無人機遙感在林業(yè)調查領域的應用

毛沂新

(遼寧省林業(yè)科學研究院，遼寧 沈陽 110032)

森林資源調查是林業(yè)活動的一項重要工作，是林業(yè)領域進行科研與生產實踐的基礎與核心，科學、合理的森林經營和管理可以充分發(fā)揮森林生態(tài)與經濟效益[1-3]。傳統(tǒng)的森林資源調查主要由地面人工調查來完成，通過每木檢尺和解析木，獲得胸徑、樹高、林分密度和蓄積量等信息，該過程繁瑣而且勞動強度大、耗時耗力，不經濟高效[4-6]。

隨著無人機與便攜式通訊設備等相關技術的成熟與普及，使得以小型無人機為平臺搭載多種功能與用途的遙感或影像信息獲取設備逐步被林業(yè)和農業(yè)等領域所接受和重視。其具有體積小、便攜操作性強、平臺構建簡單、信息獲取傳感器搭配組合方式多元、作業(yè)周期短和運行維護成本低等特點[7]，能夠快速、精確地獲取中、小尺度上空間和實物信息，有效填補現(xiàn)有大尺度上航天、遙感等區(qū)域技術領域的空白。進一步完善對地監(jiān)測體系，為大尺度的衛(wèi)星和遙感影像與小尺度的高精度抽樣調查相結合找到新技術與途徑，達到優(yōu)勢互補，同時保證精準性，節(jié)省人力、物力資源，提升調查工作效率。

1 無人機遙感概況

無人機遙感是以無人飛機搭載不同遙感與圖像傳感器設備為平臺，利用無線電與GPS等相關操控技術，實時、快速、準確獲取環(huán)境、國土等資源與空間信息的低空遙感技術[8]。

1.1搭載平臺選擇

小型無人機作為一種新型的低空對地觀測平臺，主要在1 000 m以下高度進行航拍。目前低成本航拍領域普遍采用多旋翼無人機，如四旋翼、六旋翼和八旋翼，其具有良好的穩(wěn)定性，可懸停獲得較高質量圖像，GPS輔助，操作性強，可垂直起降，對空間要求低，經過適當改裝后可對鏡頭調姿，為森林資源調查和監(jiān)測帶來極大便利。

1.2機載數(shù)據采集設備選擇

無人機遙感系統(tǒng)中所搭載的傳感器主要包括高分辨率可見光相機、多光譜相機、高光譜相機、熱紅外傳感器、激光雷達與合成孔徑雷達等。根據航攝任務不同，所需搭載的采集設備也不同，必要時還需一定程度改裝。

1.3地面控制系統(tǒng)

航攝任務前要進行航線規(guī)劃，預先設定無人機飛行過程的起降點、航跡、姿態(tài)、高度等相關飛行參數(shù)，通過其自駕系統(tǒng)進行自主飛行，必要時切換成手動控制飛行，飛行中形成的數(shù)據與地面操控平臺實時互聯(lián)[9]。

1.4無人機數(shù)據后處理

目前無人機數(shù)字攝影測量處理平臺有很多，主要有德國INPHO攝影測量系統(tǒng)、俄羅斯AgisoftPhotoScan系統(tǒng)、美國Imagestation測量系統(tǒng)、徠卡Leica Photogrammetry Suite (LPS) 數(shù)字攝影測量系統(tǒng)、瑞士PIX4D Mapper系統(tǒng)、加拿大PCI Geomatica遙感圖像處理軟件，以及國內比較成熟的高分辨率遙感影像數(shù)據一體化測圖系統(tǒng)PixelGrid[7]。通過運用這些軟件可以得到基礎性數(shù)據產品：正射影像圖(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字高程模型(DEM)、冠層高度模型(CHM)和三維可視化場景(3D Model)[10，11]，同時結合Envi、ERDAS、ArcGIS等技術成熟的軟件平臺處理多光譜數(shù)據。

1.5森林特征參數(shù)信息獲取

森林結構參數(shù)是反映森林質量及經營狀況的重要指標。隨著圖像合成、分析處理等技術的飛速發(fā)展，使得小型無人機遙感、影像設備有效、精準地獲取森林結構參數(shù)信息與計算成為可能，在后期對傳感器采集的影像等相關數(shù)據進行畸變校正、影像匹配拼接形成三維和正射影像等處理后進行樹木參數(shù)提取，可實現(xiàn)的主要基本參數(shù)包括單木的樹高、冠幅、密度、郁閉度、林窗面積等因子，而單木胸徑、材積、生物量等指標是通過對所獲取的基本參數(shù)結合樹木生長模型進行反演得到[12]。無人飛行系統(tǒng)已經被證明是一種有效的森林資源調查工具，可以為林業(yè)提供低成本、高精度的遙感數(shù)據。通過無人機不僅可以獲取具體的樹木信息，還可以有針對性地進行森林資源調查及林區(qū)規(guī)劃。

2 森林結構參數(shù)獲取

2.1 樹高信息獲取

樹高是反應林木長勢、立地條件的基本參數(shù)。對無人機航拍高分辨影像進行影像處理、拼接，生成正射影像(DOM)和三維點云，將樹木頂部點云及樹根部的地面點云通過最大類間方差法求得樹木高度，單木樹高估測精度在0.86 以上，也可利用全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，通過三維自動重建方法生成數(shù)字表面模型后估測出樹高值，其精度基本滿足林業(yè)調查與規(guī)劃需要。

2.2林冠層信息提取

冠層信息是林業(yè)調查的重要組成部分。利用無人機航空遙感數(shù)字影像可以有效分析林冠結構，目前利用無人機影像提取冠幅常用的方法有目視解譯和面向對象法，其中面向對象的影像分割方法是利用圖像處理軟件并結合影像紋理和光譜特征進行分割，快速獲得單木冠幅信息[13]，也可進行大尺度估計，以快速獲得森林喬木覆蓋率和葉面積指數(shù)等喬木冠層信息。對單木樹冠進行提取的關鍵點在于對林木光譜及紋理信息判定與范圍的劃分，以便找出最為顯著的特征統(tǒng)計值作為分割指標，將其提取出來，其精度能達到 90 %以上。

2.3 胸徑與生物量信息

胸徑、蓄積量是判斷林齡、森林質量和效益的重要指標，其主要是通過航空數(shù)字影像信息集合目標參數(shù)模型反演獲得，可以根據已獲取的指標數(shù)量建立一元、二元乃至多元航空立木材積表。主要是通過已獲得的單木冠幅與實地調查林木胸徑建立胸徑—冠幅回歸模型，獲得單木胸徑，再根據胸徑—材積模型得到單木材積，并根據調查樣地的植株密度計算林分蓄積，總體精度能達到 90 % 以上。另一種方式是通過對獲取的影像和激光雷達數(shù)據得到完整的點云數(shù)據，利用點云數(shù)據建立生物量預測模型。通過此技術可以有效提高森林資源調查效率、降低成本，但精度仍有待進一步提高。

2.4其他信息獲取

無人機航拍遙感能夠以較低成本獲取大量林木信息，使得其在森林資源調查和大規(guī)模森林清查方面具有得天獨厚優(yōu)勢。通過搭載不同類型傳感器以獲得不同波段光譜信息，極大增強無人機森林調查能力和效率[14]。采用多種數(shù)據信息處理軟件，對信息進行后期處理以獲得樹種及其空間分布等大量基礎信息，也可通過搭載高分辨率或特定鏡頭，結合后期處理和人工判別，以進行對某一目標樹種的信息提取或樹種分類以及研究區(qū)域內樹木空間分布情況。相關研究表明，通過無人機航拍獲取高分辨率影像，并從中提取能反映林分空間結構特征的混交度、角尺度、大小比及樹冠競爭等指數(shù)。

隨著信息化和計算機技術不斷發(fā)展，利用遙感技術重構模型的方法已經逐漸成熟，利用對圖像后期處理技術可很好地進行區(qū)域林分、林冠層和單木的三維景觀重建。無人機航空遙感具有信息獲取速度快、處理簡單、機動性強等優(yōu)點，能夠更好地展現(xiàn)森林價值，有利于森林保護和經營。利用無人機獲取的遙感信息，可建立數(shù)字化地形模型、數(shù)字化立體模型與三維可視化、正射影像、信息查詢、森林區(qū)劃以及樹種類型判讀等一系列研究工作，其精度可基本滿足一般林業(yè)調查與作業(yè)要求[15]。

3 結語

我國正處于林業(yè)信息化“智慧林業(yè)”發(fā)展新階段，森林資源調查和監(jiān)測的要求也逐步向數(shù)字化、信息化、智能化轉變，使得林業(yè)工作模式、森林資源調查與監(jiān)測技術創(chuàng)新得到了更加廣闊的發(fā)展空間與支持。低空無人機遙感作為一項空間數(shù)據采集的重要手段，隨著無人機遙感技術不斷發(fā)展和信息數(shù)字處理技術的逐漸成熟，必將成為未來林業(yè)領域主要調查與監(jiān)測手段之一。

參考文獻

[1]曹明蘭, 張力小, 王強.無人機遙感影像中行道樹信息快速提取[J].中南林業(yè)科技大學學報, 2016, 36(10):89-93.

[2]謝建春, 孫丙玉, 李文清,等.一種低空無人機航攝系統(tǒng)關鍵技術的試驗研究[J].測繪通報, 2015，(10):85-87.

[3]張園, 陶萍, 梁世祥,等.無人機遙感在森林資源調查中的應用[J].西南林業(yè)大學學報, 2011, 31(3):49-53.

[4]韓學鋒.基于高分辨率遙感林分調查因子的提取研究[D].福州：福建師范大學, 2008.

[5]韋雪花.輕小型航空遙感森林幾何參數(shù)提取研究[D].北京：北京林業(yè)大學, 2013.

[6]王佳, 楊慧喬,馮仲科,等.利用輕小型飛機遙感數(shù)據建立人工林特征參數(shù)模型[J].農業(yè)工程學報, 2013, 29(8):164-170.

[7]王偉.無人機影像森林信息提取與模型研建[D].北京：北京林業(yè)大學, 2015.

[8]尚何章.小型無人機飛行控制系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學, 2012.

[9]王強.小型無人直升機航拍系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學, 2013.

[10]周占成, 朱陳明.無人機航攝系統(tǒng)獲取DOM的技術研究[J].測繪標準化, 2011，(3):16-18.

[11]魏涌, 畢凱.低空無人機航攝系統(tǒng)在正射影像制作中的應用[J].鐵道勘察, 2014, 40(2):17-19.

[12]汪小欽, 王苗苗, 王紹強,等.基于可見光波段無人機遙感的植被信息提取[J].農業(yè)工程學報, 2015, 31(5):152-159.

[13]周艷飛, 張繪芳, 李霞,等.不同方法提取無人機影像樹冠信息效果分析[J].新疆農業(yè)大學學報, 2014，(3):231-235.

[14]徐譽遠, 胡爽, 王本洋.無人機遙感在我國森林資源監(jiān)測中的應用動態(tài)[J].林業(yè)與環(huán)境科學, 2017, 33(1):97-101.

[15]嚴宇波.無人機攝影測量影像匹配與糾正技術研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學, 2013.