基于無人機多光譜遙感的園林樹木智慧化管理應用研究

曹勝昔，解旭東，郜 鵬

（北方工程設計研究院有限公司，河北石家莊 050000）

0 引言

隨著無人機技術的不斷發展，無人機類型也逐漸多樣化，并廣泛應用于林業、農業、建筑業等各領域的勘測工作中。

1 無人機遙感系統概況

無人機系統是對無人機概念的擴展，它是一套綜合的技術支撐系統，主要通過地面控制站、無人駕駛飛行器、數據傳輸系統來操控飛行、處理數據和傳導信息[2]。

無人機遙感系統（UAV remote sensing）作為一種攝影測量與航空遙感系統，以無人機為平臺，通過搭載數碼相機、激光雷達等各種傳感器，可以在幾千米的飛行高度內獲取照片、視頻以及遙感影像數據。無人機遙感系統可以智能快速的獲取遙感影像信息，并通過相關軟件進行后期處理、建模和分析，具備傳統衛星遙感所不能比擬的高時效、高分辨率優勢。

1.1 無人機遙感技術工作原理

無人機遙感技術由3部分組成，地面工作基站主要負責對無人機航線的設計及對無人機工作情況的實時監控，并將其拍攝的數據進行收集整理，無人機的工作是利用搭載在機身上的配套裝置按照預先設定好的航線飛行，通過搭載的紅外線傳感器、遙感傳感器等工具進行數據采集。除此之外，傳感器還會與地面基站保持通信并保證安全飛行。

1.2 無人機多光譜遙感的優勢

無人機多光譜遙感是以多光譜傳感器為主要載荷，快速獲取和處理遙感影像數據的攝影測量與航空遙感技術。相比較傳統的非量測數碼相機和其他的遙感平臺，無人機多光譜遙感除了可以檢測面積變化、樹種類型、樹種分布、樹木數量、生長量變化、綠蔭覆蓋率等常規指標外，還可以搜集肉眼觀察不到的光譜信息。這些信息可以間接反映出園林植物的生物量、葉綠素含量等生理功能性狀。基于這些信息，可以搭建病蟲害和入侵生物的監測預警體系，通過統計分析病害發生面積、發展程度以及趨勢[3]，評估災害的風險等級并及時預測預報，進而為病蟲害的防治提供依據。同時，根據評估結果，合理規劃防治路線，通過高空噴藥的手段進行防治，既提高了防治效果和工作效率，又減少了對人體的傷害，節約了人工成本。

2 無人機多光譜遙感在園林樹木管理方面的應用

2.1 項目概況

崇禮區冬奧生態風景道作為2022年北京冬奧會張家口賽區的一條重要的生態廊道，對提升冬奧景觀品質具有重要意義。該廊道綠化工程全長約17.5km，綠化面積4380畝，種植喬木有云杉、油松、樟子松、白樺、五角楓、山桃、北美海棠等15種；灌木有紫丁香、紅瑞木、沙地柏等8種。

為了彰顯“科技冬奧”的主題，方便后期景觀生態修復效果評估和監測管理，擬應用無人機搭載多光譜傳感器技術進行動態監測，通過對監測數據進行綜合分析，采取適當的技術措施進行養護管理和優化提升。

主要目的：驗證無人機搭載多光譜傳感器技術在園林樹木養護管理中應用的技術可行性。

2.2 擬應用技術與設備

（1）多光譜遙感及數據處理技術

多光譜傳感器理論上可獲得200多種光譜信息，通過更換不同濾光片來獲取所需的光譜波段信息，將獲取的遙感影像導入ERDAS、ENVI等軟件進行處理分析可以得到想要的成果。

（2）航跡規劃技術

對于人難以到達、起伏不大的相對平坦地區，采取常規航路規劃技術進行航空攝影測量。

表1 無人機遙感使用的設備及設備功能定位

對于人工難以到達、地勢起伏較大的地區，為了獲取準確的影像數據，可根據山地的等高線設計航拍路線。獲取遙感數據。

（3）電子地圖成圖技術

差分GPS自動駕駛儀技術結合地面外業控制點或者高精度電子地圖對航拍拼圖進行校正，可形成亞米級精度的電子地圖，完全能滿足園林綠化行業需求。

（4）系統設備

該技術采用的主要系統及設備有：固定翼無人機遙感信息系統、外業數據采集設備、數據處理和分析系統，見表1。

其中，固定翼無人機遙感信息系統采取FLY-1型固定翼無人機系統和ADC多光譜相機。

固定翼無人機比旋翼無人機速度更快，飛行時間也更長，其航程一般在幾千米以內，適用于尺度較大的場地信息的獲取。ADC多光譜數碼相機用于拍攝范圍在520～950nm的綠、紅和近紅外波段（TM2、TM3和TM4）的圖像，通過分析地表植被和植物冠層的反射和吸收，可以觀測到植被類型、植被生長量、植被覆蓋度等多項指標。后期利用軟件對生物多樣性指數、NDVI（歸一化植被指數）等多種植被指數進行計算，方便對植被生長情況進行分析。

2.3 技術方案

具體來說，分以下幾個步驟：

（1）系統架構設計

系統大致可分為四大功能模塊。①GIS基礎模塊包括遙感影像等柵格數據、mxd格式文件以及區劃的矢量數據的輸入；影像數據的量測以及屬性編輯等；②空間區劃、面積計算模塊提供小班等國家標準區劃符號，同時區劃結果進行面積計算；③信息提取模塊將場地海拔、坡度、坡向等矢量數據信息提取存儲到對應的屬性數據庫中。苗木的冠徑、樹高、胸徑、株樹密度、生物量等信息都可以通過本模塊得到；④結果輸出模塊有報表輸出和圖表輸出兩種類型。報表輸出主要用于輸出屬性類表格信息，如小班屬性表等；圖表輸出主要用于輸出空間類信息，如各類林相圖等。

（2）監測指標確定

在咨詢專家、查閱文獻的基礎上，依據項目實際需要選擇相關指標（見表2）進行監測。

表2 監測指標

覆蓋率：100%，對調查區實施100%覆蓋遙感監測；

準確率：＞90%，測報準確率不低于90%；（需地面調查）；

地面分辨率：優于0.2m；

定位精度：＜5m，對病死樹、枯死樹的定位精度優于5m。

（3）無人機數據獲取

首先，使用無人遙感信息系統對選取樣地的地形以及植被進行高精度（地面分辨率優于0.2m）的遙感監測，航飛航線規劃為旁向重疊75%，航線重疊65%，航高500m，監測次數為每個季節兩次。

（4）數據處理分析

將獲取的遙感影像導入GIS/ERDAS/ENVI軟件進行處理，提取地形數據和相關苗木信息進行初步數據分析。

（5）人工抽樣確認調查

地形因子：綜合典型抽樣與隨機抽樣的方法，垂直等高線或林帶走向設置多邊形樣地，采用皮尺、手持式GPS儀等儀器測量樣地的高程、坡度信息。

植被因子：比如統計感病、枯死株樹；結合林相圖統計發生面積。通過使用外業調查PDA設備，在GIS和GPS技術的支持下對目標區域的災害情況進行現場數字化采集，獲取野外調查數據，并對這些數據進行鑒定、檢查、處理、統計，結合遙感監測結果和林相圖，依據統計抽樣理論、國家標準，對遙感監測數據進行評估，統計發生面積、感病、枯死株樹等相關信息，形成災害分布圖。

（6）輸出成果，分析評估。對核查的結果進行比較分析，將在誤差范圍內的數據信息輸入系統平臺。通過建立相關數學模型對各項數據進行計算，并輸出最終的結果。依據結果對樹木生長狀況進行評估預測，形成綜合分析報告，為后期養護管理提供理論依據。

3 結語

本研究積極響應設計師和景觀從業人員的相關需求，創新地運用無人機多光譜遙感來監測和分析園林樹木長勢、布局、病蟲害等各項信息，為實現園林樹木智慧式管理提供了一種思路。

綜上所述，隨著我國信息技術的不斷發展，在城市園林綠化工程中融合信息技術、構建智慧化管理體系，對于優化管理系統的功能與結構，提高管理工作的質量與效率起著至關重要的作用，此外，還能夠保障城市園林綠化管理工作的正常進行，實現網絡數據的共享，促進部門之間的溝通協調，有利于我國城市園林綠化工程的可持續發展。