?基于無(wú)人機(jī)遙感影像的煙草種植面積信息提取?

摘 要：無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)煙田的種植面積、種植區(qū)域等信息監(jiān)管具有重要意義。天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感影像和自創(chuàng)的遙感圖像處理軟件對(duì)寧鄉(xiāng)橫市基地單元煙葉種植面積信息進(jìn)行了提取。結(jié)果顯示：無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲得的煙草種植面積信息準(zhǔn)確度高達(dá)95%，為大面積監(jiān)管煙葉種植面積提供了有效技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);遙感影像;煙草;種植面積;監(jiān)管

中圖分類號(hào)：TP751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2018）01-0096-04

Information Extraction of Tobacco Planting Area Based On Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing Images

CHEN Jin1，LIU Pin-chao2，HUANG Guo-qiang1，LI ZHi-yong1，LIU Jin-yu2

（1. Ningxiang Branch of Changsha Tobacco Companies， Changsha 410600， PRC; 2. Tianjin Aerospace Zhongwei Data System

Technology Co. ， Ltd. ， Tianjin 300301， PRC）

Abstract：UAV remote sensing technology is important for monitoring the planting area， planting geographical position and other information of tobacco fields. The remote sensing image of UAV and the remote sensing image processing software were used to extract the information of tobacco planting area in Ningxiang Hengshi base， Changsha by Tianjin Hangtianzhongwei Data Systems Technology Co.， Ltd， the information of the planting area of the unit tobacco was extracted. The results show that the accuracy of tobacco planting area information obtained by UAV remote sensing technology reaches 95%， which provides an effective technical means for monitoring tobacco planting area in a large area.

Key words：UAV; remote sensing image; tobacco; planting area; supervise

煙草種植面積、密度等信息是煙葉合同管理的重要內(nèi)容，也是科學(xué)估算煙葉收購(gòu)量，提升規(guī)范種植的重要手段[1-3]。我國(guó)是世界上最重要的煙葉生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)家，面積大、區(qū)域廣，地形條件各不相同，對(duì)煙草面積監(jiān)管難度較大。當(dāng)前主要監(jiān)管手段為依靠人工采用手持GPS進(jìn)行地面調(diào)查，這種方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)

錢(qián)，并且所取得的數(shù)據(jù)受人工影響大，精確度不穩(wěn)定。

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)因?yàn)槠涓采w面積大、獲取信息速度快、周期短、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、操作便捷、不受地面條件限制，與人工常規(guī)的地面調(diào)查與統(tǒng)計(jì)相比具有費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在農(nóng)作物監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-6]。通過(guò)展開(kāi)無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)，對(duì)煙田的種植區(qū)域、種植面積和煙株種植數(shù)量等信息做出統(tǒng)計(jì)和計(jì)量，能夠提高監(jiān)測(cè)效率和準(zhǔn)確性，杜絕人工監(jiān)測(cè)存在的人為干預(yù)，同時(shí)降低監(jiān)測(cè)成本，提高工作效率，節(jié)省人力、物力、財(cái)力。更重要的是通過(guò)精確煙葉種植信息，不僅可以提出煙草種植布局調(diào)整方向及建議，而且可及時(shí)準(zhǔn)確的了解當(dāng)?shù)責(zé)煵莸纳a(chǎn)規(guī)模。遙感在我國(guó)煙田空間信息提取中已得到初步應(yīng)用，彭光雄等[7]利用美國(guó)的Landsat TM影像進(jìn)行縣烤煙面積遙感監(jiān)測(cè)最佳時(shí)相的選擇;吳孟泉等[8]利用利用TM和SPOT—5兩種遙感影像融合提取煙草的種植面積;董梅等[9]面向?qū)ο蟮臒o(wú)人機(jī)遙感影像煙草種植面提取和監(jiān)測(cè)。但無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)煙田面積在湖南地區(qū)的煙田管理研究應(yīng)用中卻鮮見(jiàn)報(bào)道。筆者以寧鄉(xiāng)市橫市基地單元為例，利用高空間分辨率的無(wú)人機(jī)遙感影像提取煙草種植面積，擴(kuò)展煙草種植面積遙感監(jiān)測(cè)的手段，作業(yè)流程如圖1所示。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧鄉(xiāng)市橫市基地單元，海拔100～200 m，常年種植煙草面積約為0.1萬(wàn)hm2。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

試驗(yàn)采用的無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)主要包括：六旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)（機(jī)體總質(zhì)量為6 kg，機(jī)身直徑120 cm，最大有效荷載為3.5 kg，最大飛行速度為10 m/s，續(xù)航時(shí)間為15 min，最大飛行高度為1 500 m），搭載相機(jī)焦距為16～50 mm，拍攝時(shí)采用50 mm焦距，航拍高度為50 m，所獲得影像地面分辨率為0.48 cm，可以滿足煙株提取的要求。

1.3 數(shù)據(jù)處理

影像處理的主要內(nèi)容是對(duì)無(wú)人機(jī)獲取的影像進(jìn)行后期的處理，包括數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、影像特征點(diǎn)提取、影像匹配、空中三角測(cè)量與區(qū)域網(wǎng)平差、生成DEM、正射校正生成DOM、影像拼接和人工檢查等過(guò)程生成全景圖，然后根據(jù)全景圖繪制煙田區(qū)域矢量并賦予屬性，生成煙田區(qū)域矢量文件。處理流程如圖2所示。

1.3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查 無(wú)人機(jī)拍攝的原始數(shù)據(jù)要正式參與后期數(shù)據(jù)處理需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的檢查，去掉不合格數(shù)據(jù)，不合格數(shù)據(jù)包括分辨率清晰度不達(dá)標(biāo)照片、無(wú)pos照片及無(wú)影像pos。同時(shí)需要將照片和pos數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，以免影響后續(xù)操作。此外通過(guò)飛機(jī)航跡信息判斷區(qū)域覆蓋情況，保證重疊度。

1.3.2 特征點(diǎn)提取和影像匹配 對(duì)每張影像提取特征點(diǎn)，提取特征突出的角點(diǎn)、邊緣點(diǎn)、獨(dú)立點(diǎn)等，并對(duì)相鄰有重疊影像進(jìn)行影像匹配獲取同名點(diǎn)，通過(guò)同名點(diǎn)獲知影像之間的相對(duì)位置關(guān)系。特征點(diǎn)提取及匹配的結(jié)果是空三平差及最終生成全景圖的基礎(chǔ)，其結(jié)果直接影響處理精度，因此穩(wěn)定高效的特征點(diǎn)提取及匹配算法對(duì)成果的準(zhǔn)確性有直接影響。

1.3.3 空三解算與區(qū)域網(wǎng)平差 根據(jù)上一步得到的同名點(diǎn)及地面控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行空中三角測(cè)量解算每張影像的外方位元素，同時(shí)可得到影像上每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)坐標(biāo)，使用區(qū)域網(wǎng)平差的方法以減少誤差影響使結(jié)果更可靠。

1.3.4 影像拼接輸出全景圖 空三解算之后，根據(jù)解算得到的參數(shù)可以確定各影像的瞬時(shí)姿態(tài)，同時(shí)根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)可以生成該地區(qū)DEM，并對(duì)影像進(jìn)行正射糾正，然后對(duì)正射影像實(shí)施拼接，得到該地區(qū)的全景圖。

1.3.5 矢量繪制 在全景圖上繪制煙田矢量，每塊煙田對(duì)應(yīng)一個(gè)矢量多邊形，每個(gè)矢量多邊形中都有面積等屬性列。

1.3.6 自動(dòng)統(tǒng)計(jì)面積 根據(jù)矢量多邊形的覆蓋范圍自動(dòng)統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)煙田的面積。

1.4 精度評(píng)價(jià)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果精度驗(yàn)證中，煙草種植面積采取實(shí)地區(qū)域隨機(jī)采樣實(shí)地勘測(cè)方式進(jìn)行。驗(yàn)證方式：使用測(cè)畝儀進(jìn)行面積量測(cè)，以此數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)區(qū)域統(tǒng)計(jì)面積數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2 結(jié)果與分析

理論上采樣區(qū)面積可以根據(jù)圖像獲取時(shí)飛機(jī)的飛行參數(shù)信息和相機(jī)參數(shù)信息計(jì)算獲得，但是由于六旋翼飛行高度存在一定的波動(dòng)，造成圖片面積存在誤差，而誤差的大小影響到整體算法的精度，因此需要進(jìn)行面積的校正。面積矯正方式為在地面布設(shè)四個(gè)控制點(diǎn)，各點(diǎn)連線呈正方形，邊長(zhǎng)已知，根據(jù)地面量測(cè)的正方形的面積與圖片上正方形的理論面積的比值，計(jì)算圖片實(shí)際面積。

2.1 影像數(shù)據(jù)獲得

將橫市基地單元飛行區(qū)域分為23個(gè)區(qū)域（A1～A7、B1～B7、C1～C4、D1～D5），每個(gè)區(qū)域隨機(jī)選取2～7個(gè)丘塊不等，如圖3所示。

2.2 理論數(shù)據(jù)獲得

拼接后的影像對(duì)地分辨率為0.48 cm，與無(wú)人機(jī)采集原始影像分辨率一致，成圖比例尺為1∶1000。針對(duì)拼接影像的質(zhì)量還沒(méi)有特定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，基本采用人工觀察評(píng)估。橫市站基地單元全拼圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示，煙草種植總面積為892.16 hm2。

2.3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

驗(yàn)證過(guò)程：在23個(gè)區(qū)域內(nèi)，共隨機(jī)抽取100個(gè)丘塊，用測(cè)畝儀進(jìn)行面積測(cè)量，并與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表1。

驗(yàn)證結(jié)果：所有丘塊地面積勘測(cè)精度取均值，橫市基地單元煙草種植區(qū)域面積理論統(tǒng)計(jì)精度為95.45%。

3 結(jié)論與討論

在湖南省寧鄉(xiāng)市橫市基地單元典型煙草種植田進(jìn)行了無(wú)人機(jī)飛行試驗(yàn)。結(jié)果顯示，飛行覆蓋區(qū)域煙草種植總面積為892.16 hm2，經(jīng)實(shí)地調(diào)查抽樣驗(yàn)證，煙田面積統(tǒng)計(jì)精度為95.45%，煙田實(shí)際面積應(yīng)為851.56 hm2。

采用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)手段開(kāi)展煙草統(tǒng)計(jì)工作是對(duì)該領(lǐng)域的一次驗(yàn)證嘗試，擴(kuò)展了無(wú)人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用范圍，同時(shí)與常規(guī)人工田間監(jiān)管方式相結(jié)合，提高了煙草統(tǒng)計(jì)的效率。后期將根據(jù)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)煙草數(shù)據(jù)管理軟件對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過(guò)軟件管理可使煙草種植監(jiān)管更為直觀和靈活。

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