基于無(wú)人3D攝影技術(shù)的雪松(Cedrus deodara)群落高度測(cè)定

王 彬,孫 虎,徐 倩,田 冀,李 強(qiáng),陳盈赟,楊汝蘭,張志明

云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院,生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)研究所, 昆明 650091

植物高度是反映植物群落特征的重要指標(biāo),也是當(dāng)今林業(yè)調(diào)查不可或缺的測(cè)量?jī)?nèi)容[1-2]。植物群落高度的測(cè)定能給植物群落多樣性分析、生物量估算、功能形狀研究提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[3- 5]。在森林經(jīng)營(yíng)管理中,通常利用樹高來(lái)確定立木材積和材積生長(zhǎng)率,在森林資源日益減少的今天,對(duì)森林實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的調(diào)查顯得尤為重要[6]。

傳統(tǒng)的群落高度測(cè)定方法通常是利用測(cè)樹高儀,或者激光測(cè)距儀等進(jìn)行估測(cè)森林群落的高度,然而該傳統(tǒng)的群落高度調(diào)查方法通常只能基于測(cè)定幾棵樹乃至幾十棵樹進(jìn)而求平均值,因此勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低,難以進(jìn)行大面積大尺度范圍的森林參數(shù)調(diào)查[7]。另外,傳統(tǒng)利用航空和衛(wèi)星遙感進(jìn)行森林資源調(diào)查,具有實(shí)測(cè)緩慢、勞動(dòng)力大、成本高、周期長(zhǎng)、時(shí)空分辨率低、受云層影像大等缺點(diǎn)和不足[8]。近年來(lái),在植物群落高度測(cè)定領(lǐng)域中出現(xiàn)不少新的技術(shù)和手段,如：極化合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)、星載激光雷達(dá)GLAS結(jié)合光學(xué)MODIS數(shù)據(jù)反演冠層高度和運(yùn)用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取林木高度[9- 11]。然而這些技術(shù)和手段成本高昂,極化干涉技術(shù)和星載激光雷達(dá)現(xiàn)對(duì)大比例尺下的地物測(cè)定仍有較大偏差?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大量搭載使用激光雷達(dá)傳感器,其獨(dú)特的穿透性,能穿透簡(jiǎn)單冠層獲取地面信息,從而實(shí)現(xiàn)植被高度提取,而利用相機(jī)測(cè)定植被群落高度的研究較少[12- 14]。然而在利用激光雷達(dá)傳感器獲取森林垂直結(jié)構(gòu)存在一定局限性,如激光雷達(dá)影像數(shù)據(jù)質(zhì)量受森林的密度、郁閉度、天氣條件(尤其是風(fēng)速)等因素影響很大[15]。通常只有針對(duì)靜風(fēng)條件下的密度小和郁閉度較低的針葉林,激光雷達(dá)才能獲得相對(duì)較高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。此外,由于激光雷達(dá)傳感器價(jià)格昂貴,獲取高精度雷達(dá)影像的成本較高,因此較大范圍的應(yīng)用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取森林和植物群落的結(jié)構(gòu)特征信息還不是非常普遍,從而制約了該技術(shù)得以更廣泛的應(yīng)用[16]。

近年來(lái),隨著無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)技術(shù)的飛速發(fā)展,同時(shí)也催生了無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量和遙感(Photogrammetry and Remote Sensing, PaRS)技術(shù),該技術(shù)具有拍攝影像分辨率高、重疊率大、姿態(tài)角大、相幅小、數(shù)量多等特點(diǎn),因此無(wú)論是在商業(yè)還是科學(xué)應(yīng)用等方面都有著巨大的發(fā)展?jié)摿17-18]。自2000年以后,隨著該技術(shù)的迅速發(fā)展,一些小型輕便的無(wú)人機(jī)被廣泛應(yīng)用,這些小型化的無(wú)人機(jī)具有起降靈活、使用成本低、受氣候影響小等優(yōu)點(diǎn),日漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[18- 20]。同樣無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量和遙感技術(shù)也日益受到生態(tài)學(xué)家們的關(guān)注,尤其是宏觀和空間生態(tài)學(xué)家們的關(guān)注[17]。無(wú)人機(jī)是一個(gè)新的平臺(tái),能夠搭載不同類型的攝像儀和傳感器,如激光雷達(dá)掃描儀、多光譜影像儀、高光譜影像儀、熱成像儀等[18,14]。Salami 等綜述了無(wú)人機(jī)技術(shù)在植被遙感領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展前景,指出由于無(wú)人機(jī)航空攝影遙感的低成本,尤其是搭載常規(guī)數(shù)碼相機(jī)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)能夠獲得高時(shí)間和高空間分辨率的影像,對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感是一個(gè)非常好的補(bǔ)充。近幾年無(wú)人機(jī)在生態(tài)監(jiān)測(cè)研究中得到廣泛應(yīng)用。Stanley等人利用AIAA研制的Pathfinder-Plus無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)用來(lái)對(duì)1500hm2的土地進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[21]。Renato Henriques團(tuán)隊(duì)利用無(wú)人機(jī)影像分類出棲息地范圍[22]。Stefano等人利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)對(duì)挪威南部一片針葉林進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè),建立了不同透光度氣候條件下,測(cè)量值與真實(shí)值的回歸模型,并利用多折交叉驗(yàn)證了模型在森林監(jiān)測(cè)的可行性[23]。李德仁也提出,應(yīng)用空間信息技術(shù)所建立的不同尺度生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)技術(shù)體系,是開展生態(tài)保護(hù),防止生態(tài)退化、維護(hù)生態(tài)安全的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作[24]。如上所述,隨著攝影測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展,利用普通數(shù)碼相機(jī)構(gòu)建3D模型技術(shù)越來(lái)越成熟[25- 27]。

近年來(lái),已有學(xué)者利用無(wú)人機(jī)搭載常規(guī)數(shù)碼相機(jī)獲取近地面航拍照片,構(gòu)建3D模型進(jìn)行樹木高度測(cè)定[28- 29],以及進(jìn)行農(nóng)作物植株高度測(cè)定和生物量估測(cè)等[29- 30]。盡管如此,但是關(guān)于利用機(jī)搭載普通數(shù)碼相機(jī)對(duì)樹種多樣、地形復(fù)雜的針葉林木高度提取的報(bào)道不多見。傳統(tǒng)遙感技術(shù)提取林木信息缺點(diǎn)在于需要花費(fèi)大量的人力財(cái)力,信息提取周期長(zhǎng),且提取效果不佳。云南省植被類型豐富,而其中針葉林分布很廣。全省暖熱性、暖溫性、寒涼性和寒溫性針葉林約占全省面積的35.54%[31]。實(shí)現(xiàn)大面積針葉林的高度提取,對(duì)估算生物量和生態(tài)價(jià)值有重要意義,而針葉林快速監(jiān)測(cè)一直以來(lái)是難點(diǎn),本研究擬利用無(wú)人機(jī)攜帶可見光相機(jī)獲取航拍數(shù)據(jù),利用照片影像數(shù)據(jù)建立空間模型,使用分類點(diǎn)數(shù)據(jù)求差法提取實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)針葉樹種的高度,以期該提取方法將能推廣到其他區(qū)域和能為相對(duì)較大面積的森林群落(尤其是針葉林群落)快速監(jiān)測(cè)研究。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南大學(xué)呈貢校區(qū)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院旁,經(jīng)緯度范圍為102.855947°—102.856439°E,24.828640°—24.829136°N。整個(gè)人工林面積約為4203m2,最高海拔1987m(±2m),最低海拔1984m(±2m)。整體為均勻緩坡,坡向東北向。研究區(qū)主體主要為多邊形人工林(圖1),主要種植了雪松(Cedrusdeodara(Roxb.)G.Don。東北側(cè)被道路包圍,邊緣有少量雜木,視線良好,無(wú)遮擋。樣區(qū)包含100棵雪松,位于正三角標(biāo)示處。圖1影像拍攝時(shí)間為4月底,光線充足。

圖1 實(shí)驗(yàn)區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 研究數(shù)據(jù)

為了獲取有效的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集之前對(duì)飛行任務(wù)進(jìn)行整體規(guī)劃設(shè)計(jì),以確保數(shù)據(jù)獲取的有效性和飛行的安全性。控制速度以配合相機(jī)延時(shí)拍攝的頻率,本研究采集數(shù)據(jù)飛行速度為4m/s。區(qū)域內(nèi),航向重疊度高于70%,旁向重疊度高于75%。

在本次研究中,無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)為Sony ILCE- 7R,傳感器最大像素為7360×4912,最小感光像元尺寸為4.89μm×4.89μm,固定光圈大小為f/4,ISO值為100,快門速度為1/1000s,并調(diào)用相機(jī)參數(shù)補(bǔ)償幾何失真,鏡頭參數(shù)為固定焦距35mm。使用大疆S900六旋翼飛行器作為飛行平臺(tái),并利用調(diào)參軟件DJI Assistan2校準(zhǔn)。天空端GPS使用HOLUX M241-A軌跡記錄儀,地面端GPS使用南方S750手持?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。共采集到照片影像254張,主要區(qū)域設(shè)置地面控制點(diǎn)5個(gè),全部區(qū)域設(shè)置地面控制點(diǎn)10個(gè)。匹配對(duì)齊相片,主要區(qū)域內(nèi)影像重疊度均大于9。基于相片對(duì)齊生成關(guān)鍵點(diǎn)79470個(gè),有效重疊度為10.7848,點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度為172點(diǎn)/m2。使用橫軸墨卡托投影(UTM),研究樣區(qū)位于北半球48號(hào)帶,采用World Geodetic System 1984(WGS84)基準(zhǔn)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1.1 幾何校正

任何鏡頭都存在一定的圖形幾何失真,且掛載的相機(jī)非專業(yè)的量測(cè)相機(jī),不是為攝影測(cè)量設(shè)計(jì)的,沒(méi)有準(zhǔn)確地測(cè)定內(nèi)方位元素,透鏡也沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的校正,所以拍攝得到的數(shù)字圖像存在光學(xué)畸變誤差[32]。一般情況下,導(dǎo)致獲取的影像數(shù)據(jù)存在幾何變形的因素主要包括兩個(gè)方面：鏡頭存在非線性畸變和圖像傳感器陣列潛在的排列誤差。該研究使用為獨(dú)立相機(jī)成像,不存在圖像傳感器陣列排列時(shí)候的誤差,不考慮第二種情況,只存在鏡頭固有的非線性畸變。傳統(tǒng)的幾何校正費(fèi)時(shí)且工程量大,在本研究中,使用相機(jī)功能,調(diào)用相機(jī)自身程序補(bǔ)償畸變,然后在Agisoft Lens軟件中計(jì)算鏡頭參數(shù),將相機(jī)校正模型參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入PhotoModeler軟件中對(duì)全部影像進(jìn)行校正。校正系數(shù)和誤差如下表(表1)。

表1 校正系數(shù)和相關(guān)性

F,Cx,Cy,K1,K2,K3,K4,P1,P2,P3,P4為相機(jī)模型參數(shù);F為主焦距(focal length),Cx為主點(diǎn)x坐標(biāo)(X coordinate of the principal point),Cy為主點(diǎn)y坐標(biāo)(Y coordinate of the principal point),K1,K2,K3,K4為徑向畸變系數(shù)(radial distortion coefficients),P1,P2,P3,P4為正切畸變系數(shù)(tangential distortion coefficients)

2.1.2 圖像增強(qiáng)

相片由相機(jī)的M檔(手動(dòng)調(diào)節(jié)檔)拍攝,鏡頭的曝光系數(shù)(ISO) 、光圈大小和曝光時(shí)間是鎖定的,相機(jī)根據(jù)拍攝場(chǎng)景自動(dòng)調(diào)節(jié)白平衡和HDR。因?yàn)楹礁咭话阍趲资咨踔辽习倜椎目罩?所以目標(biāo)物對(duì)于35mm焦距鏡頭來(lái)說(shuō)已經(jīng)處于“無(wú)限遠(yuǎn)”,不會(huì)受到光圈大小的干擾,所拍照片中也就不存在景深虛化,對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的影響較小。另外,一般航測(cè)會(huì)選擇無(wú)雨雪的白天進(jìn)行,只要按正確的航速飛行,曝光時(shí)間同樣不會(huì)影響到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。但是存在一種情況,在拍攝過(guò)程中可能會(huì)有云層遮蔽太陽(yáng)的情況,如前一張拍的相片是在太陽(yáng)光照射的情況下拍攝的,后一張相片由于云層剛好在這個(gè)時(shí)候擋住太陽(yáng),使得整個(gè)光環(huán)境較前一張相片發(fā)生變化,而相機(jī)本身的自動(dòng)調(diào)節(jié)還沒(méi)有跟上,使得后一張相片比前一張相片昏暗。這種情況會(huì)影響到相片的對(duì)齊,所以,在處理數(shù)據(jù)前先對(duì)所有相片進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理。將圖片導(dǎo)入Agisoft Photoscan軟件中,建立堆塊后,使用Set Image Brightness工具,估計(jì)照片組的曝光均值,設(shè)定亮度百分比,以做到影像增強(qiáng)的效果。處理前后如圖(圖2)所示。

圖2 圖像增強(qiáng)處理前后對(duì)比Fig.2 Uniform color contrast before and after processing

2.2 樹高提取

2.2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取

提取GPS軌跡,導(dǎo)入航拍照片,對(duì)應(yīng)相同時(shí)間匹配照的GPS信息,賦予GPS信息的相片導(dǎo)入軟件中將直接形成航拍軌跡和機(jī)位位置?？焖賹?duì)齊相片生成頂點(diǎn)并加密后,簡(jiǎn)單觀察目標(biāo)物生成情況,生成報(bào)告查看相片重疊度,確認(rèn)目標(biāo)物生成情況良好,重疊度較高(主要區(qū)域在8以上)之后再使用該軟件處理無(wú)人機(jī)航拍相片,在軟件中刺出并定位地面控制點(diǎn)后,引入坐標(biāo)系統(tǒng)(WGS84/UTM zone 48N)賦予每一個(gè)點(diǎn)GPS位置信息。導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)(las.格式)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)描述性、可塑性強(qiáng),保留諸多高度細(xì)節(jié),基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以提取更多空間信息。其中l(wèi)as.格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)是二進(jìn)制格式,能包含更多的信息,并且占用的存儲(chǔ)空間相對(duì)較小[33]。該數(shù)據(jù)處理方式是在Agisoft Photoscan軟件平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 植物群落高度測(cè)定

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照0.1m像元尺寸采樣,每個(gè)像元取范圍內(nèi)最大Z值生成柵格數(shù)據(jù),通過(guò)多級(jí)B樣帶內(nèi)插后生成DSM。多級(jí)B樣帶內(nèi)插(Multilevel B-Spline Interpolation)是一種基于不規(guī)則區(qū)域樣點(diǎn)計(jì)算連續(xù)平面C2的內(nèi)插方法,此方法能平衡形狀平滑度與多級(jí)近似值精度之間的關(guān)系,從而獲得更好的內(nèi)插效果[34]。利用可見光光譜指數(shù)——紅綠藍(lán)植被指數(shù)(RGBVI)混合計(jì)算影像3個(gè)波段,重新賦予點(diǎn)云新的光譜指數(shù)屬性,通過(guò)點(diǎn)云采樣工具,參考R、G、B、亮度、色調(diào)和數(shù)值,設(shè)定公差為15,分類點(diǎn)云中的非植物類點(diǎn)。紅綠藍(lán)植被指數(shù)能很好的區(qū)分植被和非植被部分,易于從點(diǎn)云中提取非植物類點(diǎn)[19]。如圖(圖3)。

圖3 根據(jù)波段計(jì)算出紅綠藍(lán)植被指數(shù)Fig.3 The RGBVI is calculated according to the band

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類提取非植被類點(diǎn),按照0.1m像元尺寸采樣為柵格數(shù)據(jù)后,通過(guò)DTM Filter(slope-based)工具將少數(shù)因植被與非植被相接的邊緣模糊而錯(cuò)分類的部分消除,因?yàn)槟：糠执蠹s為0.5m,抬升并不明顯,設(shè)定消除掃描半徑為5,允許地形坡度為15,不設(shè)置置信區(qū)間,生成地面柵格數(shù)據(jù),如圖(圖4)。通過(guò)多級(jí)B樣帶內(nèi)插后生成DTM。將DSM減去DTM即能得到樹木高度變化模型CHM。該操作過(guò)程是在SAGAGIS軟件平臺(tái)中完成,操作流程圖如圖(圖5)所示。

圖4 提取非植被類點(diǎn)并消除錯(cuò)分類部分Fig.4 Extracted the points about non-plant and removed a few portions because some edge fogs

圖5 群落植被高度模型提取流程圖Fig.5 The flow chart of extracting CHM

2.2.3 群落高度精度檢驗(yàn)

基于SPSS統(tǒng)計(jì)軟件平臺(tái),利用外業(yè)測(cè)量的數(shù)據(jù)與該方法提取的樹高數(shù)據(jù)進(jìn)行線性相關(guān)性分析。樣地內(nèi)共計(jì)有100棵雪松,利用激光測(cè)距儀測(cè)定所有雪松高度。對(duì)航測(cè)方法提取的樹高和外業(yè)測(cè)量的樹高進(jìn)行比較分析,驗(yàn)證其精度。建立線性相關(guān)分析對(duì)無(wú)人機(jī)提取樹高進(jìn)行精度驗(yàn)證。樣本相關(guān)系數(shù)r為：

其決定系數(shù)r2為：

式中：x表示航測(cè)樹高,y表示外業(yè)實(shí)測(cè)樹高,r2的含義是變量x引起的y變異的回歸平方和占y變異總數(shù)平方和的比率,r2取值范圍為0—1,表示x與y之間的相關(guān)程度。

3 研究結(jié)果

圖6 實(shí)驗(yàn)區(qū)點(diǎn)云模型Fig.6 Study area′s point cloud model

基于CHM數(shù)據(jù)按照0.1m的間距生成等高線。其中,雪松位于樹冠的最高值被等高線圍起來(lái),方便統(tǒng)計(jì)樹高。將地被物高度模型導(dǎo)入Global Mapper軟件中建立高度變化樣帶,點(diǎn)選等高線圍起來(lái)的中心區(qū)域,生成樣帶上的高度變化曲線,將曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)出,波峰處的高度值即為樹高。統(tǒng)計(jì)得到實(shí)驗(yàn)樣區(qū)內(nèi)100棵研究對(duì)象樹高測(cè)量值。

基于無(wú)人機(jī)航拍影像,生成實(shí)驗(yàn)區(qū)整體點(diǎn)云模型(圖6)?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)按照0.1m像元尺寸采樣,內(nèi)插后生成實(shí)驗(yàn)區(qū)數(shù)字表面模型,如圖7a。根據(jù)非植被類點(diǎn),消除空洞邊緣錯(cuò)分類部分內(nèi)插后得到實(shí)驗(yàn)區(qū)數(shù)字地形模型,如圖7b求差生成樹木高度模型,如圖7c。

圖7 研究區(qū)數(shù)字表面模型(a),數(shù)字地形模型(b),地被物高度模型(c)Fig.7 Digital Surface Model (a) Digital Terrain Model (b) Canopy Height Model (c)

利用激光測(cè)距儀測(cè)量研究區(qū)內(nèi)所有的雪松高度,共計(jì)100棵,并將提取出來(lái)的雪松樹高與外業(yè)實(shí)測(cè)的樹高進(jìn)行比較分析。以航測(cè)提取數(shù)據(jù)為因變量,外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為自變量,建立線性函數(shù)關(guān)系,回歸結(jié)果如圖(圖8)。圖中所示測(cè)量值與真實(shí)值之間擬合關(guān)系,在處理后相關(guān)系數(shù)R2在0.904以上。

圖8 實(shí)驗(yàn)樣區(qū)100棵樹實(shí)測(cè)高和測(cè)量高驗(yàn)證評(píng)估結(jié)果 Fig.8 Results of the validation assessment comparing field-measured tree height and DSM-retrieved height of the 100 validation trees distributed over area

4 討論

當(dāng)前無(wú)人機(jī)影像生成數(shù)字地理模型方法有多種,其中最常用的有兩種方法,即通過(guò)提取絕對(duì)定向點(diǎn)生成DEM和基于不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建規(guī)則格網(wǎng)DEM[35]。這兩種方法都需要大量的計(jì)算,專業(yè)門坎較高。而本研究利用非植被點(diǎn)內(nèi)插提取實(shí)驗(yàn)區(qū)本地?cái)?shù)字地形模型,更快捷,能適應(yīng)野外大規(guī)模調(diào)查,測(cè)量值與真實(shí)值誤差較小。利用該方法對(duì)雪松高度提取,相比較于其他方法提取的樹高具有較高的提取精度,獲取的樹高很接近真實(shí)值,相關(guān)系數(shù)r2在0.904以上。

在之前,已有一些利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)提取樹高的嘗試。一項(xiàng)森林計(jì)測(cè)的專利中曾使用樹木底點(diǎn)的真航高減去樹木頂點(diǎn)的真航高來(lái)實(shí)現(xiàn)森林樹木的高度測(cè)定[8]。還有方法用立體像對(duì)原理實(shí)現(xiàn)像方與物方的相互轉(zhuǎn)換,用測(cè)量得到的樹木坐標(biāo)代進(jìn)旋轉(zhuǎn)矩陣中得出樹高[36]。楊伯鋼等利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)來(lái)測(cè)定樹高[7]。上述3種方法都存在一定的局限性,真航高相減的方法需要在配備無(wú)線電測(cè)高儀記錄主點(diǎn)的航高,不僅增加了工作量,而且效果不盡人意[37]。利用立體像對(duì)的方法只能針對(duì)單棵立木樹高進(jìn)行計(jì)算,不適應(yīng)大面積的森林群落調(diào)查。使用激光雷達(dá)測(cè)樹高的方法雖然精度較高,但是采用的是單棵手動(dòng)量測(cè)的方法,同樣難以適應(yīng)大面積的森林調(diào)查,并且激光雷達(dá)影像數(shù)據(jù)質(zhì)量受森林的密度、郁閉度、天氣條件(尤其是風(fēng)速)等因素影響很大。本研究利用無(wú)人機(jī)搭載RGB數(shù)碼相機(jī)能快速較大范圍調(diào)查群落樹高,更適用于生態(tài)學(xué)野外調(diào)查。本文通過(guò)多級(jí)B樣帶內(nèi)插后生成DSM,基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)依據(jù)分類提取非植被類點(diǎn)內(nèi)插生成DTM,最后通過(guò)疊加相減分析獲得樹高,不受森林密度、郁閉度、天氣條件等因素的影響,并且利用無(wú)人機(jī)機(jī)載普通數(shù)碼相機(jī)的方法具有成本更加低廉的優(yōu)勢(shì)。

Zarco-Tejada的團(tuán)隊(duì)2014年使用線性回歸的方法對(duì)內(nèi)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了差異性分析[29]。同年,北京林業(yè)大學(xué)利用無(wú)人機(jī)影像基于像對(duì)原理提取的樹高與實(shí)測(cè)值做了相對(duì)誤差計(jì)算和線性回歸分析[38]。2015年,北京林業(yè)大學(xué)同一個(gè)團(tuán)隊(duì)利用點(diǎn)樣方法獲取本地?cái)?shù)字地理模型后用差值法獲取樹高,同樣也做了線性相關(guān)分析[39]。本研究同樣采用線性回歸的方法驗(yàn)證測(cè)量值和真實(shí)值的差異,結(jié)果也表明本研究的方法所得到的結(jié)果誤差在可接受范圍內(nèi)并且測(cè)量值接近真實(shí)值。

本研究的方法提取樹高數(shù)據(jù)會(huì)受到樹冠遮蔽的影響,被遮蔽的部分通過(guò)內(nèi)插推斷得到,在根據(jù)非植被類點(diǎn)向空缺部分內(nèi)插時(shí)易受到邊緣數(shù)據(jù)的影響。另外,利用普通數(shù)碼相機(jī)采集數(shù)據(jù),在進(jìn)行過(guò)校正后精度上依然與專業(yè)的量測(cè)相機(jī)有一定差距,并且由于冠層遮蔽,可見光相機(jī)不能采集到冠層之下的數(shù)據(jù),所以現(xiàn)階段只能提取位于群落中較高位置的植物高度。目前機(jī)載平臺(tái)多用于地形比較平坦、樹種單一的果園、農(nóng)田等區(qū)域。本研究基于無(wú)人機(jī)獲取分析得到的DSM數(shù)據(jù)和DTM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析提取樹高,提取精度受外界因素的影響小,適用于地形比較復(fù)雜、植物種類繁多的地區(qū)。今后可以推廣在大面積進(jìn)行針葉林樹高估測(cè)、稀樹灌木草地植被群落和單一植被群落高度提取等方面。

本研究通過(guò)地面控制點(diǎn)引入坐標(biāo),所以需要精度很高的定位儀器進(jìn)行控制點(diǎn)采集。將來(lái)可以使用RTK-GPS等高精度定位系統(tǒng)獲取更精準(zhǔn)的地面控制點(diǎn)。另一方面,如果使用能達(dá)到與實(shí)際地形相吻合的高分辨率的DEM數(shù)據(jù),此方法的操作將更加簡(jiǎn)單,結(jié)果將更加精確。DSM也是影響樹高提取的關(guān)鍵因素之一,改進(jìn)DSM提取方法也是將來(lái)本研究發(fā)展方向。還有無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中往往受到外界和自身飛行因素的影響而存在姿態(tài)誤差,高質(zhì)量的姿態(tài)信息能提高相片的匹配效率和精度,將來(lái)可使用更專業(yè)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以補(bǔ)償無(wú)人機(jī)姿態(tài)誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著地理信息科學(xué)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,各行業(yè)對(duì)遙感數(shù)據(jù)的需求急劇增長(zhǎng),生態(tài)學(xué)領(lǐng)域亦是如此。除了傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)外,現(xiàn)對(duì)大比例尺范圍下的高分辨影像需求也越來(lái)越大。對(duì)于區(qū)域小尺度或較精細(xì)的地物研究,傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感影像由于分辨率的限制而無(wú)法滿足需求。

本次研究,成功提取了研究區(qū)內(nèi)每棵的雪松高度,并且通過(guò)相關(guān)關(guān)系的計(jì)算,驗(yàn)證了此方法的可靠性與準(zhǔn)確性。相比傳統(tǒng)調(diào)查手段,利用無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)具有靈活、低成本、周期短等優(yōu)點(diǎn),特別在一些野外地形復(fù)雜而人不易接近的地區(qū),該技術(shù)更能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。時(shí)代變化,技術(shù)日新月異,無(wú)人機(jī)技術(shù)在近幾年突飛猛進(jìn),不斷地更新和完善,較之前兩年有了很多變化,如新的地面站軟件,新的飛行控制器,新的政策法規(guī)等等?，F(xiàn)階段關(guān)于無(wú)人機(jī)測(cè)樹領(lǐng)域大多開始使用機(jī)載激光雷達(dá),雖然能更好的獲取地面信息內(nèi)插出更精準(zhǔn)的本地?cái)?shù)字地理模型,但可見光傳感器與之相比具有的低成本、快速采集和豐富色彩信息是激光雷達(dá)所不能比的。本研究通過(guò)不斷試驗(yàn),總結(jié)出一套現(xiàn)在最新的無(wú)人機(jī)航測(cè)流程,并且改良了差值法測(cè)樹的方法,大大縮短了工作周期。此外,相對(duì)于傳統(tǒng)的野外群落樣方調(diào)查和森林調(diào)查獲取森林樹木和群落高度及估測(cè)生物量的方法,利用無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)要快速,并且也可能更準(zhǔn)確。同時(shí)目前無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力已經(jīng)可以借由航線設(shè)計(jì)和斷點(diǎn)飛行來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ),采取多次采樣的方式可以滿足相對(duì)較大面積的采樣需求。并且,這些采樣結(jié)果如果跟衛(wèi)星遙感結(jié)合將來(lái)有可能實(shí)現(xiàn)更大面積的森林群落的高度測(cè)定,乃至生物量的估測(cè)研究等。

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