無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)與攝影測(cè)量林業(yè)應(yīng)用研究進(jìn)展

申曉哲 牛毓君

（1.山西省造林局 山西省太原市 030012 2.山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院 山西省太原市 030006）

無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)與攝影測(cè)量林業(yè)應(yīng)用研究進(jìn)展

申曉哲1牛毓君2

（1.山西省造林局 山西省太原市 030012 2.山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院 山西省太原市 030006）

近幾年，隨著無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)的日益成熟，其在各行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，森林空間結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律對(duì)森林經(jīng)營(yíng)管理、生態(tài)環(huán)境建模等具有重要意義。本文論述了無(wú)人機(jī)技術(shù)在林業(yè)資源監(jiān)測(cè)、森林巡護(hù)、病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、常規(guī)防火監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)應(yīng)急指揮等方面的應(yīng)用需求，其在單木、林分尺度森林環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

無(wú)人機(jī)；激光雷達(dá)；攝影測(cè)量

1 無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)通常配備激光掃描儀、高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)＆慣性測(cè)量單元（global navigation satellite system，GN SS＆inertial measurement unit，IMU）和光學(xué)相機(jī)等載荷，激光掃描儀能夠獲取地物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，高精度GNSS＆IMU提供姿態(tài)和位置信息，用于解算激光點(diǎn)三維位置，光學(xué)相機(jī)用于地物類型識(shí)別以及結(jié)構(gòu)信息提取。隨著微型激光掃描儀、GNSS＆IMU集成系統(tǒng)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了多種輕小型無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)，采用高精度GNSS＆IMU是提高激光雷達(dá)定位精度的關(guān)鍵，集成GNSS＆IMU 的混合測(cè)量單元（hybrid measurement unit，HMU）已經(jīng)能夠達(dá)到厘米級(jí)定位精度，另外，低成本GNSS＆IMU系統(tǒng)精度較低，采用GNSS雙天線可以有效改善航向精度。無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地獲取飛行器位置、速度和姿態(tài)信息，并反饋給飛行控制系統(tǒng)，使得飛行器沿著預(yù)定航線飛行，自動(dòng)巡航開(kāi)源框架包括 Paparazzi、OpenPilot、ArduPilot等。

2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)

激光雷達(dá)能夠穿透森林冠層，直接測(cè)量森林三維結(jié)構(gòu)，在森林經(jīng)營(yíng)管理與生態(tài)系統(tǒng)研究中具有廣闊應(yīng)用前景，輕型固定翼飛機(jī)、無(wú)人旋翼機(jī)等一些小型飛機(jī)將允許民用飛行，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量平臺(tái)可以選擇固定翼、多旋翼或直升機(jī)，固定翼飛行速度快，適合于較大區(qū)域測(cè)量任務(wù)，從而推動(dòng)了無(wú)人機(jī)行業(yè)應(yīng)用快速發(fā)展。攝影測(cè)量獲取時(shí)間序列森林表層結(jié)構(gòu)信息，保證激光雷達(dá)與攝影測(cè)量數(shù)據(jù)位置匹配精度的情況下，分析森林結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)工作情況，獲取時(shí)間和范圍受空域政策限制，同時(shí)氣候條件進(jìn)一步限制了有效觀測(cè)時(shí)間，根據(jù)無(wú)人機(jī)續(xù)航能力及時(shí)調(diào)整返航時(shí)間，注意風(fēng)向和風(fēng)速的變化等外部環(huán)境因素，傳統(tǒng)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取成本高，無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)與攝影測(cè)量相結(jié)合可以彌補(bǔ)相互之間的不足，隨著無(wú)人機(jī)系統(tǒng)負(fù)載、航時(shí)、穩(wěn)定性等性能進(jìn)一步提高，將使得無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在林業(yè)中的應(yīng)用范圍更為廣闊，無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)操作靈活，特別是輕小型無(wú)人機(jī)具有便攜性，可為森林結(jié)構(gòu)研究和森林資源調(diào)查提供一個(gè)有效的技術(shù)手段。無(wú)人機(jī)獲取時(shí)間和范圍受空域政策限制，同時(shí)氣候條件進(jìn)一步限制了有效觀測(cè)時(shí)間，攝影測(cè)量獲取時(shí)間序列森林表層結(jié)構(gòu)信息，保證激光雷達(dá)與攝影測(cè)量數(shù)據(jù)位置匹配精度的情況下，分析森林結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)通常配備普通相機(jī)、低精度等載荷無(wú)人機(jī)航空遙感技術(shù)是以獲取低空高分辨率遙感數(shù)據(jù)為應(yīng)用目標(biāo)。

3 無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)與攝影測(cè)量綜合分析森林結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)對(duì)森林冠層具有穿透性，能夠準(zhǔn)確地獲取森林冠層內(nèi)部結(jié)構(gòu)及林下地形信息，但是獲取的光譜特征比較單一；無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量能夠獲取更為豐富的圖像光譜特征，通過(guò)圖像三維重建可以精細(xì)地觀測(cè)森林冠層上表面的空間分布特征，透過(guò)冠層之間的空隙獲取部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)及林下地形信息，將無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)和攝影測(cè)量相結(jié)合，可以彌補(bǔ)單一測(cè)量方式的不足。

無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)與攝影測(cè)量的結(jié)合方式一般是由激光雷達(dá)提取地形，將攝影測(cè)量點(diǎn)云減去激光雷達(dá)地形得到攝影測(cè)量歸一化點(diǎn)云，再提取森林結(jié)構(gòu)相關(guān)信息。使用固定翼無(wú)人機(jī)近紅外相機(jī)獲取橡樹(shù)（Quercuspalustris）林和云杉（Piceaasperata）林航空?qǐng)D像，通過(guò)MICMAC提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由圖像重建DSM減去激光雷達(dá)DEM得到圖像重建CHM，與激光雷達(dá)CHM進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)圖像重建CHM能夠很好地估測(cè)林分和單木變量；分析了固定翼無(wú)人機(jī)獲取的亞熱帶森林航空?qǐng)D像，使用Pix4D進(jìn)行三維重建，并結(jié)合激光雷達(dá)DEM估測(cè)林分特征，發(fā)現(xiàn)胸徑加權(quán)高的敏感性最高，蓄積量次之，林分密度和胸高斷面積最低。另外，無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)點(diǎn)云和攝影測(cè)量點(diǎn)云也可以合成在一起，再用激光雷達(dá)點(diǎn)云處理方法提取森林結(jié)構(gòu)相關(guān)信息。

無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)和攝影測(cè)量容易受森林郁閉度的影響，使用多旋翼無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)和相機(jī)集成系統(tǒng)同步獲取了桉樹(shù)林激光雷達(dá)點(diǎn)云和圖像數(shù)據(jù)，采用AgisoftPhotoscan從圖像重建三維點(diǎn)云，對(duì)比分析無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)和攝影測(cè)量獲取的森林結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于低郁閉度區(qū)域，2種方法均能夠提供地形和冠層特征信息，隨著郁閉度增加，激光雷達(dá)能夠得到更高精度的垂直結(jié)構(gòu)信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，在現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合林業(yè)的行業(yè)特點(diǎn)，建立無(wú)人機(jī)、無(wú)人機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)化程度的提高，將使得無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在林業(yè)中的應(yīng)用范圍更為廣闊。未來(lái)幾年，隨著大量高新技術(shù)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)的性能、功能將進(jìn)一步提升，無(wú)人機(jī)技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用必將日漸成熟，以期服務(wù)于國(guó)家森林資源調(diào)查、重大工程監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)需求。

[1]汪小欽，王苗苗，王紹強(qiáng)，等.基于可見(jiàn)光波段無(wú)人機(jī)遙感的植被信息提取［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015（05）：152～159.

S771

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1005-7897（2017）20-0200-02

2017-8-19