無人機(jī)遙感技術(shù)在城市樹木智慧化管理中的應(yīng)用?

楊瑞卿 唐 瓴 談海佳 許曉波 嚴(yán) 巍

1 上海市綠化管理指導(dǎo)站 上海 200020 2 上海陀嶺園林雕塑工程有限公司 上海 200331 3 上海城市樹木生態(tài)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心 上海 200020

無人機(jī)遙感技術(shù)在城市樹木智慧化管理中的應(yīng)用?

楊瑞卿1，3唐 瓴1，3談海佳2許曉波1，3嚴(yán) 巍1，3

1 上海市綠化管理指導(dǎo)站 上海 200020 2 上海陀嶺園林雕塑工程有限公司 上海 200331 3 上海城市樹木生態(tài)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心 上海 200020

隨著城市建設(shè)步伐的加快，無人機(jī)遙感系統(tǒng)在各行各業(yè)都取得了飛速發(fā)展。如何在生態(tài)城市、智慧城市建設(shè)中充分發(fā)揮無人機(jī)遙感系統(tǒng)在城市樹木規(guī)劃建設(shè)、統(tǒng)計(jì)分析、管理指導(dǎo)、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)中的作用，進(jìn)而提高城市樹木的智慧化管理水平，促進(jìn)城市樹木的長(zhǎng)勢(shì)和景觀面貌提升，筆者結(jié)合當(dāng)前無人機(jī)遙感發(fā)展趨勢(shì)，立足城市樹木管理，提出無人機(jī)遙感在城市樹木管理中的應(yīng)用形式，以期為今后城市樹木的精細(xì)化管理提供一定的支撐。

城市樹木，無人機(jī)遙感系統(tǒng)，智慧化，精細(xì)化

城市樹木是城市生態(tài)系統(tǒng)和景觀的重要組成部分[1]，它具有美化環(huán)境、凈化空氣、補(bǔ)充氧氣、減少噪音及污染等作用[2]，通常指生長(zhǎng)在城市中的喬木，主要包括5大類:行道樹、綠地樹木、公園樹木、小區(qū)樹木和古樹名木。其大多分布在人口較為集中的城區(qū)，立地條件十分復(fù)雜，因此，對(duì)其人工調(diào)查的效率較低，進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)難度較大。

隨著我國(guó)一些大城市的生態(tài)城市和智慧園林建設(shè)步伐日漸加快，城市樹木智慧化管理也必將成為今后行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。無人機(jī)遙感技術(shù)因其自動(dòng)化、智能化、專題化等特點(diǎn)，能夠快速獲取環(huán)境的空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的能力，從而實(shí)現(xiàn)城市樹木管理的信息化、現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化、智能化及精細(xì)化，其必將在今后城市樹木管理中發(fā)揮重要作用。國(guó)內(nèi)外對(duì)無人機(jī)在綠地管理等領(lǐng)域的大量研究和實(shí)踐表明，采用無人機(jī)遙感技術(shù)不僅能夠準(zhǔn)確判定和量測(cè)綠化覆蓋面積，而且對(duì)于判別綠地類型、結(jié)構(gòu)、空間布局乃至識(shí)別植物種類都十分有效，特別是隨著無人機(jī)遙感系統(tǒng)硬件、軟件的不斷完善，其為城市的綠地規(guī)劃、建設(shè)、養(yǎng)護(hù)管理等提供了全新、現(xiàn)代化和便捷的技術(shù)支持。

1 無人機(jī)遙感系統(tǒng)概況

無人機(jī) (Unmanned Aerial Vehicle)，即指自帶飛行控制和導(dǎo)航定位系統(tǒng)的無人駕駛的飛行器[3－5]，它的優(yōu)點(diǎn)包括成本低、拍攝的圖像分辨率高、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、外業(yè)周期短、操作簡(jiǎn)單靈活、高效快速等[6－7]。將無人機(jī)與遙感技術(shù)結(jié)合，即為 “無人機(jī)遙感”(簡(jiǎn)稱UAVRS)[8]。因而，無人機(jī)遙感系統(tǒng)具有運(yùn)行成本低、執(zhí)行任務(wù)靈活、能夠獲得高分辨率遙感影像等優(yōu)點(diǎn)，成為傳統(tǒng)航天遙感、衛(wèi)星遙感的優(yōu)異補(bǔ)充，將廣泛運(yùn)用于諸多領(lǐng)域，如城市規(guī)劃管理、三維實(shí)景、氣象觀測(cè)、農(nóng)牧監(jiān)測(cè)管理、海事監(jiān)管、國(guó)土資源清查、災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)防、應(yīng)急災(zāi)害救援等[9－10]。由此可見，其在城市樹木的智慧化管理中也將具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外應(yīng)用情況

國(guó)外無人機(jī)遙感技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)用領(lǐng)域較多，技術(shù)體系已較為成熟。世界上第一臺(tái)農(nóng)用無人機(jī)出現(xiàn)在1987年的日本，經(jīng)過20余年的發(fā)展，目前日本已擁有2 400多架注冊(cè)農(nóng)用無人機(jī)，操作人員14 000多人，成為世界上農(nóng)用無人機(jī)噴藥第一大國(guó)[11]。除此之外，美國(guó)、俄羅斯、加拿大及韓國(guó)等國(guó)的農(nóng)用無人機(jī)發(fā)展及其技術(shù)體系也較為迅速和完善。麻省理工學(xué)院在 《科技評(píng)論》雜志中曾評(píng)選出“2014年十大最具突破性的科技創(chuàng)新”，農(nóng)用無人機(jī)被排在了第1位。瑞士有學(xué)者提出了一種小型無人機(jī)影像全自動(dòng)處理方法，可以處理導(dǎo)航級(jí)別的無人機(jī)定位信息和消費(fèi)級(jí)非測(cè)量型數(shù)碼相機(jī)影像，并且能實(shí)現(xiàn)較高的制圖精度，相較于傳統(tǒng)制圖方式更具有優(yōu)勢(shì)[12]。德國(guó)Grenzd?rffer等分別用固定翼和降落傘無人機(jī) (Paraglider UAV)進(jìn)行攝影測(cè)量試驗(yàn)，表明小型UAV可以成功獲取高精度數(shù)據(jù)影像。無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)和林業(yè)領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮骩13]，如，2015年1月，美國(guó)的聯(lián)邦航空管理局 (FAA)正式批準(zhǔn)了無人機(jī)在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用——農(nóng)作物監(jiān)測(cè)[14]；Rango[15]等研究了無人機(jī)低空遙感在牧場(chǎng)保護(hù)方面的應(yīng)用，利用其高分辨率影像，評(píng)估了牧場(chǎng)的健康狀況；Berni等利用無人機(jī)平臺(tái)成像傳感器影像，計(jì)算獲得植被指數(shù)、光化學(xué)發(fā)射指數(shù)等信息，能夠?qū)r(nóng)田、果園和作物等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[15－18]。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

與國(guó)外相比，我國(guó)無人機(jī)發(fā)展較晚，但起點(diǎn)高、發(fā)展迅速，優(yōu)勢(shì)主要是相關(guān)軟件的應(yīng)用方面。民用領(lǐng)域主要集中在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、國(guó)土等領(lǐng)域，在綠化中的應(yīng)用較少。2004年起，我國(guó)科技部、農(nóng)業(yè)部等開始研究和推廣植保無人機(jī)；2007年，我國(guó)對(duì)植保無人機(jī)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化探索；2010年，國(guó)內(nèi)首架植保無人機(jī)問世。目前，農(nóng)用無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在植保作業(yè)、林業(yè)監(jiān)測(cè)、作物授粉及牧群定位等方面。如，利用無人機(jī)數(shù)字圖像技術(shù)能夠獲得冬小麥冠層生物量的垂直分布規(guī)律[19]、較好地模擬不同條件下LAI的變化[20]、較準(zhǔn)確地計(jì)算森林的LAI[21]、識(shí)別倒伏作物并獲取倒伏信息[22]。此外，李文慧[23]等以欽州市犀牛角鎮(zhèn)土地利用為例，利用無人機(jī)遙感影像資料進(jìn)行三維地形建模，得到了清晰、逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)效果。謝彩香[24]等根據(jù)中藥資源分布特點(diǎn)利用無人機(jī)進(jìn)行抽樣調(diào)查，結(jié)合航天遙感計(jì)算中藥資源的總量，大大節(jié)省了成本，并使其結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)的可靠性。臺(tái)灣大學(xué)理學(xué)院空間信息研究中心利用無人機(jī)拍攝低空大比例尺圖像，配合FORMOSAT2分類進(jìn)行異常提取，解譯桃園縣非法廢棄堆積物 (固體垃圾等)，用于環(huán)境污染監(jiān)測(cè)和執(zhí)法調(diào)查[8]。無人機(jī)還能夠完成無人機(jī)影像數(shù)據(jù)與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比、分析[25]，對(duì)森林資源二類調(diào)查涉及的森林精確區(qū)劃調(diào)查、森林病蟲害監(jiān)測(cè)防治方面有良好應(yīng)用前景[7]。同時(shí)，研究表明無人機(jī)影像經(jīng)過幾何校正和拼接后得到的正射影像圖具有很高的平面位置精度[26－27]，使用無人機(jī)航拍影像進(jìn)行面積監(jiān)測(cè)的精度基本能達(dá)到95.0%以上[28]。

近年來，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)空域政策的放寬，以及智慧城市、生態(tài)城市建設(shè)的發(fā)展需要，無人機(jī)遙感系統(tǒng)在城市樹木管理中的應(yīng)用顯得尤為重要，在園林綠化中的應(yīng)用日益增多，優(yōu)勢(shì)也逐漸顯現(xiàn)。例如，北京市在推進(jìn)智慧園林建設(shè)過程中，實(shí)現(xiàn)園林綠化資源信息的二維或三維地圖，為瀏覽和資源監(jiān)管提供基礎(chǔ)[29]。此外，利用無人機(jī)收集的數(shù)據(jù)及影像，提取行道樹基本信息[30]、觀察園林樹木的寄生植物[31]、開展園林綠化調(diào)查[32]、制作二維和三維地形圖[33]、通過對(duì)城市綠地信息的提取，開展城市綠地的現(xiàn)狀分析與評(píng)價(jià)[34]，計(jì)算城市[35－36]、 小區(qū)[37]和植株[38]的三維綠量，建立了城市森林植被高度模型[39]。以上研究表明，這些方法都需要高精度的遙感影像，而無人機(jī)遙感技術(shù)獲取的遙感圖像分辨率高、時(shí)效性強(qiáng)、數(shù)據(jù)采集成本較低，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感和普通航空攝影技術(shù)的缺陷。

3 無人機(jī)在城市樹木管理方面的應(yīng)用

3.1 病蟲害管理

利用無人機(jī)遙感、載熱和窄帶多光譜成像傳感器、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)手段，組建病蟲害和外來入侵有害生物的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)體系，研究生物災(zāi)害的發(fā)生危害動(dòng)態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，對(duì)發(fā)病面積、程度、趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)樹木發(fā)病情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，進(jìn)而為病蟲害的防治提供依據(jù)。同時(shí)，根據(jù)發(fā)病程度和趨勢(shì)，規(guī)劃防治路線，進(jìn)而通過搭載藥瓶進(jìn)行高空噴藥防治，既節(jié)約了人工成本提高了效率，又提高了防治效果減少了對(duì)人體的傷害，這些對(duì)于整個(gè)綠化行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

3.2 系統(tǒng)規(guī)劃

城市樹木系統(tǒng)規(guī)劃的工作范圍大，工作強(qiáng)度高，并且需要規(guī)劃師對(duì)城市樹木的整體或區(qū)域分布、周邊情況有清晰、明確的了解與定位。無人機(jī)航拍技術(shù)則可以將這些情況清晰、準(zhǔn)確地表達(dá)在三維和二維圖像上，明顯縮短了工作周期和工作量，提高了規(guī)劃的時(shí)空效應(yīng)。

3.3 日常管理

無人機(jī)通過搭載高分辨率監(jiān)測(cè)、攝像設(shè)備，可以解決日常巡查人員不足、效果差、效率低等問題，有助于管理人員精確掌握城市樹木的現(xiàn)狀。如冬季修剪、夏季剝芽工作的開展，枯枝爛頭、樹洞的精確定位等為城市樹木的時(shí)查時(shí)管提供科學(xué)有效的依據(jù)。

3.4 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

城市樹木監(jiān)測(cè)已經(jīng)由傳統(tǒng)的獲取樣本的數(shù)量、位置等方面的信息，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄驅(qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)方向發(fā)展。而無人機(jī)具有高時(shí)效性，能第一時(shí)間獲取對(duì)象變化數(shù)據(jù)，通過紅外、多光譜和高光譜、SAR等技術(shù)的應(yīng)用，將在以后的城市樹木管理中(面積變化、樹木數(shù)量、樹種變化、樹種分布、樹種識(shí)別、綠蔭覆蓋率統(tǒng)計(jì)、生長(zhǎng)量變化等)發(fā)揮其他遙感平臺(tái)所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，通過接收裝置收集各處傳感點(diǎn)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市樹木的土壤水分情況、環(huán)境溫度與濕度、二氧化碳程度等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)園林管理的智能灌溉、智能預(yù)警與分析、專家線上指導(dǎo)等等。

3.5 災(zāi)害監(jiān)測(cè)

突發(fā)事件及災(zāi)害的發(fā)生往往容易導(dǎo)致環(huán)境發(fā)生改變，使搶險(xiǎn)人員快速親臨現(xiàn)場(chǎng)制定解決方案的可能性降低。而無人機(jī)機(jī)動(dòng)性能好，作業(yè)方式快速靈活，并且得到影像的處理結(jié)果對(duì)于災(zāi)害應(yīng)急救援具有重要指導(dǎo)作用。如臺(tái)風(fēng)、冰雪災(zāi)害來臨之后對(duì)倒伏、損壞樹木的分布、數(shù)量、程度進(jìn)行分析，可以提高搶險(xiǎn)救災(zāi)的時(shí)效性和針對(duì)性。

4 結(jié)語

無人機(jī)遙感系統(tǒng)在城市樹木管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)分析等領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大的優(yōu)勢(shì)和廣闊的前景。它相比其他遙感形式，具有更高的地面空間分辨率，是對(duì)當(dāng)前城市樹木管理、景觀面貌提升、監(jiān)測(cè)手段的有力補(bǔ)充，可以很好地應(yīng)用于城市樹木精細(xì)化管理領(lǐng)域。

但由于我國(guó)無人機(jī)遙感系統(tǒng)在城市樹木管理方面的應(yīng)用起步較晚，且目前主要是用于規(guī)劃方面。隨著無人機(jī)在城市管理及各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，無人機(jī)遙感系統(tǒng)必將會(huì)為城市綠化特別是城市樹木管理方面的工作做出積極的貢獻(xiàn)。

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Application of Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing Technology to Intelligent Management of Urban Trees

Yang Ruiqing1，3， Tang Ling1，3， Tan Haijia2， Xu Xiaobo1，3， Yan Wei1，3
(1.Shanghai Green Management Guidance Station， Shanghai 200020， China；2.Shanghai Tuo ling garden sculpture Engineering Co， Ltd， Shanghai 200020， China；3.Shanghai Engineering Research Center of Urban Trees Ecological Application， Shanghai 200020， China)

With the accelerated urbanization，unmanned aerialvehicle(UAV)remote sensing system has been widely applied in all walks of life In the eco and smart city construction，it is vitally important how to give full play to the UAV remote sensing system in urban trees planning and construction， guidance and management， statistical analysis，forecast so as to improve the wisdom management level of urban trees，then improve the tree vigor and landscape Based on city tree management，the authors presented the application forms of UAV remote sensing in the management of urban trees with an eye to the UAV development to study，to provide some support for fine management of urban trees in the future.

urban trees， unmanned aerial vehicle remote sensing system， intelligence， refinement

10.3969/j.issn.1672－4925.2017.06.006

2017－7－10

上海市綠化和市容管理科技攻關(guān)項(xiàng)目 (G160507；G150503)；上海市科委科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃 (17DZ2252000)

楊瑞卿 (1981－)，男，碩士，主要從事城市綠化管理與技術(shù)指導(dǎo)工作，E－mail:zdzyrq＠163.com

嚴(yán)巍 (1972－)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槌鞘芯G化管理，E－mail:yanw816＠163.com