基于無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)的造林作業(yè)設(shè)計(jì)研究

王震明 李領(lǐng)寰 任佳倫 張超

（1浙江省浦江縣林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)站 322200；2國家林業(yè)和草原局華東調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 浙江杭州 310019；3浙江農(nóng)林大學(xué)園林設(shè)計(jì)院有限公司 浙江臨安 311300）

林業(yè)作業(yè)設(shè)計(jì)是林業(yè)工程項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到建設(shè)工程的質(zhì)量和投資效果?；A(chǔ)資料（包括林分因子、面積、位置、土壤等屬性）的收集是造林作業(yè)設(shè)計(jì)中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，也是造林作業(yè)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。但是，基礎(chǔ)林業(yè)數(shù)據(jù)的獲取并非易事，如：造林作業(yè)一般采用1∶10000地形圖進(jìn)行實(shí)地區(qū)劃調(diào)查，其精度較低，難以精準(zhǔn)定位，尤其是小班局部林分長勢不均勻時(shí)很難在圖紙上進(jìn)行準(zhǔn)確勾繪標(biāo)記；若采用實(shí)時(shí)的高清衛(wèi)星影像進(jìn)行調(diào)查，其昂貴的價(jià)格對于造林作業(yè)設(shè)計(jì)來說是難以承受的，另外受云霧影響，有時(shí)也難以獲取到合適的影像數(shù)據(jù)。由于難以對勘察現(xiàn)場的地形地貌以及林木信息進(jìn)行精準(zhǔn)的定位標(biāo)示，導(dǎo)致造林作業(yè)設(shè)計(jì)在基礎(chǔ)資料的收集過程中存在較大誤差，大大降低了作業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和施工指導(dǎo)價(jià)值。

近年來，無人機(jī)遙感技術(shù)己成為森林資源調(diào)查與監(jiān)測的新途徑，為森林資源精準(zhǔn)監(jiān)測以及精細(xì)化經(jīng)營提供了新的技術(shù)手段[1]。無人機(jī)遙感技術(shù)憑借實(shí)時(shí)性、靈活性、實(shí)用性和低成本等優(yōu)勢，成為了快速獲取地理空間數(shù)據(jù)的有效平臺，其拍攝的高重疊度、多角度的高清影像，很大程度上滿足了獲取精細(xì)三維信息的需求。這種以無人機(jī)為飛行平臺，同時(shí)從垂直和傾斜角度獲取地物信息的技術(shù)，即為當(dāng)前國內(nèi)外熱門研究的低空攝影測量技術(shù)[2-3]。研究旨在將無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)運(yùn)用于造林作業(yè)設(shè)計(jì)工作中，通過軟、硬件集成，提出一套完整的技術(shù)方案和工作流程。該技術(shù)能夠真實(shí)還原三維造林場地現(xiàn)狀，顯著提高調(diào)查精度和效率，降低作業(yè)設(shè)計(jì)成本，對推動智慧林業(yè)建設(shè)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

浦江縣位于浙江省金華市西北部，地處東經(jīng) 119°42′～120°07′，北緯 29°21′～29°41′之間，屬中亞熱帶常綠闊葉林北部亞地帶，浙閩山丘甜櫧、木荷林區(qū)。多年平均氣溫16.6℃，極端高溫40.1℃，極端低溫-11.1℃；年均無霜期228天；年平均降水量1412.2毫米；年日照時(shí)數(shù) 1996.2小時(shí)；年蒸發(fā)量1302.3毫米；年平均風(fēng)速1.6米/秒，常年以東南偏東和東風(fēng)為主。

研究區(qū)為浦江縣黃宅鎮(zhèn)杭金衢高速公路互通東側(cè)林地，以裸巖、宜林地、疏林地和火燒跡地為主，涉及鐘村67號和古塘村1號2個(gè)小班，小班面積393畝，工程實(shí)施面積260.5畝。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

研究采用多旋翼無人機(jī)，利用傾斜攝影測量技術(shù)，結(jié)合差分GPS設(shè)備，開展精準(zhǔn)造林作業(yè)設(shè)計(jì)工作。通過軟、硬件集成，提出一套完整的技術(shù)方案和工作流程。具體方法包括無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取、無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理、制定施工設(shè)計(jì)方案及施工放線等。

2.1 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取

研究所使用的無人機(jī)為大疆，型號為PHANTOM4PRO，續(xù)航時(shí)間25min，巡航速度28-46km/h，搭載相機(jī)鏡頭為FOV84°，2000萬像素，鏡頭畸變＜1.5%，飛行預(yù)設(shè)航高為120m，航線航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，飛行范圍覆蓋1.15km2。拍攝時(shí)間為2017年6月3日上午9：30-11：30，在測量區(qū)域布設(shè)像控點(diǎn)，測定像控點(diǎn)三維坐標(biāo)，使無人機(jī)按預(yù)設(shè)航線飛行；沿南北飛行了8條航線，共拍攝1042張影像，平均飛行速度 9m/s。航拍獲取的無人機(jī)影像地面分辨率達(dá)到厘米級。飛行時(shí)天氣為多云，地面風(fēng)力2級，陣風(fēng)2-3級。獲取影像后，篩除成像質(zhì)量差、航高差大于10m、影像最大旋偏角和航帶彎曲度較大的航片。最后，通過RTK差分GPS采集標(biāo)識點(diǎn)，將照片組導(dǎo)入Context Capture軟件，輸入控制點(diǎn)坐標(biāo)對圖片地理信息進(jìn)行校正，最后獲得TIF格式的高分辨率正射影像圖。

圖1 研究區(qū)空三點(diǎn)云模型

2.2 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理

首先，將航拍影像、無人機(jī)記錄的POS（Position and Orientation System）數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)導(dǎo)入Context Capture軟件，自動完成空中三角測量計(jì)算，生成精度報(bào)告；其次，根據(jù)地面像控點(diǎn)和POS數(shù)據(jù)，平臺校驗(yàn)參數(shù)等進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，解算多視影像外方位元素和加密點(diǎn)地面坐標(biāo)，生成后綴為.LAS的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)；最后，自動拼接數(shù)據(jù)，輸出正射影像（DOM）和數(shù)字表面模型（DSM）[4]。

通過8個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行空三加密處理，如圖1所示，空三加密控制點(diǎn)檢查點(diǎn)誤差詳見表1。通過精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)可以看出，在有構(gòu)架航線、GPS輔助平差的情況下，8個(gè)控制點(diǎn)完全可以滿足精度要求，能大大減少外業(yè)控制點(diǎn)的需求；水平誤差值在0.004m-0.09m之間，垂直誤差值在-0.037m-0.046m之間，符合“地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范”（GB/T7930- 2008）中1∶1000地形圖測圖精度。

表1 空三加密控制點(diǎn)檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)表

2.3 作業(yè)設(shè)計(jì)方案確定

利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建高精度三維模型，基于研究區(qū)現(xiàn)狀與種植區(qū)域坐標(biāo)信息進(jìn)行造林作業(yè)設(shè)計(jì)，根據(jù)不同類型的立體條件將研究區(qū)分為不同區(qū)塊，采取與之相適宜的種植措施，并反復(fù)模擬推敲造林設(shè)計(jì)方案，提高作業(yè)精度。

2.4 施工放線

使用ArcGIS10.2軟件輸出作業(yè)區(qū)塊主要拐點(diǎn)坐標(biāo)，利用差分GPS設(shè)備完成野外施工放線工作。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)植被現(xiàn)狀

根據(jù)遙感影像判讀和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，研究區(qū)受土壤、水源及人為因素的影響，山腳處林相較好，喬木郁郁蔥蔥；中下部以馬尾松疏林地為主，喬木層間有部分白櫟、黃檀等樹種，灌木層以格藥柃、白檀、白花龍、烏飯樹、杜鵑花為主，間有部分梔子、黃櫨、刺毛越桔、北江蕘花、長葉凍綠等，草本層以芒萁為主，間有蕨、光萼茅膏菜、闊鱗鱗毛蕨等；中上部及山頂由于土壤瘠薄，以灌木林為主，主要有山油麻、烏飯樹、算盤子、白檀、白花龍等，間有部分苦竹、長葉凍綠、格藥柃、梔子、北江蕘花、胡枝子、山礬、黃櫨等，草本層以芒萁、蕨為主，間有刺芒野古草、匙葉鼠麴草、知風(fēng)草、青葙等；碎石裸巖區(qū)內(nèi)以草本植物山類蘆為主，間有部分卷柏、刺芒野古草、蘇州薺苧等。

3.2 施工作業(yè)設(shè)計(jì)

將高精度DOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入平板電腦，結(jié)合實(shí)地踏查，對造林小班地形地貌以及現(xiàn)有植被信息進(jìn)行精準(zhǔn)的定位標(biāo)示，設(shè)計(jì)勾繪不同類型的作業(yè)區(qū)塊。根據(jù)土壤、地形及植被狀況，確定8種工程實(shí)施類型，如圖2所示，其中研究區(qū)類型F（局部）施工放線拐點(diǎn)分布圖見圖3。

（1）類型A。投影面積18.13畝，坡面面積20.48畝，平均坡度27.3°，平均海拔182米，位于山體中部，為馬尾松火燒跡地，存有大量馬尾松枯立木，立地條件較好。為防止水土流失，應(yīng)盡快恢復(fù)森林景觀。設(shè)計(jì)將馬尾松枯立木清理后，使用米徑3cm泥球苗，按照64木荷+32香樟+16櫸樹+16楓香+16紅楠+16浙江樟的種植模式，即160株/畝（投影面積）的密度進(jìn)行景觀林營造。

（2）類型B。投影面積44.96畝，坡面面積51.86畝，平均坡度28.6°，平均海拔191米，位于山體中上部，是立地條件較好的疏林地，地被以芒萁和蕨為主，零星或小組團(tuán)分布馬尾松、白櫟、楓香、山油麻、烏飯樹、白花龍等喬灌木。設(shè)計(jì)使用地徑2cm容器苗，按照64木荷+32苦櫧+32青岡+32楓香的種植模式，即160株/畝的密度進(jìn)行景觀林營造。

（3）類型C。投影面積47.14畝，坡面面積54.09畝，平均坡度29.9°，平均海拔205米，位于山體中上部，是立地條件較好的未成林造林地，以馬尾松、楓香、香樟、木荷等喬木幼樹為主，由于缺少撫育管護(hù)，現(xiàn)有密度為83株/畝。設(shè)計(jì)使用地徑2cm容器苗，按照30木荷+15苦櫧+15青岡+15楓香的種植模式，即75株/畝的密度進(jìn)行補(bǔ)植造林。

（4）類型D。投影面積24.31畝，坡面面積29.26畝，平均坡度28.4°，平均海拔223米，位于山體上部，土壤瘠薄，立地條件較差，以芒萁、蕨、山類蘆、刺芒、野古草等草本植物為主，零星分布馬尾松。由于該區(qū)域景觀視覺敏感度高，立地條件差，因此設(shè)計(jì)選用耐干旱瘠薄、春季色彩鮮艷的映山紅和紅葉石楠進(jìn)行景觀林營造，要求地徑2cm容器苗，按照210映山紅+90紅葉石楠的種植模式，即300株/畝的密度進(jìn)行造林。

（5）類型E。投影面積8.22畝，坡面面積9.48畝，平均坡度28.6°，平均海拔231米，位于山體上部，土壤較瘠薄，苦竹、長葉凍綠、格藥柃等灌木以及馬尾松、楓香等喬木幼苗分布較多。設(shè)計(jì)使用地徑2cm容器苗，按照38木荷+22楓香+15苦櫧的種植模式，即75株/畝的密度進(jìn)行補(bǔ)植造林。

（6）類型F。投影面積13.89畝，坡面面積14.51畝，平均坡度13.6°，平均海拔130米，位于山腳，是立地條件較好的造林失敗地，馬尾松幼樹分布較多，以格藥柃、白檀、白花龍、烏飯樹為主。由于周邊有公墓，且多次發(fā)生森林火災(zāi)，不宜栽植易燃樹種，因此設(shè)計(jì)使用米徑3cm泥球苗，按照80木荷+48苦櫧+32香樟的種植模式，即160株/畝的密度進(jìn)行防火景觀林營造。

（7）類型G。投影面積29.70畝，坡面面積33.62畝，平均坡度26.9°，平均海拔187米，位于山體中上部，是立地條件較好的馬尾松疏林地，密度約60株/畝。為提高現(xiàn)有林分防火能力，設(shè)計(jì)使用米徑3cm泥球苗，按照12木荷+6香樟+3楓香+3櫸樹+3紅楠+3浙江楠的種植模式，即30株/畝的密度進(jìn)行補(bǔ)植造林。

（8）類型H。投影面積74.12畝，坡面面積94.63畝，平均坡度76.1°，原為馬尾松疏林地，發(fā)生過多次森林火災(zāi)，以碎石裸巖為主，零星分布山類蘆。設(shè)計(jì)挑選局部有土壤的地塊，以馬棘、波斯菊和金雞菊種子為主，麻櫟、木荷、苦櫧和青岡種子為輔進(jìn)行播種，混合比例為4∶4∶2，播種量為2g/m2。

營造林作業(yè)設(shè)計(jì)方案確定后，利用Arc GIS結(jié)合差分GPS設(shè)備進(jìn)行造林施工放線工作。如圖3所示，該區(qū)域是類型F中的局部施工區(qū)域，使用ArcGIS將405號至415號共計(jì)11個(gè)主要拐點(diǎn)疊加到無人機(jī)正射影像圖上，生成含有坐標(biāo)信息的PDF文件，將文件導(dǎo)入平板電腦，便于施工人員根據(jù)影像地物實(shí)現(xiàn)野外快速粗略定位，之后利用差分GPS設(shè)備根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)開展精準(zhǔn)施工放線工作。景觀林營造采用近自然混交的種植方式，同一樹種3-5株組團(tuán)種植，株間距為1.5-4m，疏密相間；種植點(diǎn)遇有目的樹種或立地條件不佳時(shí)，應(yīng)合理避讓，各地塊設(shè)計(jì)種植的苗木株數(shù)不得減少。

4 結(jié)論

研究以浦江縣黃宅鎮(zhèn)杭金衢高速公路互通東側(cè)林地造林作業(yè)設(shè)計(jì)為例，使用多旋翼無人機(jī)，利用低空攝影測量技術(shù)，結(jié)合差分GPS設(shè)備，開展精準(zhǔn)造林作業(yè)設(shè)計(jì)工作。首先，使用多旋翼無人機(jī)獲取項(xiàng)目區(qū)高分辨率航拍影像，結(jié)合地面控制點(diǎn)，使用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)生成高精度三維場景模型，進(jìn)而輸出數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字表面模型（DSM）；其次，將高精度DOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入平板電腦，結(jié)合實(shí)地踏查，對造林小班地形地貌以及現(xiàn)有植被信息進(jìn)行精準(zhǔn)的定位標(biāo)示，設(shè)計(jì)勾繪不同類型的作業(yè)區(qū)塊；最后，使用三維場景模型反復(fù)推敲討論造林設(shè)計(jì)方案，方案確定后，使用Arc GIS軟件輸出作業(yè)區(qū)塊主要拐點(diǎn)坐標(biāo)，利用差分GPS設(shè)備完成野外施工放線工作。研究將無人機(jī)技術(shù)與遙感技術(shù)、自動化控制技術(shù)和林業(yè)實(shí)地作業(yè)等方法結(jié)合起來互為補(bǔ)充[5]，有助于實(shí)現(xiàn)造林作業(yè)設(shè)計(jì)施工高效、精準(zhǔn)的目標(biāo)，為推動智慧林業(yè)的建設(shè)提供了參考。