無人機航攝技術在遼寧省森林資源調查中的應用分析

姜佳曄

(遼寧省林業調查規劃監測院，遼寧 沈陽 110122)

1 引言

隨著技術的快速發展，小型無人機在遠程遙控、續航時間、飛行品質、圖像處理等方面有明顯的進展，成為近幾年新興的遙感手段，并在遙感界被普遍認為具有良好的發展前景。在森林資源調查工作中，無人機調查較比傳統遙感手段而言，更具有時效性，能及時應對不同環境下的突發情況；且無人機可以實現低空拍攝，在影像精度上可以達到厘米級的分辨率，可以滿足絕大部分的林業遙感工作需求。近年來，遼寧省也開始嘗試應用無人機航攝技術開展森林資源調查工作，并于2019年成功應用于全球森林資源評估遼寧外業調查工作中，本文主要介紹近年來無人機航攝技術在遼寧省森林資源調查工作中的應用情況，以及存在的問題、對策和應用前景展望等。

2 無人機航攝技術

無人機航攝技術的應用主要依托于無人機這個重要載體，本文探討的無人機型號是DJL4.0PRO。該機型起飛重量為1375 g，最大飛行高度為500 m，飛行時間約30 min；翼展為289.5 mm，機長為289.5 mm，高度為196 mm；自帶一體式云臺相機，可控轉動范圍俯仰-90°～+30°；最大水平飛行速度為72 km/h(運動模式)或50 km/h(定位模式)。該機型配備視覺系統與紅外感知系統，提供多方位的視覺定位及障礙物感知，在林區起飛時，在一定程度上避免刮碰，對機身造成傷害。綜上所述，該機型在外業調查時，方便攜帶，起落智能，方便操作，航攝影像空間分辨率高，且價格適中，適合大多數項目在外業調查工作中的應用(表1)。

表1 無人機的技術參數

3 無人機航攝技術在遼寧省森林資源調查中的應用現狀

應用現狀部分建議增加全球森林資源評估外業拍攝的數據資料，可以以表格形式列出，同時增加全球森林資源評估工作的主要工作流程，詳細介紹28個樣地數據在各工作環節中是如何處理的，以此來說明無人機航攝技術在森林面積踏查、森林地類變化、森林屬性分析方面是如何應用的，來展示應用現狀(以下介紹的3點可以保留并增加一些具體的東西，本文重點是現狀，現狀介紹最好有實際的東西，這樣才能體現是在遼寧的應用現狀)。

2019年4～5月，遼寧省使用無人機展開了全球森林資源評估在省內的外業調查工作，外業調查共31塊樣地，成功飛行28塊樣地，成功率達到了90%。目前，在遼寧省內沒有開展全省范圍的無人機調查，這是需要森林資源調查監測工作中亟需提高的短板。利用無人機影像，主要對以下3方面內容進行操作及分析。

3.1 森林面積踏查

由于無人機影像的空間分辨率能夠達到厘米級的精度，因此可以結合影像，針對不同地類進行精細區劃，進而計算面積。使用ARCGIS軟件中編輯模塊(EDITOR)，加載無人機影像做底圖，編輯面圖層對影像進行矢量化處理，以此可以得到二級地類、甚至是三級地類的精細區劃，再對面圖層屬性表中Shape Area一列進行幾何體計算(Geometry Calculate)得出具體面積。這樣大大減少傳統外業調查中，人工跑圈的誤差。對于以樣本估計總體為理論指導的工作，可以減少樣本誤差，以提高對總量的估算精度。

3.2 森林地類變化

近年來，為了與森林督查暨森林資源管理“一張圖”年度更新工作銜接，對于有變化地塊，無人機可以及時掌握變動情況，實時監測森林資源動態。在ARCGIS軟件中加載前期影像和無人機影像，疊加林地變更數據，使用EFFECTS工具欄中的卷簾工具對前后期影像進行對比，判讀出不同地類。

3.3 森林屬性分析

利用無人機影像，可以對樹高、冠幅、郁閉度等因子進行提取。在ARCGIS軟件中，對無人機影像中所選擇的標準木進行因子提取。樹高的提取方法為通過標準木邊緣4個方向的地面點坐標確定地面高度，由樹冠中心坐標確定樹干高度；冠幅的提取是使用測量工具，對樹冠南北和東西邊緣之間的距離進行測量，并計算平均值。郁閉度可以對樣地集中選取N個樣木點，通過冠幅的平均值，形成N個樣木的緩沖區，計算其面積，再除以樣木點所在的范圍面積，得出該樣地的郁閉度。

4 無人機在外業調查應用中存在的問題

4.1 無人機受外部環境影響較大

在全球森林資源評估外業調查中，共拍攝了31塊樣地，其中成功拼接28塊樣地，有三塊樣地拼接失敗。失敗原因：一是因為山區海拔落差大，無人機采集照片在拼接時難以找到同名點，導致拼接失敗，影像出現空白或是拉花比較嚴重；二是拍攝當日風力較大，在飛行拍攝過程中偏離航線，導致照片丟失，無法進行拼接；三是部分偏遠地區信號較弱，飛行中與無人機失聯，因此強制返航，導致拍攝失敗。

4.2 無人機飛行器續航時間短

影響無人機續航時間主要取決于機身自重及搭載傳感器的重量、電池的容量及安裝的塊數。電池容量小會導致續航時間短，拍攝時長不充分；而電池容量大就會導致無人機機體重量較大，為外業攜帶帶來不便。本研究中該機型續航時間為40 min，在無風天氣條件下，起飛高度200 m左右，續航時間約20 min，踏查范圍約為40 km2。輕小型無人機普遍存在續航時間短的問題，但由于體積小，便于攜帶，成本較低，常用于林業外業調查。

4.3 無人機搭載傳感器類型單一

目前，省內森林資源調查使用的無人機搭載基本都是光學相機，對于高光譜、多光譜、熱紅外相機、激光雷達等傳感器的應用還屬于起步階段，這些傳感器對于樹高的測定、樹種組成識別、森林冠層結構與屬性測定及生物量測定等都有更好的成果。

4.4 缺乏針對林業專業設備及軟硬件方面的開發

目前使用的無人機設備并非針對林業工作開發的專業設備，在軟件及硬件的使用上存在一些問題，導致無法更高效率的完成任務。現在市面上大多無人機設定航線后，只能在一個高度飛行，而外業調查實際工作中，海拔落差較大，無人機的飛行高度無法隨著地形改變。在內業工作中，由于林木之間成像相似，因此拼接過程中，照片與照片之間難以融合。使用PhotoScan、Pix4Dmapper等軟件拼接照片時，海拔落差較大的林區，成像效果不太理想。

5 提高應用效率的建議

5.1 針對無人機方面，應提高航攝效率

一是通過無人機與人工智能的結合，提高無人機的自主辨別能力，可以在林區地勢更復雜、氣候更惡劣的條件下完成任務，縮短外業調查工作的時長，保證工作的安全，降低調查的成本；二是通過對無人機飛行平臺的升級及其搭載的傳感器研制，提高續航能力、增大有效載荷、提高成圖效率和成圖精度；三是研究輕小型多視立體航攝儀、小型機載激光雷達、熱紅外成像儀等多傳感器與飛行平臺及飛控系統的集成技術，開發基于輕小型無人機的實景三維模型、機載合成孔徑雷達影像圖、熱紅外航空遙感影像圖等產品，推廣輕小型無人機在林業生產中各個領域的應用。

5.2 加強與相關單位溝通，開發林業專業化設備及軟件

目前，無人機在森林資源調查工作中涉及的領域太單一，應與相關單位加強溝通，研發更適合外業調查模式的無人機軟件，包括外業調查時針對林區起飛及起飛模式的設置、航攝照片的拼接、采集數據的分析等一列工作，進行專業化的處理。

5.3 加強業務人員的專業培訓，提高對無人機在不同地類下的應用能力

在實際操作中，飛手對現地情況的掌握及對無人機性能的了解，都對樣地飛行成功起到關鍵作用，因此對飛手的專業技術要求較高。今后林業外業調查的重點是輕小型無人機搭載多視立體航攝儀、小型機載激光雷達、熱紅外成像儀等多傳感器，拓寬地面巡視，快速獲取地表信息。因此，要加強業務人員林業與無人機的專業培訓，針對不同立地條件、不同林分因子的地類進行差別化、針對性的操作。

6 應用前景及設想

6.1 利用現有的資料及無人機成片，建立遼寧省無人機遙感解譯庫

遼寧省森林資源數據庫建立較早，且每年進行更新，數據更新快，準確性大幅度提高。可把目前掌握的現地核實數據為基礎，并選擇補充一些典型樣地，開展長期的無人機監測和詳細的地面調查，逐步建立遼寧省無人機遙感解譯庫。

6.2 建立遼寧省森林資源調查無人機編隊

隨著無人機技術的日趨成熟，無人機避障技術可以與人眼的視覺功能相媲美，無人機可能智能分析周圍環境，找到“工作伙伴”，篩選最優飛行方案，組建無人機調查編隊，實現協同飛行。這樣大大提高了無人機踏查的范圍，可以逐步開展對整個林場或者鄉鎮的全境普查。

6.3 建立天地空立體化調查監測體系

天地空立體化調查監測相比傳統調查監測手段更具有立體、動態、精準、迅速等特點，可及時掌握森林資源動態變化，更可以在森林火災監測、森林病蟲害監測、野生動植物監測、林業執法等工作中，起到很好的預防、控制、補救作用。

7 結語

隨著人工智能、大數據等技術的快速發展，林業外業調查方式也亟需改善。新型無人機的研發趨于專業化，無人機調查的方式可以彌補傳統調查的短板，因此，未來會有越來越多的場景下使用無人機開展調查。本文通過對無人機(機型DJL4.0PRO)在遼寧省森林資源外業調查工作中應用情況的介紹，分析了應用中存在的問題，結合實際情況，提出了相應的對策，根據上述研究，也對未來無人機在遼寧省林業生產工作中的應用提出了展望。總之，無人機技術對于森林資源調查工作中應用價值潛力巨大，必將進一步推動森林資源調查更加高效、精準、廣泛、及時的開展。