淺析無人機航拍與ArcGIS在林業調查規劃中的應用

劉靜

海南新綠神熱帶生物工程有限責任公司，海南海口570203

在近代林業科學生產管理工作中，最基礎的林業工作就是林業調查規劃，該項工作指的是對林區自然屬性與社會屬性進行詳細探查和統一規劃的一個過程，例如森林資源與生態質量進行調查與監測、生態質量的調查與監測、林業生態工程規劃設計或者是森林資源資產評估都屬于這一范圍。

過去國內林業資源管理水平參差不齊，生態的多樣性、動態性大大加強了林業資源管理的難度。在科學技術不斷發展的現在，林業調查所應用的調查技術也在推陳出新，無人機航拍技術的出現降低了林業調查的規劃工作難度，在ArcGIS 地理信息系統軟件配合下，降低人力資源，節約大部分人工調查成本，為林業調查提供更為準確數據支持，提高工作效率[11]。

1 林業調查工作方式的發展演變

在封建社會初期已經存在類似現在的三類森林資源調查類型的工作，德國最早開發了比較準確的森林地圖和計算立木材積的算法, 但是必須實地測量才能得到數據,這就拖慢了調查的工作效率,并且消耗大量人力和物力資源。后來有人發明了標準地調查的方式，節約了大量的時間和人力，但是在精準度方面如調查時期長久易找不到位置，造成誤差。隨著時代的發展和林業調查規劃的要求水平的不斷變化，直至19 世紀30 年代，抽樣調查方式和航空攝影測量等技術問世，調查效率和精度才大為提高。到現代，各種新型測量工具及智能終端等相關設備的相繼問世，為林業生產工作節約了時間，為管理者針對性的決策方案提供了更多可靠的數據依據，為實現林業行業現代智能化奠定了良好的基礎。

1.1 傳統衛星遙感技術與ArcGIS 在林業調查工作中的應用

傳統衛星遙感技術主要表現在林業調查規劃工作的可視化，通過遙感影像可快速判斷林地的屬性，歷史拍攝時間統一，便于大型外業調查影像分析工作，降低了林業工作的強度。ArcGIS 軟件是計算機和信息系統技術在地理測繪使用調查中根據需要而發展出來的應用軟件, 是結合地域和數據信息處理的綜合體。ArcGIS 系統為林業調查規劃工作的展開提供相應的數據支持和參考，其強大的分析能力和數據存儲功能，保證了調查的水平和預期的效果，優化了以往林業調查規劃繁重的內業整理工作。但是在實際工作中，Google Earth 的衛星遙感影像在信息更新方面顯得過于陳舊，存在分辨率低、立體觀察效果不好、獲取不穩定、成本高等問題，尤其在開展外業調查工作時，山區林間周邊環境地勢復雜，不確定性危險因素較多，跋山涉水和調查地域的封閉性讓調查的危險系數增加，衛星遙感影像和實際調查的定位會出現一定的問題，導致其最終所獲得的結果不夠準確[2]。

1.2 無人機航拍與ArcGIS 在林業調查工作中的應用

用無線電遙控和計算機系統一起進行遠程操控的不載人飛行技術可以理解為無人機技術，加載上攝像鏡頭進行拍攝的行為可以稱為航拍。這項無人機航拍技術對多種多樣的林業地貌資源進行衛星定位，實施通信定位技術監測得出數據和信息，使用Pix4Dmapper 等相應的軟件拼接影像數據，并在軟件中進行坐標投影轉換導出拼接好的矢量圖。在ArcGIS 軟件中校正航拍影像數據與地圖數據之間的匹配度，再導入實際控制點或者調查范圍可以準確獲取控制點的坐標值和調查范圍的分類區劃，正射影像得出的矢量數據也可以由ArcGIS 計算得出面積、株數，得出成活率和保存率，定位需要補植的植株位置。航拍出來的影像圖分辨率達到了肉眼近地觀測的精度，針對不同載荷和不同業務，林業技術人員可以根據以往調查經驗，在ArcGIS 中實現精確判讀同一區域的過渡地類，提高判讀精度，在保證調查準確性和地類識別精度的同時，后期通過影像數據判斷設計出圖能減輕內外業調查工作人員的工作強度。兩者靈活的使用方式，兼容又穩定的系統，相較于過去的調查方法有著更便捷的現代化促進效果，不會造成過程中的額外損失。可以協助調查規劃技術人員進行復雜的多層數據對比，定位和詳細描述現場獨特現象，通過大量數據支持預測將來的情況，讓參與工作人員充分了解現場情況。最終ArcGIS 軟件處理后生成圖紙，發到調查執法等監督機構通過高清遙感影像圖紙，分析計算出林間植物遭遇破壞的地點和程度，可以及時對違法征占、毀林、開荒等行為進行教育糾正和處罰處理。調查整改后得到的矢量數據可以在ArcGIS 數據庫進行更新替換，對數據信息進行統一存儲管理。

2 無人機航拍在林業調查工作中的優勢與劣勢

無人機航拍技術在林業調查規劃應用的越廣泛，人們對這項技術的了解就越深入。這項技術的優勢表現在可以在不同環境條件下獲取森林資源的高清航拍影像數據，分辨率可達厘米級，并且可以低空下飛行，避免了云層遮擋調查區域的問題，準備工作時間短，可動態操作調查，操控簡單。無人機體型小、攜帶便捷，快速到達目的地后可以馬上開展工作。地面測繪工作人員通過對顯示屏內的情況，對無人機攝像進行實時的調整，幫助內業測繪人員準確區劃調查區域上方的位置，拍攝到有助于規劃決策的影像信息及并準確提取調查因子[3]。對平坦地面情況選擇正射航拍，后期幾何校正處理，可以做到不采集地面控制點,獲取符合核查技術要求的信息，航拍影像與遙感歷史影像數據可以互相分析和對比，對林業的執法和監督機構提供有力的幫助。

但隨著無人機航拍技術應用的廣泛深入，也讓人們發現它存在的一些急需攻克的技術問題，如無人機的操控時很多時候會涉及法律法規、地方電磁、氣象、軍事管制等問題；沒有規范的技術操作約束，容易在使用時導致機器出現意外，勞民傷財，而且無人機的續航能力也是飽受詬病，在大型外業調查工作中，無法長時間持續工作，連續性不能保障，任務完成還存在不可預知性。山林地帶地勢復雜，除管制禁飛區域外，受強電磁和雨雪大風天氣影響，飛行狀態非常容易受干擾，所以在開展外業調查工作時，技術人員要靈活使用無人機來進行航拍。

3 無人機航拍發展前景分析

無人機航拍技術可以涉及到多個行業多個專業領域。目前涉及林業領域已經有森林火災、森林病蟲害遙感監測、森林精準植保、森林資源調查、野生動植物監測與識別以及林業執法等等。無人機航拍技術已經滲透這些領域其中并發揮著它的優勢作用，例如：森林火災具有三大特性，分別為隨機性、破壞性大和突發性，中國森林火災每年夏季發生的頻率頗高，在火災發生前利用無人搭載可見光和紅外攝像機對其進行有效的巡查監測、及時發現火點和精確定位，可將現場地理情況和蔓延趨勢回傳控制中心，輔助現場指揮迅速反應和及時撲救，由此可見無人機航拍在森林防火應用中十分重要。林區里的植被受到病蟲害影響會在航拍影像中會呈現出林冠形狀和植被密度、顏色會有不同變化及差異等特征，在反饋回的影像圖中可以被有效識別。無人機航拍技術應用在森林資源調查中，可以實現森林資源管理與林業可持續經營的互補，及時、準確地掌握森林資源情況，例如監測荒漠化和沙化區內的荒漠化和沙化范圍、分布、植被覆蓋度等情況，還可以利用搭載相機和高光譜成像儀、搭載激光雷達等設備獲取目標區域內的林木三維點數據，實現準確識別調查區域內的林種和遍布范圍、林木因子信息等等；林業執法管理是現代林業建設發展的重要組成，是森林資源強有力的保護措施之一[3]。無人機航拍的另一個重要應用是開展林區執法活動，能高頻、多次、固定范圍進行檢測，及時發現違法占地、盜砍濫伐、違章用火及野生動物的盜獵和貿易等非法行為。野外林場、公園和城市綠地等地已日漸成為違法犯罪活動的重災區，運用無人機航拍能提供確實的違法證據和違法范圍，從而更好保護林間大部分植被和野生動物。

4 結語

在未來林業調查規劃改革的大環境下，對人員和設備優化配置有著很高的要求，科學化的調查規劃方式會普及在各種樣地調查、造林核查、行政執法等領域。無人機航拍技術作為傳統衛星遙感技術的重要補充之一，符合未來對林業行業發展前景規劃的技術層面要求[4]。林業部門通過使用無人機航拍技術、ArcGIS 地理信息系統結合云計算，人工智能技術及大數據等高端制造設備，完成規劃飛行調查、目標屬性識別，提前預判感知周邊環境，使未來林業建設逐漸進入無人機數字化建模時代，最終實現森林資源管理與監測的一體化。