林業(yè)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)研究*

陳銘潮，許雪玲，陳賢干，方本煜

(福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，福州 350003)

隨著信息化技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)、無(wú)人機(jī)技術(shù)的日臻成熟和應(yīng)用研究的不斷深入，無(wú)人機(jī)在各行業(yè)的應(yīng)用正迅速推進(jìn)，預(yù)計(jì)未來10～20 a無(wú)人機(jī)將進(jìn)入黃金發(fā)展期。無(wú)人機(jī)在國(guó)內(nèi)地理測(cè)繪領(lǐng)域、應(yīng)急救災(zāi)、農(nóng)林業(yè)、環(huán)境保護(hù)、國(guó)土資源、海洋水利、警用偵查等多個(gè)行業(yè)應(yīng)用迅速推進(jìn)。無(wú)人機(jī)在林業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的應(yīng)用仍處在起步階段。2015年，福建省部分縣(市、區(qū))林業(yè)部門開始探索無(wú)人機(jī)在林業(yè)中的應(yīng)用，縣市林業(yè)局、基層林業(yè)站、保護(hù)區(qū)管理部門等配備了無(wú)人機(jī)。這些無(wú)人機(jī)大部分處于消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)應(yīng)用之間，多用于圖像采集和視頻拍攝，實(shí)用性不高。防火指揮、林業(yè)有害生物與一類樣地調(diào)查開展了無(wú)人機(jī)應(yīng)用探索性試驗(yàn)，航拍數(shù)據(jù)大多依賴人工對(duì)各應(yīng)用需求進(jìn)行再處理。[1]

1 研究對(duì)象

遙感已經(jīng)成為林業(yè)許多應(yīng)用的數(shù)據(jù)來源。通過遙感影像可以快速獲取日常監(jiān)測(cè)一些數(shù)據(jù)，獲得空間位置及面積，是傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方式所不具備的。無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)：可以機(jī)動(dòng)、靈活地對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)；在相對(duì)惡劣的天氣條件或?yàn)?zāi)難環(huán)境中完成任務(wù)；可低空飛行，對(duì)衛(wèi)星遙感云層遮擋等漏洞區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充。無(wú)人機(jī)利用無(wú)線電遙控設(shè)備和飛控裝置操縱飛機(jī)，機(jī)上安裝有自動(dòng)駕駛儀、飛行程序控制裝置等軟硬件設(shè)備。地面指揮系統(tǒng)或者操作人員通過雷達(dá)、GPS、無(wú)線電等設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行跟蹤、定位、遙測(cè)及數(shù)字信號(hào)傳輸。無(wú)人機(jī)本身無(wú)法完成任何作業(yè)任務(wù)，需要一套嚴(yán)密的控制系統(tǒng)，根據(jù)飛行與作業(yè)任務(wù)搭載相關(guān)有效載荷并配備后期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，方可獲取高分辨率低空遙感影像[2-3]。

無(wú)人機(jī)在福建省林業(yè)中的應(yīng)用還處于起步狀態(tài)，缺乏數(shù)據(jù)處理、管理與應(yīng)用平臺(tái)。建設(shè)林業(yè)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)平臺(tái)，整合無(wú)人機(jī)低空遙感從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理到行業(yè)應(yīng)用的過程，結(jié)合森林資源、林業(yè)應(yīng)用、地理信息分析，將影像成果應(yīng)用于實(shí)際工作中，仍是各級(jí)林業(yè)管理部門的重要課題[4]。

2 平臺(tái)建設(shè)思路

在森林重點(diǎn)研究區(qū)域開展無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)，需要一個(gè)高效處理平臺(tái)。根據(jù)具體工作需求針對(duì)目標(biāo)區(qū)森林、濕地等林業(yè)資源進(jìn)行航飛，獲取遙感圖像并對(duì)其進(jìn)行系列處理，使之成為含有地理信息的低空影像數(shù)據(jù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)影像分析、與專題數(shù)據(jù)自由疊加、空間分析等。同時(shí)，系統(tǒng)平臺(tái)產(chǎn)生的成果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入庫(kù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)遙感的信息資源在各個(gè)部門間共享與利用。林業(yè)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)平臺(tái)整合了無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)模塊、系統(tǒng)管理基礎(chǔ)平臺(tái)模塊、應(yīng)用模塊等三大模塊，集成了航拍任務(wù)管理、圖像處理、成果入庫(kù)、信息提取、資源共享等林業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的低空影像處理平臺(tái)(圖1)。在平臺(tái)中可以進(jìn)行初步無(wú)人機(jī)航拍任務(wù)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集規(guī)劃，并對(duì)航拍影像構(gòu)建流程化的數(shù)據(jù)處理，結(jié)合影像與森林資源空間數(shù)據(jù)，利用GIS分析、遙感影像處理技術(shù)，提高無(wú)人機(jī)在林業(yè)實(shí)際生產(chǎn)管理中的應(yīng)用水平。

圖1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

3 平臺(tái)主要內(nèi)容

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)模塊是集無(wú)人機(jī)遙感影像獲取、無(wú)人機(jī)低空影像快速處理、視頻采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸為一體的低空—地面聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)ι种攸c(diǎn)研究區(qū)域進(jìn)行快速、及時(shí)地監(jiān)測(cè)。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將林業(yè)具體業(yè)務(wù)與飛行任務(wù)匹配，進(jìn)行飛行初步航線規(guī)劃與數(shù)據(jù)采集方式設(shè)計(jì)，對(duì)航拍任務(wù)和飛行參數(shù)進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)圖像采集成果進(jìn)行快速影像預(yù)處理、影像拼接、影像匹配、數(shù)據(jù)校正、產(chǎn)品生成與正射影像等成果輸出；智能巡護(hù)系統(tǒng)對(duì)森林巡護(hù)設(shè)計(jì)初步巡護(hù)路線，定制重點(diǎn)巡防任務(wù)，通過視頻采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸形式將無(wú)人機(jī)攜帶的攝像頭影像傳輸回系統(tǒng)平臺(tái)。

基礎(chǔ)平臺(tái)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)集中管理與發(fā)布，包括影像管理與共享平臺(tái)、地理信息公共平臺(tái)。影像管理與共享平臺(tái)基于時(shí)空信息對(duì)影像進(jìn)行管理，通過無(wú)人機(jī)的正射影像成果、影像自動(dòng)提取的專題信息成果等空間數(shù)據(jù)的共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)遙感信息資源在各個(gè)部門間的共享與利用。影像管理與共享平臺(tái)，對(duì)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)模塊數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的成果在平臺(tái)中入庫(kù)，進(jìn)行統(tǒng)一集中式管理，通過影像成果的元數(shù)據(jù)信息等進(jìn)行自動(dòng)化管理；對(duì)合理的共享請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布，便于用戶根據(jù)查詢條件快速獲取所需的無(wú)人機(jī)影像及分發(fā)、處理共享等后續(xù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)林業(yè)各應(yīng)用部門間資源的共建共享，形成內(nèi)外業(yè)一體化協(xié)作的應(yīng)用模式，有效提高空間數(shù)據(jù)的使用效率，縮短分享周期，降低空間信息成本。地理信息公共平臺(tái)是一個(gè)重要的基礎(chǔ)核心平臺(tái)，影像與地理信息數(shù)據(jù)查看查詢、數(shù)據(jù)交互、信息瀏覽與定位、數(shù)據(jù)管理、空間分析等GIS功能都在這個(gè)平臺(tái)完成。

應(yīng)用模塊包括影像服務(wù)系統(tǒng)、資源變化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、病蟲害識(shí)別系統(tǒng)等具體應(yīng)用功能。影像服務(wù)系統(tǒng)采用通用瀏覽器，各個(gè)部門在客戶端便可以對(duì)影像成果進(jìn)行查詢、訪問與下載，便于用戶根據(jù)多種查詢條件快速獲取所需的無(wú)人機(jī)影像；資源變化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)森林資源的變化提取與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)林木生長(zhǎng)和森林生態(tài)系統(tǒng)中存在的問題；病蟲害識(shí)別系統(tǒng)可以綜合森林資源專題信息通過衛(wèi)星遙感影像、無(wú)人機(jī)低空影像和圖像識(shí)別技術(shù)提取病蟲害信息，利用時(shí)序信息，對(duì)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)模塊的成果進(jìn)行圖像生理特征識(shí)別[5-6]。

4 研究方法與關(guān)鍵技術(shù)

4.1 無(wú)人機(jī)模塊

由于無(wú)人機(jī)行業(yè)的成熟市場(chǎng)龐大以及機(jī)型多樣，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系復(fù)雜[7-8]，不同廠商的飛控與通訊也不同。由于平臺(tái)重點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集成果的處理與應(yīng)用，我們?cè)O(shè)計(jì)平臺(tái)時(shí)回避了直接與各式飛控設(shè)備的通訊關(guān)聯(lián)，整合成熟的地面控制系統(tǒng)。林業(yè)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)平臺(tái)以任務(wù)的形式，通過與地面控制系統(tǒng)的飛行任務(wù)、成果數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行匹配和數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行設(shè)備的操控和信息交互。

4.2 地理信息公共平臺(tái)

本研究基于Web的GIS平臺(tái)，采用ArcGIS Server構(gòu)建集中管理的、支持多用戶的、具備高級(jí)GIS功能與服務(wù)的平臺(tái)，它支持分布式環(huán)境對(duì)地理信息進(jìn)行瀏覽定位、數(shù)據(jù)管理、空間分析等等GIS功能。這些GIS功能都可以通過標(biāo)準(zhǔn)的HTTP REST/SOAP協(xié)議訪問，支持OGC開放標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 遙感與GIS一體化

遙感對(duì)影像數(shù)據(jù)的管理和影像特征分析有特殊的優(yōu)勢(shì)；GIS是數(shù)據(jù)管理和空間分析的有效工具。遙感與GIS一體化支持在GIS軟件中嵌入遙感功能組件或在遙感軟件中引入GIS組件，利用遙感和GIS軟件提供的開發(fā)接口，采用ENVI/IDL和ArcGIS server相結(jié)合的方法開發(fā)集成遙感與GIS一體化系統(tǒng)[9-10]。

4.4 數(shù)據(jù)的管理與共享

4.4.1 面向服務(wù)的架構(gòu)

采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)(SOA)設(shè)計(jì)理念，影像管理與共享平臺(tái)以集中和分布式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。基于服務(wù)的共享對(duì)外提供影像管理數(shù)據(jù)公共服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和應(yīng)用的分離。共享應(yīng)用客戶端基于Web在瀏覽器查詢?cè)L問系統(tǒng)平臺(tái)的成果。

4.4.2 數(shù)據(jù)服務(wù)

Image Server Extension為ArcGIS Server的擴(kuò)展模塊，支持在服務(wù)端對(duì)大規(guī)模影像進(jìn)行動(dòng)態(tài)鑲嵌和實(shí)時(shí)處理，并且能夠訪問元數(shù)據(jù)等信息內(nèi)容。采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)和ArcGIS鑲嵌數(shù)據(jù)集組織和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過ArcGIS Server中間件將影像數(shù)據(jù)集、遙感處理模型等發(fā)布成影像和模型服務(wù)，供客戶端在線使用。

4.4.3 遙感服務(wù)

遙感服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)是將遙感功能以服務(wù)方式進(jìn)行發(fā)布共享。森林資源的變化監(jiān)測(cè)基于ENVI/IDL構(gòu)建資源變化提取模型，利用ENVI Services Engine將模型發(fā)布為服務(wù)。

4.4.4 客戶端

客戶端實(shí)際上就是通過空間數(shù)據(jù)共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)遙感的信息資源在各個(gè)部門間共享與利用。例如森林資源的變化監(jiān)測(cè)，選擇影像數(shù)據(jù)、資源的變化模型，服務(wù)器端根據(jù)接收提交的信息參數(shù)做出相應(yīng)的分析與處理，再將結(jié)果傳遞給客戶端，并以專題圖的形式展現(xiàn)出來。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)模塊數(shù)據(jù)采集與圖像處理系統(tǒng)，通過航拍工作方案與航飛路線快速、機(jī)動(dòng)、高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)的前期生產(chǎn)，可以成為福建林業(yè)無(wú)人機(jī)應(yīng)用數(shù)據(jù)來源的重要支撐和保障。基于時(shí)空信息的影像管理，通過對(duì)影像成果的元數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化管理，便于用戶根據(jù)查詢條件快速獲取所需的無(wú)人機(jī)影像；遙感與地理信息一體化解決數(shù)據(jù)管理、分析與共享的關(guān)鍵問題，基于ENVI的影像業(yè)務(wù)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)影像、數(shù)據(jù)的有效管理，且能夠快速準(zhǔn)確地提取影像中的相關(guān)信息；數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，通過建立無(wú)人機(jī)的正射影像成果、影像提取的專題信息等空間數(shù)據(jù)共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)遙感的信息資源在各個(gè)部門間共享與利用。

目前，在林業(yè)行業(yè)應(yīng)用中，多源多時(shí)相數(shù)據(jù)的管理與共享有待進(jìn)一步深化，遙感影像在森林資源監(jiān)測(cè)與人工智能變化提取等方面的技術(shù)也仍需做進(jìn)一步研究。