冉 勇

甘肅洮河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心林業(yè)調(diào)查規(guī)劃隊(duì)，甘肅 卓尼 747600

0 引言

林區(qū)測(cè)繪工作是推動(dòng)林業(yè)建設(shè)發(fā)展的基礎(chǔ)［1］。無人機(jī)航空攝影技術(shù)具有使用成本低、高分辨率數(shù)據(jù)采集、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，是可滿足林區(qū)測(cè)繪工作要求的先進(jìn)技術(shù)之一。與傳統(tǒng)林區(qū)測(cè)繪方法相比，無人機(jī)航空攝影技術(shù)不僅能有效提高林區(qū)測(cè)繪工作效率和水平，還能大大減少工作量，節(jié)約大量的人力和物力。因此，將無人機(jī)航空攝影技術(shù)應(yīng)用于林區(qū)測(cè)繪具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［2］?；诖?，筆者對(duì)無人機(jī)航空攝影技術(shù)在林區(qū)測(cè)繪工作中的主要應(yīng)用方法進(jìn)行介紹，并利用無人機(jī)航空攝影技術(shù)進(jìn)行實(shí)地測(cè)繪實(shí)踐，以期為無人機(jī)航空攝影技術(shù)在林區(qū)測(cè)繪工作中的應(yīng)用提供參考。

1 無人機(jī)航空攝影技術(shù)概述

在當(dāng)前的林區(qū)測(cè)繪工作中，工作人員常采用無人機(jī)航空攝影技術(shù)，同時(shí)以ArcGIS和密集點(diǎn)云成像技術(shù)輔助處理無人機(jī)航攝采集的影像數(shù)據(jù)。ArcGIS 是一種地理信息系統(tǒng)，可在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下對(duì)有關(guān)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析及顯示。工作人員可利用此系統(tǒng)處理影像數(shù)據(jù)，用于觀察、監(jiān)測(cè)調(diào)查區(qū)域內(nèi)林業(yè)資源的變化范圍和趨勢(shì)，以達(dá)到全面準(zhǔn)確掌握林區(qū)基本情況的目的。

無人機(jī)航空攝影技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可利用無人機(jī)等設(shè)備在監(jiān)測(cè)區(qū)域獲得高分辨率的影像數(shù)據(jù)，可獲得覆蓋全區(qū)域的詳細(xì)林業(yè)地塊信息，同時(shí)可利用軟件將圖像識(shí)別技術(shù)和ArcGIS相結(jié)合，將各個(gè)地物所在影像拼接成圖，從而為森林資源的監(jiān)管提供有效輔助。在利用無人機(jī)進(jìn)行飛行測(cè)繪時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)體積較大的地物覆蓋體積較小地物的情況。此時(shí)，工作人員可利用無人機(jī)航空攝影技術(shù)對(duì)此類地物進(jìn)行多角度航測(cè)，再分析計(jì)算該坐標(biāo)下地物的覆蓋面積和角度，以獲取同一方位地物全面的數(shù)據(jù)信息，起到糾正地物數(shù)據(jù)信息偏差的作用。

2 無人機(jī)航空攝影技術(shù)在林區(qū)測(cè)繪中的應(yīng)用方式

無人機(jī)航空攝影技術(shù)應(yīng)用于林區(qū)測(cè)繪的關(guān)鍵點(diǎn)有3 個(gè)。第一，工作人員需要根據(jù)調(diào)查規(guī)劃的要求設(shè)計(jì)合理的無人機(jī)飛行航線，以此保證無人機(jī)航空攝影所采集的圖像信息準(zhǔn)確無誤；第二，工作人員利用Arc‐GIS 對(duì)無人機(jī)飛行過程中拍攝的高分辨率影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；第三，工作人員對(duì)處理過的影像數(shù)據(jù)利用密集點(diǎn)云成像自動(dòng)提取技術(shù)提取出監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)植被變化范圍，參照以往同地域數(shù)據(jù)對(duì)比出變化趨勢(shì)并形成分析報(bào)告［3］。

2.1 規(guī)劃無人機(jī)調(diào)查航線

無人機(jī)航線設(shè)計(jì)的合理性對(duì)于獲取影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量具有直接影響［4］。為解決無人機(jī)航空攝影時(shí)出現(xiàn)林區(qū)影像不完整問題，筆者采用無人機(jī)航行曲線覆蓋方法，實(shí)現(xiàn)航攝區(qū)域?yàn)槎噙呅蔚木珳?zhǔn)化航線設(shè)計(jì)。通過此方法，無人機(jī)可無視監(jiān)測(cè)地形的高度差，按照一定高程進(jìn)行飛行拍攝（根據(jù)航線拍攝的照片會(huì)存在一定重合度），從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域影像數(shù)據(jù)無遺漏采集。為確保無人機(jī)在飛行過程中采集的影像數(shù)據(jù)達(dá)到要求，工作人員需要在飛行前分析設(shè)計(jì)相片分辨率、影像比例尺及相片重疊度，并提前預(yù)設(shè)飛行航高、航帶間距及拍攝時(shí)間等參數(shù)。工作人員應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域的地形特點(diǎn)選擇無人機(jī)搭載的相機(jī)類型。為獲取要素全面的數(shù)據(jù)，通常選用1∶500 高精度比例尺。在確定像元大小后，設(shè)定的飛行航高H計(jì)算公式為

式（1）中：H為無人機(jī)飛行航高，f為無人機(jī)攜帶相機(jī)的攝像頭焦距，b為像元尺寸，R為拍攝地面分辨率。無人機(jī)在飛行過程中，機(jī)身搭載的GPS 定位系統(tǒng)會(huì)記錄飛行實(shí)際位置，但由于存在天線信號(hào)干擾、風(fēng)速及機(jī)體震動(dòng)等外界因素影響，會(huì)使飛行航線存在較大誤差，導(dǎo)致拍攝影像覆蓋內(nèi)容脫離預(yù)設(shè)區(qū)域。因此，為保證無人機(jī)影像拍攝準(zhǔn)確，筆者對(duì)航線設(shè)置旁向重疊（見圖1）。

圖1 影像重疊度示意圖

相鄰的兩條航帶中，航向重疊度設(shè)置為65%，旁向重疊度設(shè)置為35%。相對(duì)于傳統(tǒng)航線設(shè)計(jì)方法而言，在天氣晴朗、風(fēng)力較小的環(huán)境條件下，采用該航線設(shè)計(jì)方法可獲取精度更高的航攝相片，對(duì)林區(qū)測(cè)繪具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。無人機(jī)飛行時(shí)會(huì)受到電池和負(fù)載能力的限制，若航線出現(xiàn)偏差，不僅會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)無法在限制的時(shí)間內(nèi)完成飛行任務(wù)，而且會(huì)采集大量沒有參考價(jià)值的航攝影像。例如，以往在無人機(jī)飛行拍攝期間，飛機(jī)在航線出現(xiàn)轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)會(huì)停止拍攝并進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，這個(gè)過程會(huì)占用無人機(jī)能源和時(shí)間，造成浪費(fèi)［5］。因此，盡量減少無人機(jī)飛行航線轉(zhuǎn)彎次數(shù)是提高工作效率的重點(diǎn)之一。對(duì)于一些形狀不規(guī)則的監(jiān)測(cè)區(qū)域，工作人員可設(shè)計(jì)以內(nèi)部最小寬度對(duì)應(yīng)的平行線作為無人機(jī)飛行方向進(jìn)行航攝工作，將轉(zhuǎn)彎次數(shù)減至最少。為保證無人機(jī)進(jìn)行航攝任務(wù)的區(qū)域在影像采集上達(dá)到足夠的重疊度，飛行的起始航線與航攝區(qū)域邊緣應(yīng)保持一個(gè)航帶間距的寬度；為保證航攝區(qū)域邊線不超出結(jié)束航線飛行區(qū)域范圍，預(yù)設(shè)結(jié)束航線與任務(wù)區(qū)域邊線距離應(yīng)至少大于50 m。相關(guān)工作人員可通過以上設(shè)計(jì)完成無人機(jī)調(diào)查航線的規(guī)劃。

2.2 無人機(jī)調(diào)查影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

無人機(jī)飛行航線確定后，工作人員通過無人機(jī)航攝技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再用ArcGIS對(duì)無人機(jī)采集的相片數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。ArcGIS 可通過前期布設(shè)的無人機(jī)飛行區(qū)域控制點(diǎn)進(jìn)行像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)，并將采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行初步人工審核篩選，對(duì)無人機(jī)航空拍攝的相片進(jìn)行規(guī)劃整理。其作用是可以將監(jiān)測(cè)區(qū)域的地理位置和相關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合，并與其他技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，建立對(duì)應(yīng)的地質(zhì)區(qū)域數(shù)據(jù)信息庫，為查詢規(guī)劃提供便捷

2.3 無人機(jī)調(diào)查影像數(shù)據(jù)處理

得到預(yù)處理完成的相片數(shù)據(jù)后，工作人員先采用密集點(diǎn)云成像技術(shù)對(duì)相片進(jìn)行影像畸變矯正；之后利用PS軟件對(duì)矯正后的相片進(jìn)行單影像制作，對(duì)影像照片根據(jù)信息坐標(biāo)進(jìn)行拼接處理，整合監(jiān)測(cè)區(qū)域整體影像的完整影像圖，再對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的完整影像圖進(jìn)行校正和幾何糾正，避免因區(qū)域地形起伏造成影像內(nèi)相同地物相對(duì)位置出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象；最后對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的影像圖進(jìn)行畫面修飾、地物鑲嵌等處理，減少不同相片因光線角度不同在拼接時(shí)產(chǎn)生的色差。

影像圖生成后，工作人員通過計(jì)算機(jī)圖像自動(dòng)解譯和影像處理軟件DACRS 識(shí)別正射影像中的變化范圍，參照以往相同區(qū)域的林區(qū)狀況，對(duì)比標(biāo)記出明顯變化區(qū)域。之后，工作人員再利用ArcGIS的空間分析功能獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的林木、沼澤、水域、草地等自然資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對(duì)所有數(shù)據(jù)建立坐標(biāo)，通過投影形成一個(gè)完整的自然資源林區(qū)信息數(shù)據(jù)庫。

工作人員將通過計(jì)算提取出的變化范圍數(shù)據(jù)與自然資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間覆蓋對(duì)比，使用不同色塊重疊分析相同地理區(qū)域自然資源類型的變化面積，將產(chǎn)生的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理形成最終的成果報(bào)告，主要以出現(xiàn)變化坐標(biāo)數(shù)據(jù)、自然資源類型覆蓋面積增減的分析統(tǒng)計(jì)表及從監(jiān)測(cè)區(qū)域采集的高分辨率航空攝影數(shù)據(jù)作為最終監(jiān)測(cè)成果，統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)區(qū)域植被覆蓋率，分析林業(yè)資源變化情況；將分析后的結(jié)果在影像圖上進(jìn)行標(biāo)注，從而使監(jiān)測(cè)分析結(jié)果更直觀展示，最終將整理好的成果提交給相關(guān)部門工作人員，為林業(yè)資源保護(hù)與管理提供有效參考。

3 無人機(jī)航空攝影技術(shù)在林區(qū)測(cè)繪中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)于2023 年2 月10 日進(jìn)行。筆者在洮河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)選擇一林區(qū)地塊作為試驗(yàn)區(qū)域，進(jìn)行無人機(jī)航空攝影技術(shù)在林區(qū)測(cè)繪中的應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)域?yàn)殚L方形，面積約為2 700 m2。為盡量降低環(huán)境因素對(duì)無人機(jī)飛行的影響，試驗(yàn)于當(dāng)天10:30 進(jìn)行，試驗(yàn)期間風(fēng)力2 級(jí)，試驗(yàn)區(qū)域無高聳障礙物。無人機(jī)型號(hào)為大疆Maic2 專業(yè)版，搭載高分辨率攝像頭、GPS 定位系統(tǒng)、飛行自主控制系統(tǒng)等，可在降低飛行控制難度的同時(shí)獲取高清影像數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域地形環(huán)境，筆者設(shè)定無人機(jī)航行高度為70 m，于試驗(yàn)區(qū)域上方循環(huán)飛行5次，采集60張航片，分兩個(gè)航帶。

3.2 實(shí)時(shí)航測(cè)情況

經(jīng)過對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)記錄采集，無人機(jī)實(shí)時(shí)航測(cè)結(jié)情況如表1所示。

表1 航測(cè)信息展示表

由表1 可知，在5 次實(shí)時(shí)航測(cè)中，無人機(jī)拍攝影像的準(zhǔn)確率最高為99.2%，最低為97.8%，可見通過無人機(jī)航攝技術(shù)可準(zhǔn)確獲取試驗(yàn)區(qū)域的地物信息；采集影像時(shí)間最長為31 ms，最短28 為ms，可見無人機(jī)航攝技術(shù)能滿足在極短時(shí)間內(nèi)獲取對(duì)應(yīng)影像資料，與后續(xù)拍攝影像工作可緊密銜接；無人機(jī)航測(cè)一次飛行時(shí)間最長為35 min，最短為28 min，表明無人機(jī)可在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)大面積監(jiān)測(cè)區(qū)域完成數(shù)據(jù)采集工作，可大幅度減少傳統(tǒng)測(cè)繪方式所需的人力、物力；每張相片的重疊率最高為40%，最低為35%，滿足相片旁向重疊率的需求，即利用無人機(jī)航測(cè)不存在對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域信息采集的遺漏問題，通過所有相片的拼接可形成完整的監(jiān)測(cè)區(qū)域影像圖。

3.3 試驗(yàn)區(qū)域測(cè)繪結(jié)果

筆者利用無人機(jī)航空攝影技術(shù)對(duì)試驗(yàn)區(qū)域信息采集完成后，利用軟件對(duì)影像資料進(jìn)行整合處理，通過點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算得出試驗(yàn)區(qū)域測(cè)繪結(jié)果（見表2）。

表2 試驗(yàn)區(qū)域測(cè)繪結(jié)果

如表2 所示，5 次測(cè)繪結(jié)果中，試驗(yàn)區(qū)域周長最長為2 166 m，最短為2 097 m，誤差為69 m；試驗(yàn)區(qū)域面積最大為2 670.5 m2，最小為2 657.9 m2，誤差為12.6 m2；平均樹高最高為4.65 m，最低為4.18 m，誤差為0.47 m；林區(qū)占比最高為81%，最低為73%，誤差為8%。試驗(yàn)區(qū)域周長、面積、平均樹高、林區(qū)占比的誤差均在理想范圍內(nèi)，證明無人機(jī)航空攝影技術(shù)在林區(qū)測(cè)繪工作中可以起到顯著的輔助作用。

4 結(jié)語

現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展為林業(yè)建設(shè)提供了種種便利。將無人機(jī)航空攝影技術(shù)科學(xué)地應(yīng)用到林區(qū)測(cè)繪工作中，有助于提升林區(qū)調(diào)查、設(shè)計(jì)規(guī)劃和林業(yè)管理效率。相關(guān)部門應(yīng)提高重視程度，積極合理地將無人機(jī)航空攝影技術(shù)應(yīng)用于林區(qū)測(cè)繪工作，促進(jìn)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。