殷 明 楊 博 鄭思俊

三維綠量是衡量城市綠地生態(tài)效益的主要指標之一，對城市綠地規(guī)劃與建設具有重要意義，因此研究綠量測量技術尤為關鍵。本文通過對當前國內外基于無人機進行三維綠量測量的技術和方法研究，對比分析在同一設備和場地條件下不同測量路徑和方法的利弊，為園林景觀規(guī)劃與設計的前期植被調研提出一套低成本且高效的三維綠量測量方法。

低空消費級無人機；三維綠量；測量技術；應用研究

三維綠量，是所有生長植物的莖和葉所占空間的體積[1]。三維綠量的測量能夠從立體空間的角度反映植被的生長狀態(tài)以及生態(tài)環(huán)境效益，為規(guī)劃設計提供基礎的綠量數據和分析依據。目前，國內外學者在無人機三維綠量測量上的研究主要分為兩個方向[2]（圖1）：（1）平面量模擬立體量。通過無人機獲取遙感影像，分析測量出單一樹種的冠徑，再根據這一樹種相應的“冠徑—冠高—體積”公式計算出樹冠綠量，及樹種的三維綠量；（2）立體攝影測量。通過無人機傾斜攝影、環(huán)繞攝影等方法，利用相關軟件，根據相鄰航片之間的視差關系生成三維立體模型或者點云模型，再由模型來推算出三維綠量值。由于平面量模擬立體量的方法誤差較大，所以目前無人機三維綠量測量主要采用立體攝影測量的方法。本次研究旨在提出一種基于消費級低空無人機三維綠量測量的優(yōu)化方法，在降低測量成本的同時提高測量效率，并且能夠得到相對精準的三維模型和三維綠量。

1. 國內外三維綠量測量技術路徑總結

1 三維綠量測量技術研究進展

近年來，國內外學者在利用無人機遙感技術測量三維綠量的方法上進行了諸多嘗試并取得了很多進展。國內對于“綠量”相關概念和測量方法的研究始于20世紀80年代。90年代，周堅華[3]以平面量模擬立體量的方法測算了上海市全市的綠量，并提出了“三維綠量”的概念（又稱“綠化三維量”），以m2為單位來計算城市的綠色量，作為一項綠化立體指標。這一指標可用于分析綠化群落布局的合理性，從而對綠地的生態(tài)效益進行評價，為綠化規(guī)劃提供了重要的技術參數。陳荻等[4]以南京林業(yè)大學校園內喬灌木為研究對象，利用無人機拍攝的正射影像圖獲取各種樹木的位置與冠徑大小，并借助“冠徑—冠高”方程和樹冠體積方程對三維綠量進行了定量化的研究，形成了一套基于無人機低空高分辨平面影像模擬立體量的測量方法。

立體量模擬立體量的研究則主要基于三維點云模型。于東海[5]等采用無人機傾斜航空攝影的方法，建立了單木的三維點云模型并進行樹冠體積測算，其結果的精度能夠滿足林業(yè)調查中對于樹高和樹冠體積測量結果的要求。德國學者Jayan Wijesingha[6]采用地面激光掃描儀（TLS）和無人機（UAV）的機載結構運動（SFM）方法在德國黑塞北部三塊具有不同植被組成的草地上進行了生物量的估算實驗。依據植被冠層表面高度（CSH）對地面激光掃描儀和無人機分別獲取的TLS點云數據和SFM點云數據進行綠量計算，顯示出從遙感中提取三維點云用于計算綠量的潛力。Dominik Seidel[7]利用便攜式三維激光掃描儀ZF成像儀對實驗樹木的生物量增長情況進行了持續(xù)的監(jiān)測，是一種無損的監(jiān)測方法。這些研究證明利用三維點云模型進行三維綠量測算的方法是可行且有效的。西班牙學者A.Fernández Sarría[8]則利用地面激光掃描系統(tǒng)（TLS）獲得的參數估計了橄欖樹的生物量，總結出了生物量與冠體積參數之間的緊密關系。加拿大和美國等幾個國家也探索了森林林地指標，從而來推理計算出大范圍的綠量。

綜上所述，當前國內外的研究進展主要體現在以下三點：

（1）平面量模擬立體量的測量技術較為成熟。國內學者利用無人機航空影像對植物冠徑、冠高、體積三者之間的聯(lián)系做了大量的研究，形成了準確性較高的三維綠量計算方程，并且形成了針對不同的樹形和樹種的“冠徑—冠高”方程，極大地提高了計算不同樹形和樹種的植被三維綠量的效率。

（2）三維點云具有用于計算綠量潛力。三維激光掃描系統(tǒng)可以更加高效、高速、精確地測量單株樹木的測樹因子，主要包括樹種的高度、胸徑、樹冠體積和形狀等，由此，樹木的三維表達便可以通過空間點陣數據來實現[9]。

（3）利用低空消費級無人機測量成為趨勢。相比于地面激光掃描儀，低空消費級無人機測量成本和學習成本相對較低，有利于風景園林規(guī)劃設計人員對三維綠量進行初步估算。因此低空無人機設備作為目前易于獲取三維點云的技術手段，具有較好的研究前景。

2. 無人機航拍飛行軌跡對比圖

3. 拍攝實驗三維模型對比圖

2 研究內容

通過對國內外關于無人機三維綠量測量理論和方法的總結，可以發(fā)現消費級無人機是易于獲取三維點云且成本較低的設備，而提高三維綠量測量效率的方法主要在于減少拍攝環(huán)節(jié)所用的時間、降低人力成本。因此，本次研究選取主流消費級無人機設備，運用對比實驗的方法，對多種基于無人機遙感技術的三維綠量測量方法進行對比分析。對比的主要因素是不同無人機拍攝軟件下對相同樣地的拍攝結果。

拍攝軟件選用Pix4D和Altizure。Pix4D是一款能夠實現無人機自動航測功能的三維建模軟件，軟件適用于多種平臺，在移動平臺可用于無人機全自動快速航拍，在計算機平臺則可用于全自動的無人機數據和航空影像處理。軟件能夠快速生成最精準的報告，并自動進行三維建模，對各行各業(yè)的航拍監(jiān)控與數據分析都有極高的應用價值?？偨Y出提高三維綠量測量效率的方法，形成一套適用于園林景觀規(guī)劃設計師的三維綠量快速測量方法。Altizure軟件同樣提供在移動平臺上的無人機自動航測功能。與Pix4D不同的是，Altizure航拍模式下能夠設置更為復雜的航線，從而對拍攝目標的多個角度進行航空拍攝。另一方面，Pix4D的三維模型處理需要用戶利用本人的計算機進行處理，而Altizure則提供云服務，能夠在線將無人機圖片轉換為實景的三維模型。通過對比不同拍攝方法下耗費的時間、三維模型成果、三維綠量結果，最終提出低空無人機三維綠量快速測量技術的優(yōu)化方法。

表1 無人機三維綠量拍攝實驗

3 研究方法

實驗在無人機拍攝環(huán)節(jié)設置變量，變量為不同航拍APP下的拍攝模式。在航片合成環(huán)節(jié)和三維綠量計算環(huán)節(jié)則采用相同的方法，形成由三條無人機三維綠量測量的技術路徑組成的對比實驗，實驗方法見表1。通過對三次實驗的結果進行比較分析，提出提高無人機三維綠量測量效率的方法。

實驗選取消費級無人機大疆Mavicpro作為主要的三維綠量測量設備，測量樣地為上海市園林科學規(guī)劃研究院青松基地，面積約6 hm2，樣地內主要植被為中心區(qū)域的灌木，其他植物為場地西側的中型喬木和四周的高大喬木。大疆Mavicpro采用可折疊機翼設計，單塊電池的最大飛行時間為27 min，運動模式下最大速度可達18 m/s（64.8 km/h），可拍攝面積約為10～20 hm2（視拍攝模式而定）。其極高的便攜性、較長的續(xù)航時間有利于設計師在有限的時間內完成場地的快速航拍。

實驗主要在無人機拍攝環(huán)節(jié)設置變量，將三次實驗的飛行高度統(tǒng)一為40 m，分別利用Pix4D軟件與Altizure軟件進行航片拍攝。三次實驗分別命名為F1、F2、F3（表1），三者在拍攝范圍、拍攝高度上保持一致，在航拍方式上有所不同（圖2）。F1采用Pix4D航拍軟件，用斜射的方法對場地進行單條軌跡的環(huán)繞拍攝，拍攝時長為4 min；F2采用與F1一致的航拍軟件，用正射的方法對場地進行雙軌跡覆蓋的網格拍攝，最終拍攝時長為3 min 20 s；F3采用Altizure航拍軟件，用正射/斜射結合的方法對場地進行五條軌跡覆蓋的網格拍攝，最終拍攝時長為10 min。

農戶對貸款的風險管控意識不強，對民間借貸過程中隱含的風險意識不到位，對借貸中存在的法律知識認識不清。而且目前我國還缺乏規(guī)范農村金融服務的法律法規(guī)，現有的只是一些針對銀行業(yè)金融發(fā)展的指導意見和管理規(guī)定，沒有具體的實施細則，沒有可操作性，不具有明顯的法律效率。尤其是在農業(yè)氣候保險、農業(yè)擔保、依托和租賃等方面，我國還存在明顯的法律盲區(qū)[4]，沒有明確的法律法規(guī)來保障農村信貸的發(fā)展。

4 結果與分析

借助于Pix4D無人機測繪圖像處理軟件，得到了研究區(qū)高精度正射影像。應用Pix4D軟件分別將實驗F1、F2、F3的拍攝結果生成三維立體模型，生成的三維模型如圖3所示。

結果顯示，F3較于F1、F2拍攝了數量更多的航片，并且航片影像重合度較于F2更高，這表明F3航片以及模型對于樣地的覆蓋面積更廣。在犀牛軟件中多角度查看模型中樹木T的形態(tài)差異（圖4），可以發(fā)現F3生成的樹木T的模型較F1、F2相比更加精細，模型側面的漏洞更少。這表示F3生成的模型對于場地植物的三維表現力更強且細節(jié)更加充足（圖5）。雖然F3拍攝時間較長，但仍處于無人機單次飛行的續(xù)航范圍內。

為了確認通過三維模型計算三維綠量的準確性，在生成的三維立體模型基礎上，分別運用三維綠量計算方程和三維模型體積計算軟件對樣地內同一棵樹木T的綠量進行計算。樹木T的實測冠高為5.8 m，冠徑為8.1 m，樹冠形狀為半球形。根據樹冠形狀選取合適的三維綠量計算方程[10]（表2），計算所得的綠量結果為199 m3。由于F2生成的三維模型效果較差，所以無法進行綠量的計算。將實驗F1、F3生成的三維點云模型分別導入Cloudcompare軟件進行計算，所得樹木T的綠量分別為146 m3、186 m3，F3所測樹木T的綠量結果更加接近于實測結果，因此可以推算出經過實驗F3所得三維點云模型而測量處的三維綠量結果具有更高的準確性。

表2 三維綠量計算公式

4. 樹木T照片

5. F1、F2、F3三次實驗所得樹木T的模型差異對比圖

6. 無人機航拍生成的三維模型

由此可見，在拍攝對象相同、拍攝高度相同的情況下，采用F3方法可以在耗費時間相似的情況下獲得具有更高精度的三維模型（圖6），從而估算出更加準確的三維綠量。所以實驗F3的拍攝和測量方法在基于無人機遙感技術的三維綠量測量的各條技術路徑中具有更高的準確性和可行性。最終獲得的樣地三維模型與綠量如圖6所示，去除樣地中構筑物后測算所得的總綠量約為18 893 m3。

5 總結

根據本次實驗結果，總結出適于規(guī)劃設計行業(yè)的三維綠量測量方法：以當前主流消費級無人機航拍設備為基礎，選取Altizure軟件的航拍模式進行自動多軌跡航拍，運用Pix4D軟件生成三維點云和三維立體模型，最后利用Cloudcompare軟件對三維綠量進行測算。

本文提出的基于無人機遙感技術、運用多路線傾斜攝影進行三維綠量測算的技術方法的優(yōu)勢在于：

（1）該方法選用當前主流消費級低空無人機進行三維點云模型的獲取，設備的學習成本和測量成本相比于地面三維點云測量設備較低，獲取三維綠量數據的效率較高，能夠為后續(xù)的植被構成研究、生態(tài)效益水平評價等環(huán)節(jié)提供較為精確的綠量數據。

（2）該方法不僅能夠為園林景觀規(guī)劃設計提供三維綠量數據，還能夠提供較為精細的三維立體模型，有利于測量者感知場地空間構成、了解植物分布，為植物的空間布局設計提供幫助。

但是，這一方法仍舊存在諸多不足之處：

（1）由于目前無人機電池技術還未有實質性突破，多旋翼無人機滯空時間普遍在20～30 min左右，并且其抗干擾能力弱，穩(wěn)定性不足。因此對大范圍地塊的三維綠量測量較為困難。

（2）由于當前消費級無人機易于獲取數字表面模型（DSM，包含地表建筑物、橋梁和樹木等高度的地面高程模型），難以獲取準確的數字高程模型（DEM，表示地面高程的實體地面模型）。在利用軟件對三維模型進行綠量計算的過程中，難以將植被與地面分離，減少地形帶來的計算誤差。因此，基于消費級無人機的三維綠量測量的準確性受到地形、枝下高等因素的影響較大。

（3）隨著民用消費級無人機市場的高速增長，消費級無人機系統(tǒng)已成為規(guī)劃設計行業(yè)普遍運用的一項測繪設備?；跓o人機遙感技術的三維綠量測量能夠提升綠量的測量效率，同時生成的三維模型也能夠在規(guī)劃設計各環(huán)節(jié)中得到利用。但是，基于無人機遙感技術的三維綠量測量方法還存在許多不足，其進一步發(fā)展還需要更多的探索與研究。