利用無人機獲取林區(qū)DSM的方法

楊 衛(wèi)， 劉曉陽

(1.四川中水成勘院測繪工程有限責任公司，四川 成都 610072； 2.華中農業(yè)大學 園藝林學學院，湖北 武漢 430070)

1 前言

數(shù)字表面模型(digital surface model，DSM)是很多測繪產品的一個很重要的中間產品，它基于DSM可以進一步編輯、處理制作DEM、DOM、TDOM、DLG、三維模型等。作為地理信息系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)來源，DSM的應用范圍很廣。近年來，在林業(yè)調查研究領域應用發(fā)展迅速，研究人員對DSM模型數(shù)據(jù)的需求日趨增多。

傳統(tǒng)的林業(yè)調查依靠人力進行實地定點監(jiān)測，效率低，加之林區(qū)地形多復雜，有許多監(jiān)測盲區(qū)，誤差較大。對森林資源調查方式的探索，將無人機應用于林業(yè)調查中，不僅可以有效提高林業(yè)調查的效率，并且可以獲得高分辨率影像資料。為今后對森林資源的保護以及利用提供科學的數(shù)據(jù)，同時加強了無人機在森林調查上的應用?；诖?，本文結合實踐，闡述利用大疆無人機御MAVIC2對華中農業(yè)大學獅子山部分森林進行調查，從而快速準確獲得DSM的方法。

2 無人機及其軟件

2.1 無人機

此次調查選用的是大疆御MAVIC2無人機，搭載哈蘇L1D-20c相機,像幅 5 472×3 648，等效焦距28 mm。采集時需保障相鄰航線正投影像圖重疊率在40%以上，航線方向正投影像圖重疊率在60%以上。

2.2 無人機軟件

本次無人機調查的影像數(shù)據(jù)，主要利用Pix4Dmapper軟件進行處理，從而獲得DSM模型。Pix4Dmapper是瑞士Pix4D公司的全自動快速無人機數(shù)據(jù)處理軟件，是目前市場上集全自動、快速、專業(yè)精度為一體的無人機數(shù)據(jù)和航空影像處理軟件。

3 材料與方法

3.1 研究區(qū)域概況

調查區(qū)域是湖北武漢華中農業(yè)大學博園宿舍區(qū)與獅子山交接處的150 m×150 m的方形樣地，區(qū)域內主要樹種為懸鈴木、馬尾松、樟等。

3.2 數(shù)據(jù)獲取方法

利用大疆御MAVIC2無人機，對獅子山部分森林區(qū)域進行調查，獲得DSM模型的方法，就是通過DJI GO4軟件對所選區(qū)域進行航線規(guī)劃，設置好各項參數(shù)之后，執(zhí)行飛行航拍任務。此次航線設計采用了兩種不同的設計進行比較試驗，分別是常規(guī)航線(圖1左)和網(wǎng)格航線(圖1右)，從而判別所獲得DSM模型的準確度。

圖1 常規(guī)航線與網(wǎng)格航線

航拍結束后，將獲得照片存入PC端，利用Pix4Dmapper軟件進行處理，生成TIF格式的DSM模型圖。這種獲取方式與傳統(tǒng)方式相比，無論是精確度還是速度都有極大的提升。

3.2.1 外業(yè)飛行

(1)選擇起飛地點 。起飛點的選擇對整個調查工作有著重要作用，宜選擇空曠、視野寬闊的地方，適宜無人機起飛和降落。其次無人機拍攝的影像要求較高的重復率，所以選擇的起飛地點為高海拔地區(qū)。

(2)新建飛行任務及設置參數(shù)。起飛地點選擇好了，利用DJI GO4軟件連接無人機，設置相關參數(shù)。此次飛行高度設置為100 m；其次設置相鄰航線正投影像圖重疊率為75%，航線方向正投影像圖重疊率為85%，主航線角度隨任務區(qū)域的形狀進行調整，垂直向下拍攝，其他參數(shù)默認即可。

(3)執(zhí)行飛行任務。各項參數(shù)設置好后，即可進行飛行任務拍攝。因為拍攝時間較長，一塊電池的電量不足以支撐整個過程，需要更換，然后才能繼續(xù)調查。任務完成后，將無人機降落在指定區(qū)域內。

3.2.2 內業(yè)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理輸出結果。本次實驗調查，其中常規(guī)航線拍攝獲得影像圖片57張、網(wǎng)格航線拍攝獲得影像圖片94張，分別用Pix4Dmapper軟件處理這兩種航線拍攝的影像圖片。處理完畢后，即可獲得不同航線的質量報告和TIF格式的DSM模型。

4 結果與分析

4.1 精度分析

將兩種不同的航線拍攝的影像圖片，經(jīng)過Pix4Dmapper軟件處理后，獲得了兩份質量報告，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)格與常規(guī)航線影像處理數(shù)據(jù)比較

從表1可以看出，常規(guī)航線的平均地面采樣距離為2.19 cm，而網(wǎng)格航線為2.16 cm，均能保證所獲得DSM模型的精確度。其他參數(shù)也都從不同的方面，顯示出網(wǎng)格航線拍攝的影像數(shù)據(jù)更能準確地表達調查區(qū)域的實際情況。

4.2 DSM模型結果

將獲得的兩種航線的DSM模型，用ArcMap軟件進行處理，處理結果如圖2、圖3所示?？梢钥闯?，兩種航線的DSM均能詳細的表達了地形和地物信息。但是，相比較而言，常規(guī)航線在拍攝過程中，受外部因素影響(風力、操控因素等)，易導致拍攝影像質量不高，從而使后期處理時，軟件無法識別，模型部分區(qū)域有所缺失。而網(wǎng)格航線在航線設計上，提高了航向、旁向上的重復率，從而有效地避免了拍攝過程中外部因素的影響，提高了模型反映地物地表的信息準確度，工作效率也提高。

圖2 常規(guī)航線DSM模型

圖3 網(wǎng)格航線DSM模型

4.3 不同覆蓋度的DSM高度信息

將利用網(wǎng)格航線拍攝所獲得DSM，用ENVI軟件處理。選取三處植被覆蓋度分別為100%、80%、60%的區(qū)域，判斷其高度信息。從DSM高度可以看出，在此次調查區(qū)域內，覆蓋度越高，高度變化幅度較小，且地理位置也越高；反之，覆蓋度越小，高度變換幅度較大，地理位置較低，符合調查區(qū)域實地情況。

5 討論

5.1 可行性

在林業(yè)調查中，將無人機技術和遙感技術結合應用，可提高林業(yè)調查的速度和效率，且獲得高分辨率影像資料。此次試驗結果表明，通過無人機技術能夠獲得目標區(qū)域的地表地物信息，能夠反映調查區(qū)域的具體情況，且能生成調查區(qū)域的三維模型，能夠滿足調查的基本需求。所以，利用無人機獲取林區(qū)DSM的方法是可行的。

5.2 效率和精度

傳統(tǒng)調查的方法得到的DSM，不僅費工費時，而且在精度方面有很大的誤差。主要是由于傳統(tǒng)調查的方法，受到地理因素和人為因素的影響較大。而本次利用無人機獲取林區(qū)DSM的方法，表現(xiàn)出高效、快捷、準確的特點。其平均采樣距離達到了2.16 cm，處理時間只用了50 min 28 s，生成的數(shù)字表面模型無幾何變形，高程信息準確，整體顏色均一。

5.3 航線設置

本次實驗中，通過常規(guī)航線和網(wǎng)格航線的設置，進行比較實驗，用來判別獲取DSM的精確度。結果表明，在進行常規(guī)航線飛行時，無人機由于風力、操作不當?shù)仍?，造成拍攝影像資料質量有所缺陷，后期處理時，DSM邊緣區(qū)域有所缺失；而通過航線的改變，使用網(wǎng)格航線進行飛行時，由于提高了航向和旁向上的重復率，減少了無人機拍攝過程中所受的外部因素的影響，降低測量偏差，提高精準度，最終達到目標結果。

5.4 內業(yè)處理相關問題

在內業(yè)處理時，Pix4Dmapper軟件在進行拼接影像時，如有影像重復率達不到要求，最終會導致成果影像出現(xiàn)模糊、缺失等現(xiàn)象。這也是此次常規(guī)航線生成的成果影像出現(xiàn)缺失的原因之一。

6 結語

利用無人機進行林業(yè)調查，極大地推動了現(xiàn)代林業(yè)的發(fā)展。本文將理論結合實踐，探索了利用無人機快速獲得林區(qū)DSM的方法，并通過兩種航線設計進行比較分析，來論證獲得的DSM的準確性。結果顯示，無人機作為新型的調查設備，所獲取的遙感影像制作的DSM是符合測量要求的。然而，使用此方法獲取林區(qū)DSM還有待進一步提高，例如無人機航線的設置、圖像重復率等，這些都對最后的結果產生影響。