黃文明，周宇，陳海

（?？谑辛謽I(yè)服務(wù)中心，海南?？?571101）

1 引言

1.1 無人機定義

無人機全稱“無人駕駛飛行器”，（Unmanned Aerial Vehicle）英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。它涉及傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、信息處理技術(shù)、智能控制技術(shù)以及航空動力推進技術(shù)等，是信息時代高技術(shù)含量的產(chǎn)物。

1.2 無人機在林業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展

近十年來，隨著電子與無線電控制技術(shù)的不斷進步，GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的成熟以及輕型復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，無人機行業(yè)進入快速發(fā)展階段。

目前，無人機在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，除軍事用途外，還包括農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、警用執(zhí)法、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測、森林防火以及影視航拍等民用領(lǐng)域，且其適用領(lǐng)域還在迅速拓展。

在森林資源調(diào)查、面積測繪、森林防火、生態(tài)環(huán)境、森林病蟲害防治等方面，無人機具有方便、快捷、安全、高效等特點，即通過其攜帶中低空實時電視成像和紅外成像快速獲取系統(tǒng)進行實時、不間斷地監(jiān)測。相比無人機，傳統(tǒng)的衛(wèi)星、有人機等在遙感測繪等應(yīng)用方面，其不僅僅成本高、時效性差，而且施工復(fù)雜。

鑒于無人機在林業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用上的巨大優(yōu)勢，全國各省區(qū)紛紛加大資金投入，建設(shè)相關(guān)的森林資源無人機監(jiān)控體系，以充分發(fā)揮無人機技術(shù)在森林資源調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測中優(yōu)勢作用。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 樣地選擇

圖1 各地塊示意圖

地塊 A 位于 19°53′20.22″N，110°18′29.4″E，羊山地區(qū)林中空地內(nèi)，周圍林木樹種為荔枝，平均高度8m；

地塊 B 位于 19°43′41.11″N，110°22′14.83″E，為南渡江邊防護林帶，周邊分別是水泥道路及草地；

地塊 C 為 19°44′48.16″N，110°23′22.84″E，屬農(nóng)地，周圍亦農(nóng)地，地勢平坦，無任何植被覆蓋；

地塊 D 位于 19°45′26.49″N，110°24′54.73″E，為用材林，周圍為村莊道路及農(nóng)田，地勢平坦。

2.2 設(shè)備材料

2.2.1 無人機

大疆精靈4P V2.0四軸飛行器；飛行載重：1380g；懸停精度：垂直±0.1m（超聲波工作范圍內(nèi)）；水平±0.3m（視覺傳感器工作范圍內(nèi)）；升降速度：1.5m；控制距離：6000m；飛行高度：500m；飛行時間：約28min；云臺：Phantom4一體化云臺相機；可控轉(zhuǎn)動范圍：俯仰-900±300；相機鏡頭：FOV940 20mm（35mm格式等效）F/2.8焦點無窮遠；傳感器：1/2.3英寸COMS，有效像素1240萬（總像素1276萬）；照片分辨率 4000×3000；圖片格式：JPEG、DNG（RAW)。

2018年8月，全國發(fā)行地方政府債券8830億元。其中，一般債券3564億元，專項債券5266億元；按用途劃分，新增債券5127億元，置換債券和再融資債券（用于償還部分到期地方政府債券本金，下同）3703億元。

2.2.2 T1000無人機航測系統(tǒng)

T1000一款基于旋翼無人機平臺的一體化智能航測系統(tǒng)；系統(tǒng)基于無人機航測管家 iPad版，支持正射、條帶、傾斜、環(huán)繞、全景多種作業(yè)模式的專業(yè)航線設(shè)計與全自動飛行控制功能；整合無人機管家專業(yè)版軟件，在其穩(wěn)健的空三解算、控制點測量、一鍵成圖等支持下，針對旋翼相機優(yōu)化算法，實現(xiàn)大比例尺精度應(yīng)用，并提供 DSM、真正射、三維模型等多種成果。

主要功能：一鍵快拼成圖，交互式的控制點量測，支持用戶自定義坐標系下的正射影像生成；勾繪面積，方便快捷可快速導(dǎo)入到第三方 GIS系統(tǒng)，可以快速的勾繪面積和圖形。

2.2.3 GPS

Trimble天寶GeoXH 3000亞米級GPS接收機；尺寸：23.4cm×9.9cm×5.6cm；重量 963g；操作系統(tǒng)Windows Mobile6.5專業(yè)版.

2.3 研究方法

2.3.1 采用GPS現(xiàn)地實測

手持GPS，沿小班邊界實測，現(xiàn)場獲取圖斑面積。

2.3.2 無人機航拍測量

通過T1000無人機航測系統(tǒng)和ArcGIS等軟件求算得到圖斑面積等信息。然后內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，通過ArcGIS軟件，導(dǎo)入無人機現(xiàn)場拍攝的遙感圖片，電腦上直接勾繪小班邊界，然后自動生成小班面積。

圖2 無人機測繪

圖3 GPS測繪

3 結(jié)果與分析

表1 無人機航拍與常規(guī)測量時間和面積對比Tab.1 The comparison of time and area between UVA and general measure

首先，從橫向?qū)Ρ确矫嫔峡?，?中的四塊小班完成航拍用時分別為：0.2378h、0.241h、0.245h、0.4096h，無人機在完成四個小班的航拍總用時為1.1334h；而常規(guī)測量用時則分別為 0.5833h、0.666h、0.333h、1.0833h，總用時是 2.6665h。四塊小班總共節(jié)省1.5331h，從時間效率上計算平均每塊小班提高2.3529倍。

從測量面積上看，四塊小班的常規(guī)測量面積分別比航拍面積少了 0.201、0.2206、0.188、0.1976hm2，面積比分別為 6.12%，6.66%，5.52%，3.42%，平均面積比為5.43%。

結(jié)合現(xiàn)地地形可以發(fā)現(xiàn)，此次測試四塊小班，地勢平緩，無坡度、無高度差，地塊邊界無雜草灌木，無需繞彎等，常規(guī)測量所需時間較少。如遇山坡地、谷地等，邊界雜草叢生，河溝林立等惡劣的地形地貌等，常規(guī)測量所需的時間更多，花費時間可能是航測的10～20倍，甚至更久都有可能。因此，無人機航測優(yōu)勢更明顯，效率更高。

表2 不同航拍高度照片與實際長度對比Tab.2 Comparisons between aerial photographs of different altitudes and actual lengths

在縱向?qū)Ρ确矫妫梢钥闯?，無人機不同的飛行高度與地面的呈像范圍有所不同（如表2）：

在50m飛行高度，云臺呈像范圍對應(yīng)的實地長和寬分別是75m、50m，觀測面積0.3748hm2，分辨率約0.015m；

在200m飛行高度，云臺呈像范圍對應(yīng)的的實地長和寬分別是 300m、200m，觀測面積 5.997hm2，分辨率約0.052m；

在500m飛行高度，云臺呈像范圍對應(yīng)的實地長和寬分別是 750m、500m，觀測面積 37.4812hm2，分辨率約0.13m；

以上數(shù)據(jù)可以得出，無人機飛行高度與呈像范圍成正比，與分辨率成反比。即飛行高度越高，云臺呈像范圍越大，對應(yīng)的分辨率也越低。同一塊地塊，不同的航測高度，所需的時間有所不同。因此，不同的遙感范圍及分辨率要求可以調(diào)整不同的飛行高度。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

傳統(tǒng)的使用手持式GPS測量儀測量林地的方式已經(jīng)不能滿足日常的工作需要，一是地面的GPS信號受到環(huán)境、地理位置等因素的影響，導(dǎo)致傳統(tǒng)的GPS測量儀搜索到的可用衛(wèi)星信號不多，從而影響測量的精度；二是對于地形復(fù)雜、山路陡峭的林區(qū)來說，手持式GPS測量不僅精度難以把握，而且還有可能對測量人員帶來身體傷害等。

無人機航拍測量具有效率高、精度高和安全性高的“三高”的特點，在常規(guī)的外業(yè)小班測繪中，調(diào)查效率比常規(guī)方法提高2～10倍，在極端地下條件下甚至更高。在效率提高的同時，也能確保人員的安全性等?，F(xiàn)地調(diào)查工作量大，爬山涉水困難多，強度高；無人機調(diào)查能夠減少外業(yè)調(diào)查時間，降低勞動強度，提高工作效率等等諸多優(yōu)勢。

4.2 討論

無人機影像分辨率達到了肉眼近地觀測精度，不僅僅在測繪方面得到應(yīng)用，在林地相關(guān)類別的判別上，也擁有無可比擬的優(yōu)勢，如：

森林資源調(diào)查中，在全國森林資源年度出數(shù)，灌木林地與非林地屬性的判別、喬木林與非林地區(qū)劃邊界的調(diào)整、同一區(qū)域的過度地類判讀等；在一類清查中，外業(yè)調(diào)查人員用差分GPS確認一類樣地，使用感光效果良好的白板作為定位點，確認樣地范圍，利用無人機遙感的時效性強、精度高的特點，判斷非喬木林地樣地的地類及地類面積；在二類調(diào)查中，無人機航攝影像地類邊界清晰，既可以改善衛(wèi)星影像區(qū)劃和判讀的成果精度，又能提高二類控制抽樣調(diào)查中的非喬木林地樣地調(diào)查的精度。

此外，林業(yè)行政執(zhí)法中，利用無人機快速響應(yīng)能力，對盜伐濫伐林木進行航拍，精確獲取盜伐濫伐的面積、株數(shù)等；在違法征占林地、毀林開荒等案件中，無人機可快速成圖，林業(yè)執(zhí)法部門通過高清遙感影像，分析出森林遭破壞的地點和程度，及時進行糾正和處罰。

營造林核查方面，在林地征占和林木采伐、枯死木調(diào)查、森林健康狀況調(diào)查、災(zāi)害調(diào)查、濕地和荒漠化沙化土地調(diào)查等，無人機均可發(fā)揮巨大的優(yōu)勢作用。

5 總結(jié)

當(dāng)前，隨著科技的不斷進步，林業(yè)的發(fā)展趨勢已經(jīng)由傳統(tǒng)的生產(chǎn)作業(yè)不斷向自動化、信息化以及實效化方向不斷發(fā)展。無人機作為一種監(jiān)測手段以及獲取相關(guān)信息的重要工具，在林業(yè)發(fā)展中扮演著越來越重要的作用。但是因為各方面因素，當(dāng)前我國無人機技術(shù)存在很多不足：如對無人機管理還存在政策法規(guī)和行業(yè)標準不完善、管理較嚴；其次是無人機應(yīng)用程序較多，但不精、不全、不夠?qū)I(yè)性等；此外在無人機行業(yè)應(yīng)用上、操作人員培訓(xùn)等，很多相關(guān)部門還不夠重視等，還需要不斷研究完善。