黎世鑫

（廣西壯族自治區(qū)國有東門林場，廣西 崇左 532100）

引言

本研究通過小型無人機搭載非測量相機進(jìn)行航拍實驗，進(jìn)而分析林業(yè)調(diào)查中的樹高、周長、面積，將其測量結(jié)果與模型進(jìn)行虛擬結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其能夠滿足林業(yè)調(diào)查中相關(guān)指標(biāo)的量測精度需求。

1.研究區(qū)域的概況

在本研究中以某林場某林地作為研究對象，該林地面積為138公頃，其中桉樹林地面積和其他無立木林地面積分別有132公頃和6公頃。該林地距離縣為57千米，平均海拔可達(dá)到400米，土層厚度為100厘米左右，主要坡向為北坡，平均坡度29度，石礫含量25%，土壤種類為紅壤，主要樹種為8年生植苗桉樹及一年生萌芽桉樹。

2.數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

在本研究中選擇S8006軸多旋翼無人機，能夠結(jié)合對應(yīng)云臺地面站搭載佳能5D相機，針對高空100米位置航拍實驗，可借助地面站攝影測量工具進(jìn)一步實現(xiàn)航高參數(shù)設(shè)置，航線重疊，航線重疊，進(jìn)而滿足航空攝影測量需求，如下所示為航線圖。

經(jīng)過航拍之后，可利用計算機軟件以及A3檢校標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行相機鏡頭校驗，可進(jìn)行相機校驗。設(shè)定參數(shù)進(jìn)一步生成相機照片文件，該文件參數(shù)能夠在糾正航線內(nèi)定向鏡頭畸變提供重要的參考。

3.具體研究方法

第一，利用a4白紙在實驗區(qū)作為控制點，在四周小路和林地位置均勻布置，共有25個控制點，針對控制點的坐標(biāo)可借助高精度GPS進(jìn)行記錄，同時可以采用激光測高器對控制點4周的樹高進(jìn)行測量，并做好數(shù)據(jù)處理分析。第二，針對航線以及相片的速度重疊度很高。通過地面點進(jìn)行合理設(shè)置，借助地面站一鍵起飛的功能完成相關(guān)的航拍，針對航拍之后可進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，進(jìn)一步導(dǎo)出相機拍攝外方位的元素。第三，能夠借助原始影像內(nèi)外方位元素通過3D測量模塊測量同名點距離偏差選取平均值，反向測量外方位元素調(diào)整值，分別構(gòu)建立體相對兩側(cè)樹高以及開展航片拼接和正攝校正，測量林區(qū)面積以及周長。第四，充分利用樹高，面積，周長，圖測數(shù)據(jù)進(jìn)行測量比較偏差，分析構(gòu)建回歸分模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合。第五，反算航片外方位元素，在具體流程過程中可使用IOSD軟件以及GPS軟件進(jìn)一步提取相機拍攝過程中的姿態(tài)數(shù)據(jù)及外方位元素，具體包含偏轉(zhuǎn)角，仰角，三維坐標(biāo)，翻滾角等這些外方位元素，可為反算外方位元素奠定重要基礎(chǔ)。如下表所示為本研究所獲取外方位元素，針對無人機低空攝影測量外方位元素的精度以及平臺的穩(wěn)定性是十分重要的，由于對于不同航線地物同名坐標(biāo)基本一致。

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通過多次測量之后，不同相片同名點在立體分析下坐標(biāo)偏移以及角度偏差，選取平均值，反算外方位元素偏差，進(jìn)而能夠從一定程度上糾正外方位元素偏差問題，以滿足低精度測量需求。在本次研究中共存在9張航片，分為兩個航帶，以第1張航片作為基準(zhǔn)進(jìn)行其他航片的測量。通過研究發(fā)現(xiàn)，平均距離偏差可達(dá)到12.14米，以15.2度作為角度偏差，針對x，y兩種分解可獲得具體的坐標(biāo)中，X為11.72，Y為3.18，通過調(diào)整外方位元素和反算可解決立體對應(yīng)成像和樹高測量相關(guān)問題。針對面積周長在具體測量過程中，如下所示為紅色區(qū)域周長以及面積的測量流程，調(diào)整外方位元素之后，圍能夠進(jìn)一步分析并矯正圖像的面積，周長可借助GPS控制點對應(yīng)面積，周長和處于相同坐標(biāo)下構(gòu)建圖像識別，對應(yīng)控制點矢量文件以及GPS控制點。針對不同方位控制點進(jìn)行測量時可構(gòu)建多邊形面積周長，并開展數(shù)據(jù)分析。針對樹高在具體測量時，可佩戴立體眼鏡并借助3D測量工具，通過反復(fù)多次調(diào)整，形成合理的視差，使用戶能夠產(chǎn)生相對清晰的立體呈現(xiàn)效果。在測量控制點的周邊和實測數(shù)據(jù)對應(yīng)數(shù)高獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，將選取平均值能夠為測量區(qū)的面積周長樹高，以及圖測對應(yīng)數(shù)據(jù)定量關(guān)系，通過定量模型能夠盡可能減少兩者誤差，以提升數(shù)據(jù)的估計精度。在本研究中可借助多項式擬合法以及最小二乘法分別針對實測航區(qū)的面積，周長，樹高以及圖測區(qū)域的周長，樹高，面積進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

4.研究結(jié)果

在本研究中通過比較實測航區(qū)以及圖測航區(qū)的面積相關(guān)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)這兩區(qū)域所獲得的數(shù)據(jù)具有一致的波動趨勢，平均誤差為-5.95，平均絕對誤差可達(dá)到-214.08，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)圖測航區(qū)面積誤差低于6%，其誤差是滿足一般精度圖冊相關(guān)要求的。為進(jìn)一步提升圖測區(qū)域面積對實測區(qū)域面積解釋程度，可借助數(shù)據(jù)擬合法實現(xiàn)圖測數(shù)據(jù)。結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)，圖測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)其線性擬合較好，擬合度為0.9911，從該數(shù)據(jù)上能夠反映兩者近似全等的關(guān)系，同時還能夠為其他的區(qū)域進(jìn)行面積測量提供重要的參考。

通過圖測航區(qū)周長和實測航區(qū)周長數(shù)據(jù)比較，兩者具有相同的變化趨勢，平均相對誤差為1.59%，絕對誤差為4.32米。通過該結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，圖測區(qū)域的周長誤差能夠控制在2%以下，該誤差值是符合一般精度圖測需求等。為提升圖測航區(qū)周長對于實測航區(qū)域周長的解釋力，可采用數(shù)據(jù)擬合法進(jìn)行圖測數(shù)據(jù)擬合，研究可以發(fā)現(xiàn)，上述兩種數(shù)據(jù)擬合度較好，且擬合數(shù)值為0.9813，根據(jù)該擬合度可表明兩者之間呈現(xiàn)近似全等的關(guān)系，同時利用該數(shù)據(jù)還能夠為其他區(qū)域長度測量提供重要參考，通過比較圖測和實測的兩種數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢基本一致，平均相對誤差和平均絕對誤差分別為18.93%以及0.816米，可以發(fā)現(xiàn)，圖測樹高其誤差可控制在19%范圍內(nèi)。結(jié)合國內(nèi)分類資源連續(xù)清查技術(shù)相關(guān)的技術(shù)要求，在本次研究中所獲得的結(jié)果無法滿足實際林業(yè)樹高測量的精度需求，因此需要構(gòu)建定量關(guān)系模型，以分析實測和圖測樹高關(guān)系，探討兩者的數(shù)量關(guān)系，為進(jìn)一步提高圖測樹高對實測數(shù)高的解釋能力，能夠滿足在林業(yè)偏差分析中樹高測量精度高于85%的要求。在本研究中使用數(shù)據(jù)擬合法，實現(xiàn)投資數(shù)據(jù)擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)實測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其具有良好擬合度，可達(dá)到0.858%，其擬合度可反映兩者之間近似權(quán)的關(guān)系，同時也能夠為其他區(qū)域的收割測量提供參考。

小結(jié)

通過本研究的分析，在進(jìn)行林業(yè)調(diào)查時可借助小型無人機測量實現(xiàn)林業(yè)區(qū)域面積、樹高、周長的測量，其可滿足現(xiàn)代林業(yè)調(diào)查要求，具有一定的可操作性，結(jié)合面積以及樹高量測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于無人機林業(yè)攝影測量所構(gòu)建的定量關(guān)系模型。在進(jìn)行林業(yè)調(diào)查時，通過無人機搭載林業(yè)測量相機，相機平臺外方位元素，逆向計算是整個調(diào)查的關(guān)鍵，可利用圖像分類識別不同的樹種，提取林分進(jìn)而構(gòu)建基于樹種、樹高的林分蓄積模型，進(jìn)一步評估林分蓄積程度，可改進(jìn)現(xiàn)有的相機鏡頭畸變校驗?zāi)Ｐ鸵约巴ㄟ^外方位元素反算的方式來提升林業(yè)調(diào)查測量精度，對于這一方面還需要后續(xù)研究學(xué)者進(jìn)一步深入分析。