生态交错带景观空间格局三维数字化重建系统设计

陈宇夫

摘  要： 针对二维图像仅能展示生态交错带景观布局情况，缺乏空间感的问题，设计生态交错带景观空间格局三维数字化重建系统。系统采用固定翼无人机从不同方向获取生态交错带景观空间格局二维高空图像;采用GPS等高端仪器获取测绘数据，结合所采集二维图像构建数字高程模型，利用地理信息分析软件校正二维图像，消除畸变和位移产生的图像误差，得到数字正射影像叠加在数字高程模型上;利用TerraBuilder三维地形管理工具创建三维生态交错带景观空间格局数据库，融合差异图像与数据构建三维数字化生态交错带景观空间格局。实例分析显示，所设计系统可呈现逼真的生态交错带景观空间格局三维重建效果，为分析各斑块在景观空间格局中的分布情况提供准确数据。

关键词： 景观空间格局; 三维重建; 生态交错带; 数据采集; 数字高程建模; 实例分析

中图分类号： TN911.73?34; Q149                 文献标识码： A                     文章编号： 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

生態交错带是景观生态学重要概念，是指处于相邻非同种均质景观单元间的异质性景观[1]，代表相邻生态系统之间的过渡带，掌控生物和非生物要素的转移，表现为界面的突变性和对比度，由于其通常较为脆弱，也称之为生态脆弱带[2]。生态交错带景观空间格局展现了不同形状、大小、属性的生态交错带景观斑块在空间上的布局与组合规律，分析景观空间格局，在看似无序的生态交错带景观中发现潜在规律，有效管理生态交错带，为生物多样性提供有力保护[3?4]。

目前生态交错带景观空间格局分析大多局限于二维平面图像，二维图像仅能展现生态交错带的布局情况，空间感较差。为此，在全球变暖、区域气候变化背景下，设计生态交错带景观空间格局三维数字化重建系统为了解生态交错带景观空间格局提供分析工具，促进生物多样性保护，监控生态环境变化，合理布局生态景观。

1  系统整体设计

1.1  二维图像采集与处理

选取晴朗无风或风力较小天气，采用固定翼无人机搭载正射与倾斜摄影设备，以4个飞行架次，设定东南西北4个方向飞行航线，控制飞行任务指令使其进入全自动飞行状态[5?6]，实时监控飞行航线、高度、速度等情况[7]。完成一个架次的飞行任务后无人机自动返航，更换电池并在此沿另外方向起飞。4个架次飞行任务全部结束即完成生态交错景观带的空间格局二维图像采集。

1.1.1  基于ArcGIS构建数字高程模型DEM

采用GPS、全站仪、野外测量等高端仪器获取构建数字高程模型（DEM）的数据，结合所采集生态交错带景观空间格局二维图像，构建数字高程模型[8]，步骤如下：

1） 等高线数据矢量化[9]。

2） 数据修复。基于CAD软件修复矢量化过程中产生的数据错误更新数据属性信息。

3） 更改数据格式。为解决数据属性杂乱，基于分层转换采用ConversionTools工具，更改AutoCAD数据格式为ArcGIS支持的.shp格式数据。

4） 生成TIN。通过ArcGIS中的CreateTIN FromFeatures工具生成不规则三角网。

5） 构建DEM。通过ArcGIS中的Convert/TIN To Raster工具构建DEM。

1.1.2  制作数字正射影像DOM

为使三维数字化重建效果更贴近实际情况，需叠加数字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）于DEM。高质量数字正射影像制作是实现生态交错带景观空间格局三维重建的重要环节[10]。

数字正射影像通过数字高程模型采用影差改正和影像镶嵌方法处理采集的二维图像，依照图幅范围剪裁生成高质量数据。DOM是利用专业地理信息分析软件校正生态交错带景观空间格局图像，消除畸变和位移产生的误差，获取涵盖生态交错带景观空间格局具体信息的数字正射影像[11]。其包含完整饱满的生态交错带信息，整体色调清晰均匀。DOM的制作分图像整改、图像融合和影像评价等步骤。

二维图像整改目的是融合DEM数据与生态交错景观带的空间格局图像[12]，由GPS获取控制点，通过正射整改、配准点选取、二维图像配准实现二维图像整改。

二维图像融合是将生态交错带景观空间格局图像数据与其他信息融合的过程，图像融合可以在一定程度上提升图像分辨率，增加图像集几何精度和特征显示能力，有效改善生态交错带景观空间格局图像数据精确度，丰富图像信息的同时清晰展现生态交错带景观细节信息[13]。二维图像融合涵盖许多关键技术，如数据配准、融合方式选择等。

影像评价标准通常情况下包括：清晰度、精准度以及实时性等，根据这些指标评估生态交错带景观二维图像影响质量。

1.2  利用TerraBuilder进行三维数字化重建

TerraBuilder是一款三维地形数据集创建管理工具。TerraBuilder通过叠加数字正射影像、数字高程模型以及各项矢量数据，建立海量三维生态交错带景观空间格局数据库。TerraBuilder支持非同种格式数据导入，处理海量数据的同时高比例无损压缩数据，将非同种分辨率、非同种大小的生态交错带景观空间格局图像数据与数字正射影像数据融合，建立三维数字化生态交错带景观空间格局[14]。在生态交错带景观空间格局三维重建时，通常采用叠加DEM和DOM实现三维生态交错带景观空间格局建模[15]。基于TerraBuilder生态交错带景观空间格局三维数字化重建具体过程如图1所示。

详细分析生态交错带景观空间格局三维数字化重建过程如下：

1） 数据预处理：数据预处理对象为基于ArcGIS构建的数字高程模型和数字正射影像。

2） 叠加数据：将矢量数据和预处理完成的DEM和DOM数据叠加在TerraBuilder中。如果导入的数据源坐标系不同于工程坐标系，需重新投影完成整改。TerraBuilder以多分辨率级处理不同分辨率影像数据，生成生态交错带景观空间格局影像金字塔。

3） 数据处理：使用TerraBuilder数据编辑工具，编辑、剪裁、校正数据叠加完成的各项数据。

4） 数据融合：数据融合即正确匹配DEM和DOM数据。若此过程产生较多变形情况，则需重复数据处理步骤，再次匹配DEM和DOM数据。

5） 建立数据库：打包TerraBuilder处理完成的数据，建立MPT格式的生态交错带空间格局数据集文件，实现生态交错带空间格局三维数字化重建。

2  实例分析

以某海岸生态交错带为实验对象，验证本文系统生态交错带空间格局三維数字化重建效果。本文系统采集海岸生态交错带景观空间格局图像的无人机航线任务规划如图2所示。采集到的海岸生态交错带景观空间格局图像如图3所示。该图像素矩阵大小为400×320，分辨率为1 024×786，由于海岸生态交错带景观空间格局具备较明显的地形起伏特点，所以能精准地反映本文系统的适应性。

由图3可以看出本文系统得到的生态交错带景观空间格局图像画质清晰、格局鲜明，原因在于本文系统数据处理过程中建立数字高程模型，并在模型上叠加数字正射影，有效校正图像，消除重建误差，使生态交错带信息完整展现。海岸生态交错带景观空间格局的三维数字化重建结果如图4所示。通过图4三维重建结果，分析该海岸生态交错带景观空间格局，获取各斑块要素动态信息，分析该海岸生态交错带景观空间格局中各斑块在空间格局中的分布情况数据，根据村镇、耕地、未开发土地等斑块规模和斑块面积比，正确规划该海岸生态交错带景观空间格局。根据各斑块规模和破碎化指数，判断该海岸生态交错带景观开发利用强度。通过生态风险指数评估各个板块的风险强度，为生态环境管理与决策提供依据。综上可知，本文三维数字化重建系统为有效分析生态交错带景观空间格局、掌握斑块多样性提供分析工具与参考依据。

3  结  论

本文设计的生态交错带景观空间格局三维数字化重建系统优势在于：通过数据处理模块利用采集的生态交错带景观空间格局二维图像及DEM数据构建数字高程模型，在此基础上叠加数字正射影像，使生态交错带景观空间格局的三维数字化重建效果更加逼真，贴近实际情况。本文设计的三维数字化重建系统不仅可以展示三维的生态交错带景观空间格局，还可从中获取景观斑块分布情况，分析生态环境的景观多样性等信息。生态交错带景观空间格局三维数字化重建系统为城市景观格局规划、合理布局生态交错带创造了可视化的技术条件。

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