客服務(wù)亟需數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

森林公園景區(qū)可視化管理系統(tǒng)核心理念是通過數(shù)字技術(shù)合理開發(fā)利用森林公園資源,以提升旅游服務(wù)體驗(yàn)為目標(biāo),建立數(shù)據(jù)可更新、資源可持續(xù)和產(chǎn)品可交互的一體化旅游資源管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)森林公園的高效管理、智慧互動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)宣傳等功能[2]。①高效管理。通過三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)森林公園景區(qū)進(jìn)行全景建模,獲取詳實(shí)準(zhǔn)確的森林公園地理信息數(shù)據(jù),保障景區(qū)管理安全[3]。②智慧互動(dòng)。以交互式一體機(jī)為互動(dòng)終端,提供面向游客的景區(qū)一張圖旅游管理系統(tǒng),使游客可自助獲取旅游資源分布、三維地理位置等信息。③網(wǎng)絡(luò)宣傳。森林公園景區(qū)可視化管理系統(tǒng)可關(guān)聯(lián)森林公園官方網(wǎng)站、官方公眾號(hào)、官方視頻號(hào)等,提高森林公園網(wǎng)絡(luò)知名度,有效宣傳森林公園文化特色[4]。

某國家森林公園總面積4580 hm2,地處小興安嶺中段、湯旺河流域,是一個(gè)集森林、濕地和溪流于一體的生態(tài)型國家森林公園。通過走訪調(diào)研,根據(jù)現(xiàn)有的開發(fā)工具及國家森林公園運(yùn)營過程中對(duì)可視化管理系統(tǒng)的實(shí)際要求,制定國家森林公園三維可視化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示,分為前期資料收集及整理、森林公園地理信息數(shù)據(jù)采集、森林公園空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)、景區(qū)受眾體驗(yàn)分析、景區(qū)旅游數(shù)據(jù)采集、森林旅游管理系統(tǒng)框架構(gòu)建、可視化平臺(tái)客戶端交互設(shè)計(jì)、森林旅游管理系統(tǒng)運(yùn)行及優(yōu)化等流程。

圖1 森林公園景區(qū)可視化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程Fig.1 Flow of forest park scenic area visual management system design

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 空間數(shù)據(jù)建模技術(shù)

高精度森林公園區(qū)域地理信息三維模型是森林公園景區(qū)可視化展示和管理的載體。傳統(tǒng)遙感測(cè)量技術(shù)采用垂直方向拍攝,只能獲得地物頂部的正射特征,無法獲取地物側(cè)面的三維信息和紋理。隨著低空遙感技術(shù)的快速發(fā)展,傾斜攝影技術(shù)采用低空無人機(jī)搭載的全畫幅圖像傳感器可高效準(zhǔn)確獲取山林地區(qū)多角度高分辨率影像,通過關(guān)聯(lián)計(jì)算每張影像的飛行位置及姿態(tài)數(shù)據(jù),準(zhǔn)確構(gòu)建地物三維信息,還原森林公園景區(qū)高精度可視化場(chǎng)景,全方位無死角展示景區(qū)游覽細(xì)節(jié)。空間數(shù)據(jù)建模流程如圖2所示。

圖2 森林公園景區(qū)空間數(shù)據(jù)建模流程Fig.2 Process of forest park scenic area spatial data modeling

傾斜攝影拍攝采用四旋翼無人機(jī)搭載全畫幅相機(jī)按照智能化軌跡進(jìn)行多角度擺動(dòng)拍攝。

空中三角測(cè)量,將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入大疆智圖軟件,通過讀取輸入影像的定位信息、方位角元素及相機(jī)屬性參數(shù),計(jì)算每幅影像的外方位元素和影像密集點(diǎn)的三維坐標(biāo),刪除連接點(diǎn)誤差較大和連接較弱的影像,生成高密度點(diǎn)云DSM數(shù)據(jù)。

TIN模型處理,針對(duì)空中三角測(cè)量得到的成果建立影像金字塔,構(gòu)建具有不同細(xì)節(jié)級(jí)別的三角網(wǎng)絡(luò)模型(TIN)。

多視角紋理貼圖,自動(dòng)提取每一位置點(diǎn)紋理信息,建立三角網(wǎng)格與紋理的相互關(guān)系,得到紋理清晰三維模型成果。

質(zhì)量檢查貫穿于數(shù)據(jù)生產(chǎn)的各個(gè)過程,每一過程都要遵循相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),合格后方可進(jìn)入下一流程。

1.2 基于GIS的森林公園空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)

SuperMap GIS是面向各行業(yè)應(yīng)用開發(fā)、二三維制圖與可視化、決策分析的大型GIS基礎(chǔ)軟件。作為目前國內(nèi)最大的地理信息系統(tǒng)平臺(tái),為國內(nèi)外地理信息系統(tǒng)服務(wù)提供技術(shù)服務(wù)支持[5]。SuperMap GIS三維GIS開發(fā)包深度融合了二三維一體化GIS的空間調(diào)度管理能力與Unity3D游戲引擎的高保真可視化渲染能力,大幅提升大規(guī)模傾斜攝影三維模型的加載性能,快速構(gòu)建高保真可視三維場(chǎng)景,支持30多種分析查詢及圖層交互功能。

GIS管理系統(tǒng)針對(duì)區(qū)域地理信息三維模型具備圖元、屬性、關(guān)系三類信息的特點(diǎn),將空間數(shù)據(jù)模型擴(kuò)充至GIS數(shù)據(jù)集,實(shí)現(xiàn)二三維圖元、地理實(shí)體屬性、地理實(shí)體關(guān)系三大要素的一體化組織及管理。針對(duì)實(shí)景三維數(shù)據(jù)提供6大基本功能:數(shù)據(jù)采集與輸入、數(shù)據(jù)編輯與更新、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、空間查詢與分析、空間決策支持、數(shù)據(jù)顯示與輸出[6]。

森林公園景區(qū)可視化管理系統(tǒng)共分4個(gè)子系統(tǒng),分別是等值線分析、可視域分析、定位坐標(biāo)及空間測(cè)量。前2項(xiàng)為系統(tǒng)GIS管理功能,后2項(xiàng)為景區(qū)旅游宣傳管理功能。系統(tǒng)管理功能模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)管理功能模塊Fig.3 System management function module

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

某國家森林公園航拍面積2 987 600 m2。由于森林公園內(nèi)地形條件復(fù)雜,最大飛行高度為180～250 m,設(shè)置航向重疊率75%、旁向重疊率80%,按預(yù)設(shè)航線飛行自動(dòng)拍攝。共計(jì)飛行2架次,每架次10條航線,飛行時(shí)間約491 min,拍攝圖像17 771張,單張圖像分辨率為4500萬像素。單架次飛行航線如圖4所示。

圖4 飛行航線Fig.4 Airline

森林公園景區(qū)可視化管理系統(tǒng)包含4大功能板塊,即園區(qū)簡介、三維沙盤、景區(qū)導(dǎo)覽和全景漫游。園區(qū)簡介板塊介紹了公園基本情況,如圖5所示。通過景區(qū)一張圖數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將景區(qū)內(nèi)的景點(diǎn)分區(qū)、推薦旅游路線、游客中心、露營空間、衛(wèi)生站、出入口、洗手間等公共設(shè)施準(zhǔn)確定位在GIS地圖中,整合多源信息,對(duì)設(shè)施狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。實(shí)現(xiàn)了景區(qū)資源管理、景區(qū)安全管理和游客信息服務(wù)多任務(wù)疊加。

三維沙盤板塊從地形、地貌、建筑物、植被、光照等多方面真實(shí)還原了國家森林公園主體區(qū)域場(chǎng)景,通過手指觸摸屏幕操作、單指滑動(dòng)屏幕旋轉(zhuǎn)模型、雙指操作視角切換及縮放可達(dá)到身臨其境的游覽效果。三維沙盤板塊界面如圖6所示。具體功能包括等值線分析、可視域分析、定位坐標(biāo)及空間測(cè)量。

圖6 三維沙盤板塊Fig.6 3D sand plate

等值線分析功能即根據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)的像元值提取指定區(qū)域的的等值線,通過分層設(shè)色的方式展示區(qū)域模型高程變化。等值線分析功能如圖7所示。

圖7 模型等值線分析Fig.7 Model contour analysis

可視域分析功能即以選定觀察點(diǎn)位置為中心,調(diào)整視角水平和垂直的范圍區(qū)域,通過計(jì)算區(qū)域內(nèi)模型分析出可觀視域空間,綠色區(qū)域?yàn)橛^察點(diǎn)視線可觀空間,紅色區(qū)域?yàn)橛^察點(diǎn)不可觀空間。可視域分析功能如圖8所示。

圖8 模型可視域分析Fig.8 Model visibility analysis

定位坐標(biāo)功能即通過獲取選取點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo),使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)為經(jīng)緯度坐標(biāo),進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。空間測(cè)量功能主要包括距離、高程測(cè)量和面積測(cè)量。在三維模型空間中繪制需要測(cè)距的線段或平面圖形,即可快速計(jì)算出空間距離和圖形面積。空間測(cè)量功能如圖9所示。

圖9 模型空間測(cè)量Fig.9 Model space measurement

景區(qū)導(dǎo)覽模塊以列表形式展示了森林公園景區(qū)10個(gè)重要的分區(qū)景點(diǎn)。游客點(diǎn)擊景點(diǎn)名稱后的詳情按鈕,可快速瀏覽對(duì)應(yīng)景點(diǎn)宣傳視頻和語音導(dǎo)覽信息,了解景點(diǎn)區(qū)域主題特色。景區(qū)導(dǎo)覽模塊界面如圖10所示。

圖10 景區(qū)導(dǎo)覽模塊Fig.10 Scenic guide module

全景漫游模塊分別展示了航攝和地面森林公園景區(qū)VR全景數(shù)據(jù)。VR全景圖層以樹形結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在二維數(shù)據(jù)庫中,相鄰景點(diǎn)之間相互關(guān)聯(lián)。游客點(diǎn)擊指引箭頭即可順序?yàn)g覽相應(yīng)旅游路線的VR數(shù)據(jù)。全景漫游模塊界面如圖11所示。

圖11 全景漫游模塊Fig.11 Panoramic roaming module

3 結(jié)束語

利用傾斜攝影測(cè)量、數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)管理、互聯(lián)網(wǎng)通信等技術(shù)建立國家森林公園景區(qū)可視化管理系統(tǒng),整合森林公園景區(qū)三維地理信息和數(shù)字化文化資源,在滿足國家森林公園日常旅游業(yè)務(wù)管理需要的同時(shí)兼顧未來生態(tài)旅游行業(yè)發(fā)展,為游客提供智能、友好、便捷的生態(tài)森林旅游體驗(yàn)。