姜佳曄

(遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃監(jiān)測院，遼寧 沈陽 110122)

1 引言

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

2 無人機(jī)航攝技術(shù)

無人機(jī)航攝技術(shù)的應(yīng)用主要依托于無人機(jī)這個重要載體，本文探討的無人機(jī)型號是DJL4.0PRO。該機(jī)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(jī)長為289.5 mm，高度為196 mm；自帶一體式云臺相機(jī)，可控轉(zhuǎn)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(jī)型配備視覺系統(tǒng)與紅外感知系統(tǒng)，提供多方位的視覺定位及障礙物感知，在林區(qū)起飛時，在一定程度上避免刮碰，對機(jī)身造成傷害。綜上所述，該機(jī)型在外業(yè)調(diào)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(shù)項目在外業(yè)調(diào)查工作中的應(yīng)用(表1)。

表1 無人機(jī)的技術(shù)參數(shù)

3 無人機(jī)航攝技術(shù)在遼寧省森林資源調(diào)查中的應(yīng)用現(xiàn)狀

應(yīng)用現(xiàn)狀部分建議增加全球森林資源評估外業(yè)拍攝的數(shù)據(jù)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(xì)介紹28個樣地數(shù)據(jù)在各工作環(huán)節(jié)中是如何處理的，以此來說明無人機(jī)航攝技術(shù)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(yīng)用的，來展示應(yīng)用現(xiàn)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(xiàn)狀，現(xiàn)狀介紹最好有實際的東西，這樣才能體現(xiàn)是在遼寧的應(yīng)用現(xiàn)狀)。

2019年4～5月，遼寧省使用無人機(jī)展開了全球森林資源評估在省內(nèi)的外業(yè)調(diào)查工作，外業(yè)調(diào)查共31塊樣地，成功飛行28塊樣地，成功率達(dá)到了90%。目前，在遼寧省內(nèi)沒有開展全省范圍的無人機(jī)調(diào)查，這是需要森林資源調(diào)查監(jiān)測工作中亟需提高的短板。利用無人機(jī)影像，主要對以下3方面內(nèi)容進(jìn)行操作及分析。

3.1 森林面積踏查

由于無人機(jī)影像的空間分辨率能夠達(dá)到厘米級的精度，因此可以結(jié)合影像，針對不同地類進(jìn)行精細(xì)區(qū)劃，進(jìn)而計算面積。使用ARCGIS軟件中編輯模塊(EDITOR)，加載無人機(jī)影像做底圖，編輯面圖層對影像進(jìn)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(xì)區(qū)劃，再對面圖層屬性表中Shape Area一列進(jìn)行幾何體計算(Geometry Calculate)得出具體面積。這樣大大減少傳統(tǒng)外業(yè)調(diào)查中，人工跑圈的誤差。對于以樣本估計總體為理論指導(dǎo)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(jī)可以及時掌握變動情況，實時監(jiān)測森林資源動態(tài)。在ARCGIS軟件中加載前期影像和無人機(jī)影像，疊加林地變更數(shù)據(jù)，使用EFFECTS工具欄中的卷簾工具對前后期影像進(jìn)行對比，判讀出不同地類。

3.3 森林屬性分析

利用無人機(jī)影像，可以對樹高、冠幅、郁閉度等因子進(jìn)行提取。在ARCGIS軟件中，對無人機(jī)影像中所選擇的標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行因子提取。樹高的提取方法為通過標(biāo)準(zhǔn)木邊緣4個方向的地面點坐標(biāo)確定地面高度，由樹冠中心坐標(biāo)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(jìn)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(qū)，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(jī)在外業(yè)調(diào)查應(yīng)用中存在的問題

4.1 無人機(jī)受外部環(huán)境影響較大

在全球森林資源評估外業(yè)調(diào)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(qū)海拔落差大，無人機(jī)采集照片在拼接時難以找到同名點，導(dǎo)致拼接失敗，影像出現(xiàn)空白或是拉花比較嚴(yán)重；二是拍攝當(dāng)日風(fēng)力較大，在飛行拍攝過程中偏離航線，導(dǎo)致照片丟失，無法進(jìn)行拼接；三是部分偏遠(yuǎn)地區(qū)信號較弱，飛行中與無人機(jī)失聯(lián)，因此強(qiáng)制返航，導(dǎo)致拍攝失敗。

4.2 無人機(jī)飛行器續(xù)航時間短

影響無人機(jī)續(xù)航時間主要取決于機(jī)身自重及搭載傳感器的重量、電池的容量及安裝的塊數(shù)。電池容量小會導(dǎo)致續(xù)航時間短，拍攝時長不充分；而電池容量大就會導(dǎo)致無人機(jī)機(jī)體重量較大，為外業(yè)攜帶帶來不便。本研究中該機(jī)型續(xù)航時間為40 min，在無風(fēng)天氣條件下，起飛高度200 m左右，續(xù)航時間約20 min，踏查范圍約為40 km2。輕小型無人機(jī)普遍存在續(xù)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(yè)外業(yè)調(diào)查。

4.3 無人機(jī)搭載傳感器類型單一

目前，省內(nèi)森林資源調(diào)查使用的無人機(jī)搭載基本都是光學(xué)相機(jī)，對于高光譜、多光譜、熱紅外相機(jī)、激光雷達(dá)等傳感器的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yè)專業(yè)設(shè)備及軟硬件方面的開發(fā)

目前使用的無人機(jī)設(shè)備并非針對林業(yè)工作開發(fā)的專業(yè)設(shè)備，在軟件及硬件的使用上存在一些問題，導(dǎo)致無法更高效率的完成任務(wù)?，F(xiàn)在市面上大多無人機(jī)設(shè)定航線后，只能在一個高度飛行，而外業(yè)調(diào)查實際工作中，海拔落差較大，無人機(jī)的飛行高度無法隨著地形改變。在內(nèi)業(yè)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(qū)，成像效果不太理想。

5 提高應(yīng)用效率的建議

5.1 針對無人機(jī)方面，應(yīng)提高航攝效率

一是通過無人機(jī)與人工智能的結(jié)合，提高無人機(jī)的自主辨別能力，可以在林區(qū)地勢更復(fù)雜、氣候更惡劣的條件下完成任務(wù)，縮短外業(yè)調(diào)查工作的時長，保證工作的安全，降低調(diào)查的成本；二是通過對無人機(jī)飛行平臺的升級及其搭載的傳感器研制，提高續(xù)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(jī)載激光雷達(dá)、熱紅外成像儀等多傳感器與飛行平臺及飛控系統(tǒng)的集成技術(shù)，開發(fā)基于輕小型無人機(jī)的實景三維模型、機(jī)載合成孔徑雷達(dá)影像圖、熱紅外航空遙感影像圖等產(chǎn)品，推廣輕小型無人機(jī)在林業(yè)生產(chǎn)中各個領(lǐng)域的應(yīng)用。

5.2 加強(qiáng)與相關(guān)單位溝通，開發(fā)林業(yè)專業(yè)化設(shè)備及軟件

目前，無人機(jī)在森林資源調(diào)查工作中涉及的領(lǐng)域太單一，應(yīng)與相關(guān)單位加強(qiáng)溝通，研發(fā)更適合外業(yè)調(diào)查模式的無人機(jī)軟件，包括外業(yè)調(diào)查時針對林區(qū)起飛及起飛模式的設(shè)置、航攝照片的拼接、采集數(shù)據(jù)的分析等一列工作，進(jìn)行專業(yè)化的處理。

5.3 加強(qiáng)業(yè)務(wù)人員的專業(yè)培訓(xùn)，提高對無人機(jī)在不同地類下的應(yīng)用能力

在實際操作中，飛手對現(xiàn)地情況的掌握及對無人機(jī)性能的了解，都對樣地飛行成功起到關(guān)鍵作用，因此對飛手的專業(yè)技術(shù)要求較高。今后林業(yè)外業(yè)調(diào)查的重點是輕小型無人機(jī)搭載多視立體航攝儀、小型機(jī)載激光雷達(dá)、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(qiáng)業(yè)務(wù)人員林業(yè)與無人機(jī)的專業(yè)培訓(xùn)，針對不同立地條件、不同林分因子的地類進(jìn)行差別化、針對性的操作。

6 應(yīng)用前景及設(shè)想

6.1 利用現(xiàn)有的資料及無人機(jī)成片，建立遼寧省無人機(jī)遙感解譯庫

遼寧省森林資源數(shù)據(jù)庫建立較早，且每年進(jìn)行更新，數(shù)據(jù)更新快，準(zhǔn)確性大幅度提高?？砂涯壳罢莆盏默F(xiàn)地核實數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并選擇補(bǔ)充一些典型樣地，開展長期的無人機(jī)監(jiān)測和詳細(xì)的地面調(diào)查，逐步建立遼寧省無人機(jī)遙感解譯庫。

6.2 建立遼寧省森林資源調(diào)查無人機(jī)編隊

隨著無人機(jī)技術(shù)的日趨成熟，無人機(jī)避障技術(shù)可以與人眼的視覺功能相媲美，無人機(jī)可能智能分析周圍環(huán)境，找到“工作伙伴”，篩選最優(yōu)飛行方案，組建無人機(jī)調(diào)查編隊，實現(xiàn)協(xié)同飛行。這樣大大提高了無人機(jī)踏查的范圍，可以逐步開展對整個林場或者鄉(xiāng)鎮(zhèn)的全境普查。

6.3 建立天地空立體化調(diào)查監(jiān)測體系

天地空立體化調(diào)查監(jiān)測相比傳統(tǒng)調(diào)查監(jiān)測手段更具有立體、動態(tài)、精準(zhǔn)、迅速等特點，可及時掌握森林資源動態(tài)變化，更可以在森林火災(zāi)監(jiān)測、森林病蟲害監(jiān)測、野生動植物監(jiān)測、林業(yè)執(zhí)法等工作中，起到很好的預(yù)防、控制、補(bǔ)救作用。

7 結(jié)語

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，林業(yè)外業(yè)調(diào)查方式也亟需改善。新型無人機(jī)的研發(fā)趨于專業(yè)化，無人機(jī)調(diào)查的方式可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)調(diào)查的短板，因此，未來會有越來越多的場景下使用無人機(jī)開展調(diào)查。本文通過對無人機(jī)(機(jī)型DJL4.0PRO)在遼寧省森林資源外業(yè)調(diào)查工作中應(yīng)用情況的介紹，分析了應(yīng)用中存在的問題，結(jié)合實際情況，提出了相應(yīng)的對策，根據(jù)上述研究，也對未來無人機(jī)在遼寧省林業(yè)生產(chǎn)工作中的應(yīng)用提出了展望。總之，無人機(jī)技術(shù)對于森林資源調(diào)查工作中應(yīng)用價值潛力巨大，必將進(jìn)一步推動森林資源調(diào)查更加高效、精準(zhǔn)、廣泛、及時的開展。