陳宇夫

摘? 要： 針對(duì)二維圖像僅能展示生態(tài)交錯(cuò)帶景觀布局情況，缺乏空間感的問題，設(shè)計(jì)生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局三維數(shù)字化重建系統(tǒng)。系統(tǒng)采用固定翼無人機(jī)從不同方向獲取生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局二維高空?qǐng)D像;采用GPS等高端儀器獲取測(cè)繪數(shù)據(jù)，結(jié)合所采集二維圖像構(gòu)建數(shù)字高程模型，利用地理信息分析軟件校正二維圖像，消除畸變和位移產(chǎn)生的圖像誤差，得到數(shù)字正射影像疊加在數(shù)字高程模型上;利用TerraBuilder三維地形管理工具創(chuàng)建三維生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，融合差異圖像與數(shù)據(jù)構(gòu)建三維數(shù)字化生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局。實(shí)例分析顯示，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可呈現(xiàn)逼真的生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局三維重建效果，為分析各斑塊在景觀空間格局中的分布情況提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞： 景觀空間格局; 三維重建; 生態(tài)交錯(cuò)帶; 數(shù)據(jù)采集; 數(shù)字高程建模; 實(shí)例分析

中圖分類號(hào)： TN911.73?34; Q149? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）08?0117?03

Design of 3D digitalization reconstruction system for landscape spatial patterns in ecotone

CHEN Yufu

（College of Architecture and planning， Jilin Jianzhu University， Changchun 130000， China）

Abstract： As the problems that two?dimensional images only can show the landscape layout of ecotone and lacks of spatial sense， a 3D digitalization reconstruction system for the landscape spatial pattern in the ecotone is designed. Fixed?wing UAV is applied to acquire two?dimensional high?altitude images of the landscape spatial pattern in the ecotone from different directions， and the high?end instruments such as GPS are used to collect surveying and mapping data， and the digital elevation model is constructed in combination with the collected two?dimensional images. The two?dimensional images are corrected with the geographic information analysis software to eliminate image errors caused by distortion and displacement， by which the digital orthophoto image is obtained and superimposed on the digital elevation model. The 3D ecotone landscape spatial pattern database is established with the TerraBuilder 3D terrain management tool， which integrates the difference image and data to construct the 3D digitalization ecotone landscape spatial pattern. The instance analyses show that the designed system can present realistic 3D reconstruction effect of ecotone landscape spatial pattern， and provides accurate data for analyzing the distribution of each patch in the landscape spatial pattern.

Keywords： landscape spatial pattern; 3D reconstruction; ecotone; data collection; digital elevation modeling; instance analysis

0? 引? 言

生態(tài)交錯(cuò)帶是景觀生態(tài)學(xué)重要概念，是指處于相鄰非同種均質(zhì)景觀單元間的異質(zhì)性景觀[1]，代表相鄰生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡帶，掌控生物和非生物要素的轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為界面的突變性和對(duì)比度，由于其通常較為脆弱，也稱之為生態(tài)脆弱帶[2]。生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局展現(xiàn)了不同形狀、大小、屬性的生態(tài)交錯(cuò)帶景觀斑塊在空間上的布局與組合規(guī)律，分析景觀空間格局，在看似無序的生態(tài)交錯(cuò)帶景觀中發(fā)現(xiàn)潛在規(guī)律，有效管理生態(tài)交錯(cuò)帶，為生物多樣性提供有力保護(hù)[3?4]。

目前生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局分析大多局限于二維平面圖像，二維圖像僅能展現(xiàn)生態(tài)交錯(cuò)帶的布局情況，空間感較差。為此，在全球變暖、區(qū)域氣候變化背景下，設(shè)計(jì)生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局三維數(shù)字化重建系統(tǒng)為了解生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局提供分析工具，促進(jìn)生物多樣性保護(hù)，監(jiān)控生態(tài)環(huán)境變化，合理布局生態(tài)景觀。

1? 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1? 二維圖像采集與處理

選取晴朗無風(fēng)或風(fēng)力較小天氣，采用固定翼無人機(jī)搭載正射與傾斜攝影設(shè)備，以4個(gè)飛行架次，設(shè)定東南西北4個(gè)方向飛行航線，控制飛行任務(wù)指令使其進(jìn)入全自動(dòng)飛行狀態(tài)[5?6]，實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行航線、高度、速度等情況[7]。完成一個(gè)架次的飛行任務(wù)后無人機(jī)自動(dòng)返航，更換電池并在此沿另外方向起飛。4個(gè)架次飛行任務(wù)全部結(jié)束即完成生態(tài)交錯(cuò)景觀帶的空間格局二維圖像采集。

1.1.1? 基于ArcGIS構(gòu)建數(shù)字高程模型DEM

采用GPS、全站儀、野外測(cè)量等高端儀器獲取構(gòu)建數(shù)字高程模型（DEM）的數(shù)據(jù)，結(jié)合所采集生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局二維圖像，構(gòu)建數(shù)字高程模型[8]，步驟如下：

1） 等高線數(shù)據(jù)矢量化[9]。

2） 數(shù)據(jù)修復(fù)。基于CAD軟件修復(fù)矢量化過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤更新數(shù)據(jù)屬性信息。

3） 更改數(shù)據(jù)格式。為解決數(shù)據(jù)屬性雜亂，基于分層轉(zhuǎn)換采用ConversionTools工具，更改AutoCAD數(shù)據(jù)格式為ArcGIS支持的.shp格式數(shù)據(jù)。

4） 生成TIN。通過ArcGIS中的CreateTIN FromFeatures工具生成不規(guī)則三角網(wǎng)。

5） 構(gòu)建DEM。通過ArcGIS中的Convert/TIN To Raster工具構(gòu)建DEM。

1.1.2? 制作數(shù)字正射影像DOM

為使三維數(shù)字化重建效果更貼近實(shí)際情況，需疊加數(shù)字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）于DEM。高質(zhì)量數(shù)字正射影像制作是實(shí)現(xiàn)生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局三維重建的重要環(huán)節(jié)[10]。

數(shù)字正射影像通過數(shù)字高程模型采用影差改正和影像鑲嵌方法處理采集的二維圖像，依照?qǐng)D幅范圍剪裁生成高質(zhì)量數(shù)據(jù)。DOM是利用專業(yè)地理信息分析軟件校正生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局圖像，消除畸變和位移產(chǎn)生的誤差，獲取涵蓋生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局具體信息的數(shù)字正射影像[11]。其包含完整飽滿的生態(tài)交錯(cuò)帶信息，整體色調(diào)清晰均勻。DOM的制作分圖像整改、圖像融合和影像評(píng)價(jià)等步驟。

二維圖像整改目的是融合DEM數(shù)據(jù)與生態(tài)交錯(cuò)景觀帶的空間格局圖像[12]，由GPS獲取控制點(diǎn)，通過正射整改、配準(zhǔn)點(diǎn)選取、二維圖像配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)二維圖像整改。

二維圖像融合是將生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局圖像數(shù)據(jù)與其他信息融合的過程，圖像融合可以在一定程度上提升圖像分辨率，增加圖像集幾何精度和特征顯示能力，有效改善生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局圖像數(shù)據(jù)精確度，豐富圖像信息的同時(shí)清晰展現(xiàn)生態(tài)交錯(cuò)帶景觀細(xì)節(jié)信息[13]。二維圖像融合涵蓋許多關(guān)鍵技術(shù)，如數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、融合方式選擇等。

影像評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)通常情況下包括：清晰度、精準(zhǔn)度以及實(shí)時(shí)性等，根據(jù)這些指標(biāo)評(píng)估生態(tài)交錯(cuò)帶景觀二維圖像影響質(zhì)量。

1.2? 利用TerraBuilder進(jìn)行三維數(shù)字化重建

TerraBuilder是一款三維地形數(shù)據(jù)集創(chuàng)建管理工具。TerraBuilder通過疊加數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型以及各項(xiàng)矢量數(shù)據(jù)，建立海量三維生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。TerraBuilder支持非同種格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入，處理海量數(shù)據(jù)的同時(shí)高比例無損壓縮數(shù)據(jù)，將非同種分辨率、非同種大小的生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局圖像數(shù)據(jù)與數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)融合，建立三維數(shù)字化生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局[14]。在生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局三維重建時(shí)，通常采用疊加DEM和DOM實(shí)現(xiàn)三維生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局建模[15]?；赥erraBuilder生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局三維數(shù)字化重建具體過程如圖1所示。

詳細(xì)分析生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局三維數(shù)字化重建過程如下：

1） 數(shù)據(jù)預(yù)處理：數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)象為基于ArcGIS構(gòu)建的數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像。

2） 疊加數(shù)據(jù)：將矢量數(shù)據(jù)和預(yù)處理完成的DEM和DOM數(shù)據(jù)疊加在TerraBuilder中。如果導(dǎo)入的數(shù)據(jù)源坐標(biāo)系不同于工程坐標(biāo)系，需重新投影完成整改。TerraBuilder以多分辨率級(jí)處理不同分辨率影像數(shù)據(jù)，生成生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局影像金字塔。

3） 數(shù)據(jù)處理：使用TerraBuilder數(shù)據(jù)編輯工具，編輯、剪裁、校正數(shù)據(jù)疊加完成的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

4） 數(shù)據(jù)融合：數(shù)據(jù)融合即正確匹配DEM和DOM數(shù)據(jù)。若此過程產(chǎn)生較多變形情況，則需重復(fù)數(shù)據(jù)處理步驟，再次匹配DEM和DOM數(shù)據(jù)。

5） 建立數(shù)據(jù)庫(kù)：打包TerraBuilder處理完成的數(shù)據(jù)，建立MPT格式的生態(tài)交錯(cuò)帶空間格局?jǐn)?shù)據(jù)集文件，實(shí)現(xiàn)生態(tài)交錯(cuò)帶空間格局三維數(shù)字化重建。

2? 實(shí)例分析

以某海岸生態(tài)交錯(cuò)帶為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證本文系統(tǒng)生態(tài)交錯(cuò)帶空間格局三維數(shù)字化重建效果。本文系統(tǒng)采集海岸生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局圖像的無人機(jī)航線任務(wù)規(guī)劃如圖2所示。采集到的海岸生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局圖像如圖3所示。該圖像素矩陣大小為400×320，分辨率為1 024×786，由于海岸生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局具備較明顯的地形起伏特點(diǎn)，所以能精準(zhǔn)地反映本文系統(tǒng)的適應(yīng)性。

由圖3可以看出本文系統(tǒng)得到的生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局圖像畫質(zhì)清晰、格局鮮明，原因在于本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程中建立數(shù)字高程模型，并在模型上疊加數(shù)字正射影，有效校正圖像，消除重建誤差，使生態(tài)交錯(cuò)帶信息完整展現(xiàn)。海岸生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局的三維數(shù)字化重建結(jié)果如圖4所示。通過圖4三維重建結(jié)果，分析該海岸生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局，獲取各斑塊要素動(dòng)態(tài)信息，分析該海岸生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局中各斑塊在空間格局中的分布情況數(shù)據(jù)，根據(jù)村鎮(zhèn)、耕地、未開發(fā)土地等斑塊規(guī)模和斑塊面積比，正確規(guī)劃該海岸生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局。根據(jù)各斑塊規(guī)模和破碎化指數(shù)，判斷該海岸生態(tài)交錯(cuò)帶景觀開發(fā)利用強(qiáng)度。通過生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)估各個(gè)板塊的風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度，為生態(tài)環(huán)境管理與決策提供依據(jù)。綜上可知，本文三維數(shù)字化重建系統(tǒng)為有效分析生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局、掌握斑塊多樣性提供分析工具與參考依據(jù)。

3? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)的生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局三維數(shù)字化重建系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于：通過數(shù)據(jù)處理模塊利用采集的生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局二維圖像及DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字高程模型，在此基礎(chǔ)上疊加數(shù)字正射影像，使生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局的三維數(shù)字化重建效果更加逼真，貼近實(shí)際情況。本文設(shè)計(jì)的三維數(shù)字化重建系統(tǒng)不僅可以展示三維的生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局，還可從中獲取景觀斑塊分布情況，分析生態(tài)環(huán)境的景觀多樣性等信息。生態(tài)交錯(cuò)帶景觀空間格局三維數(shù)字化重建系統(tǒng)為城市景觀格局規(guī)劃、合理布局生態(tài)交錯(cuò)帶創(chuàng)造了可視化的技術(shù)條件。

參考文獻(xiàn)

[1] 莊宇嬌，賈翔，陳孟禹，等.提孜那甫河流域冰?草生態(tài)交錯(cuò)帶MODZS動(dòng)態(tài)特征[J].山地學(xué)報(bào)，2016，34（6）：780?787.

[2] 楊帆，邵全琴，李愈哲，等.北方典型農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地開墾對(duì)地表輻射收支與水熱平衡的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，36（17）：5440?5451.

[3] 王芳，謝小平，陳芝聰.太湖流域景觀空間格局動(dòng)態(tài)演變[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2017，28（11）：273?283.

[4] 康世磊，岳邦瑞.基于格局與過程耦合機(jī)制的景觀空間格局優(yōu)化方法研究[J].中國(guó)園林，2017，33（3）：50?55.

[5] 肖華斌，盛碩，劉嘉.基于景觀生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)的佛山市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建研究[J].中國(guó)園林，2017，33（11）：118?122.

[6] 費(fèi)運(yùn)巧，劉文萍，陸鵬飛，等.基于無人機(jī)圖像分形特征的油松受災(zāi)級(jí)別判定[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2017，34（4）：1253?1256.

[7] 劉錦濤，高麗，吳文海，等.垂直起降無人機(jī)基于圖像的目標(biāo)跟蹤控制[J].控制理論與應(yīng)用，2017，34（6）：723?731.

[8] 朱文博，張錦.一種基于分層約束的露天礦DEM構(gòu)建方法[J].測(cè)繪科學(xué)，2017，42（7）：160?164.

[9] 程德強(qiáng)，高春留，趙牡丹.基于等高線隔斷線確定DEM適宜分辨率的方法研究[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，33（3）：306?312.

[10] 張莎莎，王樹根.數(shù)字正射影像鑲嵌的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，36（3）：55?64.

[11] 全吉成，王平，王宏偉.計(jì)算機(jī)圖形處理器加速的光學(xué)航空影像正射校正[J].光學(xué)精密工程，2016，24（11）：2863?2871.

[12] 李夢(mèng)桃，周忠學(xué).西安市城市景觀的正負(fù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)測(cè)算及空間格局[J].地理學(xué)報(bào)，2016，71（7）：1215?1230.

[13] 姚飛，陳龍乾，王秉義，等.巢湖水陸交錯(cuò)帶土地利用景觀格局梯度分析[J].水土保持研究，2016，23（3）：214?219.

[14] 楊海清，王洋洋.基于面結(jié)構(gòu)光幾何關(guān)系的三維數(shù)字化研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2018，35（7）：323?326.

[15] 王果，蔣瑞波，肖海紅，等.基于無人機(jī)傾斜攝影的露天礦邊坡三維重建[J].中國(guó)礦業(yè)，2017，26（4）：158?161.