利用無人機獲取林區DSM的方法

楊 衛， 劉曉陽

(1.四川中水成勘院測繪工程有限責任公司，四川 成都 610072； 2.華中農業大學 園藝林學學院，湖北 武漢 430070)

1 前言

數字表面模型(digital surface model，DSM)是很多測繪產品的一個很重要的中間產品，它基于DSM可以進一步編輯、處理制作DEM、DOM、TDOM、DLG、三維模型等。作為地理信息系統的重要數據來源，DSM的應用范圍很廣。近年來，在林業調查研究領域應用發展迅速，研究人員對DSM模型數據的需求日趨增多。

傳統的林業調查依靠人力進行實地定點監測，效率低，加之林區地形多復雜，有許多監測盲區，誤差較大。對森林資源調查方式的探索，將無人機應用于林業調查中，不僅可以有效提高林業調查的效率，并且可以獲得高分辨率影像資料。為今后對森林資源的保護以及利用提供科學的數據，同時加強了無人機在森林調查上的應用。基于此，本文結合實踐，闡述利用大疆無人機御MAVIC2對華中農業大學獅子山部分森林進行調查，從而快速準確獲得DSM的方法。

2 無人機及其軟件

2.1 無人機

此次調查選用的是大疆御MAVIC2無人機，搭載哈蘇L1D-20c相機,像幅 5 472×3 648，等效焦距28 mm。采集時需保障相鄰航線正投影像圖重疊率在40%以上，航線方向正投影像圖重疊率在60%以上。

2.2 無人機軟件

本次無人機調查的影像數據，主要利用Pix4Dmapper軟件進行處理，從而獲得DSM模型。Pix4Dmapper是瑞士Pix4D公司的全自動快速無人機數據處理軟件，是目前市場上集全自動、快速、專業精度為一體的無人機數據和航空影像處理軟件。

3 材料與方法

3.1 研究區域概況

調查區域是湖北武漢華中農業大學博園宿舍區與獅子山交接處的150 m×150 m的方形樣地，區域內主要樹種為懸鈴木、馬尾松、樟等。

3.2 數據獲取方法

利用大疆御MAVIC2無人機，對獅子山部分森林區域進行調查，獲得DSM模型的方法，就是通過DJI GO4軟件對所選區域進行航線規劃，設置好各項參數之后，執行飛行航拍任務。此次航線設計采用了兩種不同的設計進行比較試驗，分別是常規航線(圖1左)和網格航線(圖1右)，從而判別所獲得DSM模型的準確度。

圖1 常規航線與網格航線

航拍結束后，將獲得照片存入PC端，利用Pix4Dmapper軟件進行處理，生成TIF格式的DSM模型圖。這種獲取方式與傳統方式相比，無論是精確度還是速度都有極大的提升。

3.2.1 外業飛行

(1)選擇起飛地點 。起飛點的選擇對整個調查工作有著重要作用，宜選擇空曠、視野寬闊的地方，適宜無人機起飛和降落。其次無人機拍攝的影像要求較高的重復率，所以選擇的起飛地點為高海拔地區。

(2)新建飛行任務及設置參數。起飛地點選擇好了，利用DJI GO4軟件連接無人機，設置相關參數。此次飛行高度設置為100 m；其次設置相鄰航線正投影像圖重疊率為75%，航線方向正投影像圖重疊率為85%，主航線角度隨任務區域的形狀進行調整，垂直向下拍攝，其他參數默認即可。

(3)執行飛行任務。各項參數設置好后，即可進行飛行任務拍攝。因為拍攝時間較長，一塊電池的電量不足以支撐整個過程，需要更換，然后才能繼續調查。任務完成后，將無人機降落在指定區域內。

3.2.2 內業數據處理

數據處理輸出結果。本次實驗調查，其中常規航線拍攝獲得影像圖片57張、網格航線拍攝獲得影像圖片94張，分別用Pix4Dmapper軟件處理這兩種航線拍攝的影像圖片。處理完畢后，即可獲得不同航線的質量報告和TIF格式的DSM模型。

4 結果與分析

4.1 精度分析

將兩種不同的航線拍攝的影像圖片，經過Pix4Dmapper軟件處理后，獲得了兩份質量報告，其主要參數如表1所示。

表1 網格與常規航線影像處理數據比較

從表1可以看出，常規航線的平均地面采樣距離為2.19 cm，而網格航線為2.16 cm，均能保證所獲得DSM模型的精確度。其他參數也都從不同的方面，顯示出網格航線拍攝的影像數據更能準確地表達調查區域的實際情況。

4.2 DSM模型結果

將獲得的兩種航線的DSM模型，用ArcMap軟件進行處理，處理結果如圖2、圖3所示。可以看出，兩種航線的DSM均能詳細的表達了地形和地物信息。但是，相比較而言，常規航線在拍攝過程中，受外部因素影響(風力、操控因素等)，易導致拍攝影像質量不高，從而使后期處理時，軟件無法識別，模型部分區域有所缺失。而網格航線在航線設計上，提高了航向、旁向上的重復率，從而有效地避免了拍攝過程中外部因素的影響，提高了模型反映地物地表的信息準確度，工作效率也提高。

圖2 常規航線DSM模型

圖3 網格航線DSM模型

4.3 不同覆蓋度的DSM高度信息

將利用網格航線拍攝所獲得DSM，用ENVI軟件處理。選取三處植被覆蓋度分別為100%、80%、60%的區域，判斷其高度信息。從DSM高度可以看出，在此次調查區域內，覆蓋度越高，高度變化幅度較小，且地理位置也越高；反之，覆蓋度越小，高度變換幅度較大，地理位置較低，符合調查區域實地情況。

5 討論

5.1 可行性

在林業調查中，將無人機技術和遙感技術結合應用，可提高林業調查的速度和效率，且獲得高分辨率影像資料。此次試驗結果表明，通過無人機技術能夠獲得目標區域的地表地物信息，能夠反映調查區域的具體情況，且能生成調查區域的三維模型，能夠滿足調查的基本需求。所以，利用無人機獲取林區DSM的方法是可行的。

5.2 效率和精度

傳統調查的方法得到的DSM，不僅費工費時，而且在精度方面有很大的誤差。主要是由于傳統調查的方法，受到地理因素和人為因素的影響較大。而本次利用無人機獲取林區DSM的方法，表現出高效、快捷、準確的特點。其平均采樣距離達到了2.16 cm，處理時間只用了50 min 28 s，生成的數字表面模型無幾何變形，高程信息準確，整體顏色均一。

5.3 航線設置

本次實驗中，通過常規航線和網格航線的設置，進行比較實驗，用來判別獲取DSM的精確度。結果表明，在進行常規航線飛行時，無人機由于風力、操作不當等原因，造成拍攝影像資料質量有所缺陷，后期處理時，DSM邊緣區域有所缺失；而通過航線的改變，使用網格航線進行飛行時，由于提高了航向和旁向上的重復率，減少了無人機拍攝過程中所受的外部因素的影響，降低測量偏差，提高精準度，最終達到目標結果。

5.4 內業處理相關問題

在內業處理時，Pix4Dmapper軟件在進行拼接影像時，如有影像重復率達不到要求，最終會導致成果影像出現模糊、缺失等現象。這也是此次常規航線生成的成果影像出現缺失的原因之一。

6 結語

利用無人機進行林業調查，極大地推動了現代林業的發展。本文將理論結合實踐，探索了利用無人機快速獲得林區DSM的方法，并通過兩種航線設計進行比較分析，來論證獲得的DSM的準確性。結果顯示，無人機作為新型的調查設備，所獲取的遙感影像制作的DSM是符合測量要求的。然而，使用此方法獲取林區DSM還有待進一步提高，例如無人機航線的設置、圖像重復率等，這些都對最后的結果產生影響。