王天罡，賈紅波，梁兵琳，張麗華，李 虹，朱佳琦

(1.北京市京西林場，北京 102300；2.北京市林業(yè)勘察設(shè)計(jì)院，北京 100029)

單木樹高、樹種、冠幅及單木位置是森林資源調(diào)查的重要因子。傳統(tǒng)林業(yè)調(diào)查方法工作量大，強(qiáng)度高，周期長。隨著林業(yè)信息技術(shù)的高速發(fā)展，森林調(diào)查的技術(shù)手段日臻完善，無人機(jī)遙感系統(tǒng)具有機(jī)動、快速、分辨率高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適合林業(yè)調(diào)查的工作要求，能增強(qiáng)林業(yè)調(diào)查工作能力，同時相較于衛(wèi)星和航空遙感技術(shù)，不僅購買及維護(hù)成本相對較低，對操作人員的技能要求也不太高[1]。激光雷達(dá)技術(shù)能夠同時獲取森林冠層表面的水平和垂直結(jié)構(gòu)信息，基于高密度的激光雷達(dá)點(diǎn)云不僅能夠獲取林分尺度森林參數(shù)，還能提取單木尺度的森林參數(shù)。利用無人機(jī)Demetrios等[2]對多樣性豐富的雨林進(jìn)行樹高測量，李亞東等[4]估測了森林蓄積,樹高及冠幅提取精度近90%。楊坤等[3]利用高分辨率影像進(jìn)行了樹木高度提取，發(fā)現(xiàn)法桐的測高精度明顯高于圓柏，Andersen等[5]利用點(diǎn)云技術(shù)建立樹木模型，繪制了單木高度及冠幅圖。

本研究采用大疆六翼無人機(jī)搭載激光雷達(dá)及云臺相機(jī)，通過獲得地面DEM、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和專業(yè)軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，獲取單株樹木點(diǎn)云，從而確定樹木位置、株數(shù)、樹高、樹冠直徑等信息，并與實(shí)測值比較，以確定該方法的可行性。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地京西林場木城澗分場位于北京市西部，東經(jīng)115°40′～116°38′，北緯39°40′～40°10′，森林植被覆蓋度高，垂直分布明顯。天然林樹種主要有栓皮櫟(Quercusvariabilis)、欒樹(Koelreuteriapaniculata)、山楊(Populusdavidiana)。人工林主要樹種有油松(Pinustabuliformis)、落葉松(Larixgmelinii)、臭椿(Ailanthusaltissima)等。

2 研究方法

2.1 設(shè)備及設(shè)施

調(diào)查實(shí)驗(yàn)用大疆M600pro六旋翼無人機(jī)(圖1)，最大載重6 kg，最大飛行高度500 m，GPS模式下無負(fù)載最大飛行速度為18 m·s-1。無人機(jī)搭載的大疆Z30型號云臺相機(jī)，有效像素2 000萬，單個像素大小為2.4 um，傳感器焦距為10～1 200 mm，快門速度為1/30～1/6 000 s，照片最大分辨率為4K 60 fps H.264。無人機(jī)搭載的激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)是LiAir 1000型激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高度集成了激光雷達(dá)掃描儀、GNSS和IMU定位定姿系統(tǒng)及存儲控制單元，可實(shí)時、動態(tài)、海量采集高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)及豐富的影像信息。

圖1 大疆M600pro無人機(jī)

實(shí)驗(yàn)當(dāng)天天氣晴朗,風(fēng)力小于三級。數(shù)據(jù)采集時先在航線軟件數(shù)字綠土Lidar中設(shè)定詳細(xì)的飛行計(jì)劃、飛行區(qū)域、航線和高度等(圖2)，設(shè)定實(shí)驗(yàn)飛行高度為120 m，飛行路線的航向重疊度和旁向重疊度分別為90%和95%。共拍攝50張航空正射影像，影像采集過程共耗時8 min，覆蓋面積為0.02 hm2。

圖2 無人機(jī)航線

2.2 數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是三維坐標(biāo)中的一組向量集合,無人機(jī)通過高度集成激光雷達(dá)掃描儀、GNSS和IMU定位定姿系統(tǒng)及存儲控制單元，獲取森林冠層的水平和垂直結(jié)構(gòu)信息，采集高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)及豐富的影像信息,基于高密度的激光雷達(dá)點(diǎn)云獲取林分尺度森林參數(shù)，再通過專業(yè)軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，從而獲取單木尺度森林參數(shù)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示:(1)去除空中噪點(diǎn),提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中分離地面點(diǎn)；(2)基于地面點(diǎn)生成DEM,利用DEM對點(diǎn)云進(jìn)行歸一化，去除地形影響；(3)對點(diǎn)云進(jìn)行單木分割，獲取單木位置、樹高、樹冠直徑、樹冠面積和樹冠體積;(4)用ALS編輯工具對單木分割的結(jié)果進(jìn)行檢查，同時，可對種子點(diǎn)進(jìn)行增加、刪除等人工交互編輯；(5)并基于編輯后的種子點(diǎn)再次對點(diǎn)云進(jìn)行分割，提高單木分割的準(zhǔn)確性(圖4)

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程

圖4 樣地點(diǎn)云效果

3 結(jié)果與分析

3.1 參數(shù)提取

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)去噪處理后，采用層堆疊算法從歸一化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取單木數(shù)據(jù)(圖5)。本調(diào)查得到760萬個三維點(diǎn)，生成樣地三維點(diǎn)云。選取樣地點(diǎn)云海拔在0～6 m范圍，點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割清晰的樣木，能夠?qū)涓吆凸诜鶖?shù)據(jù)進(jìn)行有效提取(圖6)。

圖5 點(diǎn)云提取效果(局部)

圖6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸一化進(jìn)行單木分割

3.2 樹高提取與精度評定

航測樹高值與實(shí)地測量樹高值誤差絕對值均低于43 cm,誤差絕對值最大值為42.6 cm,最小值為0.3 cm,而相對誤差最大為15.7%，最小為0.1%，平均相對誤差-5.7%。從表1可以看出，絕對值在0～30 cm范圍內(nèi)的誤差占絕大部分，其中0～10 cm范圍內(nèi)的誤差占總株數(shù)的48.2%，0～20 cm誤差范圍占76.4%。經(jīng)分析可知，樹木高度提取結(jié)果的精度較高，表明利用無人機(jī)高分辨率影像進(jìn)行樹高提取的方法可取得較好的效果。

表1 樹木高度誤差絕對值范圍統(tǒng)計(jì)

由表2看出，三個樹種的高度標(biāo)準(zhǔn)誤差白皮松和山桃非常接近，分別為14.87和14.71，臭椿的高度標(biāo)準(zhǔn)誤差較高，為21.66。實(shí)驗(yàn)地為人工林，臭椿的栽植方式為裸根截桿苗，在相同影像空間分辨率條件下，頂端空間分辨率較低，造成臭椿的航測樹高值誤差較大。

表2 不同樹種樹高的標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSE)

三個樹種航測樹高值與實(shí)地測量樹高值存在線性相關(guān)性(圖7)，決定系數(shù)分別為0.773、0.886、0.302。精度超過90%，基本滿足林業(yè)調(diào)查與規(guī)劃需要。

圖7 不同樹種的樹木測量高度與真實(shí)高度比較

3.3 冠幅提取與精度評定

冠幅是樣木南北和東西方向?qū)挾鹊钠骄?。本?5株樣木冠幅使用樹下樹冠投影直徑確定冠幅大小。航測冠幅值與實(shí)地測量值誤差絕對值均低于67 cm,誤差絕對值最大66.3 cm,最小0.1 cm,而相對誤差最大值為34.5%，最小值為0.1%，平均相對誤差-10.25%。從表3可以看出，絕對值在0～20 cm范圍內(nèi)的誤差占絕大部分，占樣木總數(shù)的64.7%，經(jīng)分析可知，對樣木冠幅的提取達(dá)到林業(yè)測繪要求，利用無人機(jī)進(jìn)行冠幅提取的方法可行。樣地中無人機(jī)航測提取冠幅最高精度是0.99，最低精度是0.66，平均精度是0.89。

表3 樹木冠幅誤差絕對值范圍統(tǒng)計(jì)

由表4可知，白皮松的冠幅標(biāo)準(zhǔn)誤差為28.28，明顯高于臭椿和山桃，與楊坤得出的圓錐形(圓柏)樹冠頂端尺寸常常小于影像空間分辨率，導(dǎo)致不容易分辨；處理采集影像生成的圓錐形樹冠點(diǎn)云數(shù)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于闊卵形樹冠有結(jié)論一致[3]。冠幅提取精度白皮松不足88%，臭椿和山桃在90%以上，用無人機(jī)提取的冠幅精度與冠形有直接關(guān)系。

表4 不同樹種樹冠的標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSE)

冠幅標(biāo)準(zhǔn)誤差白皮松最大，為28.28，臭椿和山桃較小，分別為15.69和13.37，表明樣木冠形對冠幅影響較大；不同樹種的航測值和實(shí)地測量值存在線性相關(guān)關(guān)系(圖8)，白皮松、臭椿、山桃的決定系數(shù)分別為0.714、0.784和0.718。

圖8 不同樹種的測量冠幅與真實(shí)冠幅比較

4 結(jié)果與分析

本調(diào)查研究結(jié)果表明，航測樹高值與實(shí)地測量樹高值誤差絕對值均低于43 cm,提取平均精度為94%；航測冠幅值與實(shí)地測量冠幅值誤差絕對值均低于67 cm,冠幅提取平均精度為89%，其精度基本滿足林業(yè)調(diào)查與作業(yè)設(shè)計(jì)的需要。本研究對象為人工造林，樹冠之間無疊加，提取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為理想。

在森林郁閉度較高的情況下，無人機(jī)獲取可靠性數(shù)據(jù)有一定局限性，難以獲取樹木的具體冠幅等信息，并且難以保證信息的精度。在后續(xù)研究中可以根據(jù)森林郁閉度的不同對無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)精度進(jìn)行探索。