低空消費級無人機三維綠量快速測量技術(shù)應(yīng)用研究

殷 明 楊 博 鄭思俊

三維綠量是衡量城市綠地生態(tài)效益的主要指標(biāo)之一，對城市綠地規(guī)劃與建設(shè)具有重要意義，因此研究綠量測量技術(shù)尤為關(guān)鍵。本文通過對當(dāng)前國內(nèi)外基于無人機進(jìn)行三維綠量測量的技術(shù)和方法研究，對比分析在同一設(shè)備和場地條件下不同測量路徑和方法的利弊，為園林景觀規(guī)劃與設(shè)計的前期植被調(diào)研提出一套低成本且高效的三維綠量測量方法。

低空消費級無人機；三維綠量；測量技術(shù)；應(yīng)用研究

三維綠量，是所有生長植物的莖和葉所占空間的體積[1]。三維綠量的測量能夠從立體空間的角度反映植被的生長狀態(tài)以及生態(tài)環(huán)境效益，為規(guī)劃設(shè)計提供基礎(chǔ)的綠量數(shù)據(jù)和分析依據(jù)。目前，國內(nèi)外學(xué)者在無人機三維綠量測量上的研究主要分為兩個方向[2]（圖1）：（1）平面量模擬立體量。通過無人機獲取遙感影像，分析測量出單一樹種的冠徑，再根據(jù)這一樹種相應(yīng)的“冠徑—冠高—體積”公式計算出樹冠綠量，及樹種的三維綠量；（2）立體攝影測量。通過無人機傾斜攝影、環(huán)繞攝影等方法，利用相關(guān)軟件，根據(jù)相鄰航片之間的視差關(guān)系生成三維立體模型或者點云模型，再由模型來推算出三維綠量值。由于平面量模擬立體量的方法誤差較大，所以目前無人機三維綠量測量主要采用立體攝影測量的方法。本次研究旨在提出一種基于消費級低空無人機三維綠量測量的優(yōu)化方法，在降低測量成本的同時提高測量效率，并且能夠得到相對精準(zhǔn)的三維模型和三維綠量。

1. 國內(nèi)外三維綠量測量技術(shù)路徑總結(jié)

1 三維綠量測量技術(shù)研究進(jìn)展

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在利用無人機遙感技術(shù)測量三維綠量的方法上進(jìn)行了諸多嘗試并取得了很多進(jìn)展。國內(nèi)對于“綠量”相關(guān)概念和測量方法的研究始于20世紀(jì)80年代。90年代，周堅華[3]以平面量模擬立體量的方法測算了上海市全市的綠量，并提出了“三維綠量”的概念（又稱“綠化三維量”），以m2為單位來計算城市的綠色量，作為一項綠化立體指標(biāo)。這一指標(biāo)可用于分析綠化群落布局的合理性，從而對綠地的生態(tài)效益進(jìn)行評價，為綠化規(guī)劃提供了重要的技術(shù)參數(shù)。陳荻等[4]以南京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)喬灌木為研究對象，利用無人機拍攝的正射影像圖獲取各種樹木的位置與冠徑大小，并借助“冠徑—冠高”方程和樹冠體積方程對三維綠量進(jìn)行了定量化的研究，形成了一套基于無人機低空高分辨平面影像模擬立體量的測量方法。

立體量模擬立體量的研究則主要基于三維點云模型。于東海[5]等采用無人機傾斜航空攝影的方法，建立了單木的三維點云模型并進(jìn)行樹冠體積測算，其結(jié)果的精度能夠滿足林業(yè)調(diào)查中對于樹高和樹冠體積測量結(jié)果的要求。德國學(xué)者Jayan Wijesingha[6]采用地面激光掃描儀（TLS）和無人機（UAV）的機載結(jié)構(gòu)運動（SFM）方法在德國黑塞北部三塊具有不同植被組成的草地上進(jìn)行了生物量的估算實驗。依據(jù)植被冠層表面高度（CSH）對地面激光掃描儀和無人機分別獲取的TLS點云數(shù)據(jù)和SFM點云數(shù)據(jù)進(jìn)行綠量計算，顯示出從遙感中提取三維點云用于計算綠量的潛力。Dominik Seidel[7]利用便攜式三維激光掃描儀ZF成像儀對實驗樹木的生物量增長情況進(jìn)行了持續(xù)的監(jiān)測，是一種無損的監(jiān)測方法。這些研究證明利用三維點云模型進(jìn)行三維綠量測算的方法是可行且有效的。西班牙學(xué)者A.Fernández Sarría[8]則利用地面激光掃描系統(tǒng)（TLS）獲得的參數(shù)估計了橄欖樹的生物量，總結(jié)出了生物量與冠體積參數(shù)之間的緊密關(guān)系。加拿大和美國等幾個國家也探索了森林林地指標(biāo)，從而來推理計算出大范圍的綠量。

綜上所述，當(dāng)前國內(nèi)外的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下三點：

（1）平面量模擬立體量的測量技術(shù)較為成熟。國內(nèi)學(xué)者利用無人機航空影像對植物冠徑、冠高、體積三者之間的聯(lián)系做了大量的研究，形成了準(zhǔn)確性較高的三維綠量計算方程，并且形成了針對不同的樹形和樹種的“冠徑—冠高”方程，極大地提高了計算不同樹形和樹種的植被三維綠量的效率。

（2）三維點云具有用于計算綠量潛力。三維激光掃描系統(tǒng)可以更加高效、高速、精確地測量單株樹木的測樹因子，主要包括樹種的高度、胸徑、樹冠體積和形狀等，由此，樹木的三維表達(dá)便可以通過空間點陣數(shù)據(jù)來實現(xiàn)[9]。

（3）利用低空消費級無人機測量成為趨勢。相比于地面激光掃描儀，低空消費級無人機測量成本和學(xué)習(xí)成本相對較低，有利于風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計人員對三維綠量進(jìn)行初步估算。因此低空無人機設(shè)備作為目前易于獲取三維點云的技術(shù)手段，具有較好的研究前景。

2. 無人機航拍飛行軌跡對比圖

3. 拍攝實驗三維模型對比圖

2 研究內(nèi)容

通過對國內(nèi)外關(guān)于無人機三維綠量測量理論和方法的總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)消費級無人機是易于獲取三維點云且成本較低的設(shè)備，而提高三維綠量測量效率的方法主要在于減少拍攝環(huán)節(jié)所用的時間、降低人力成本。因此，本次研究選取主流消費級無人機設(shè)備，運用對比實驗的方法，對多種基于無人機遙感技術(shù)的三維綠量測量方法進(jìn)行對比分析。對比的主要因素是不同無人機拍攝軟件下對相同樣地的拍攝結(jié)果。

拍攝軟件選用Pix4D和Altizure。Pix4D是一款能夠?qū)崿F(xiàn)無人機自動航測功能的三維建模軟件，軟件適用于多種平臺，在移動平臺可用于無人機全自動快速航拍，在計算機平臺則可用于全自動的無人機數(shù)據(jù)和航空影像處理。軟件能夠快速生成最精準(zhǔn)的報告，并自動進(jìn)行三維建模，對各行各業(yè)的航拍監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析都有極高的應(yīng)用價值?？偨Y(jié)出提高三維綠量測量效率的方法，形成一套適用于園林景觀規(guī)劃設(shè)計師的三維綠量快速測量方法。Altizure軟件同樣提供在移動平臺上的無人機自動航測功能。與Pix4D不同的是，Altizure航拍模式下能夠設(shè)置更為復(fù)雜的航線，從而對拍攝目標(biāo)的多個角度進(jìn)行航空拍攝。另一方面，Pix4D的三維模型處理需要用戶利用本人的計算機進(jìn)行處理，而Altizure則提供云服務(wù)，能夠在線將無人機圖片轉(zhuǎn)換為實景的三維模型。通過對比不同拍攝方法下耗費的時間、三維模型成果、三維綠量結(jié)果，最終提出低空無人機三維綠量快速測量技術(shù)的優(yōu)化方法。

表1 無人機三維綠量拍攝實驗

3 研究方法

實驗在無人機拍攝環(huán)節(jié)設(shè)置變量，變量為不同航拍APP下的拍攝模式。在航片合成環(huán)節(jié)和三維綠量計算環(huán)節(jié)則采用相同的方法，形成由三條無人機三維綠量測量的技術(shù)路徑組成的對比實驗，實驗方法見表1。通過對三次實驗的結(jié)果進(jìn)行比較分析，提出提高無人機三維綠量測量效率的方法。

實驗選取消費級無人機大疆Mavicpro作為主要的三維綠量測量設(shè)備，測量樣地為上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院青松基地，面積約6 hm2，樣地內(nèi)主要植被為中心區(qū)域的灌木，其他植物為場地西側(cè)的中型喬木和四周的高大喬木。大疆Mavicpro采用可折疊機翼設(shè)計，單塊電池的最大飛行時間為27 min，運動模式下最大速度可達(dá)18 m/s（64.8 km/h），可拍攝面積約為10～20 hm2（視拍攝模式而定）。其極高的便攜性、較長的續(xù)航時間有利于設(shè)計師在有限的時間內(nèi)完成場地的快速航拍。

實驗主要在無人機拍攝環(huán)節(jié)設(shè)置變量，將三次實驗的飛行高度統(tǒng)一為40 m，分別利用Pix4D軟件與Altizure軟件進(jìn)行航片拍攝。三次實驗分別命名為F1、F2、F3（表1），三者在拍攝范圍、拍攝高度上保持一致，在航拍方式上有所不同（圖2）。F1采用Pix4D航拍軟件，用斜射的方法對場地進(jìn)行單條軌跡的環(huán)繞拍攝，拍攝時長為4 min；F2采用與F1一致的航拍軟件，用正射的方法對場地進(jìn)行雙軌跡覆蓋的網(wǎng)格拍攝，最終拍攝時長為3 min 20 s；F3采用Altizure航拍軟件，用正射/斜射結(jié)合的方法對場地進(jìn)行五條軌跡覆蓋的網(wǎng)格拍攝，最終拍攝時長為10 min。

農(nóng)戶對貸款的風(fēng)險管控意識不強，對民間借貸過程中隱含的風(fēng)險意識不到位，對借貸中存在的法律知識認(rèn)識不清。而且目前我國還缺乏規(guī)范農(nóng)村金融服務(wù)的法律法規(guī)，現(xiàn)有的只是一些針對銀行業(yè)金融發(fā)展的指導(dǎo)意見和管理規(guī)定，沒有具體的實施細(xì)則，沒有可操作性，不具有明顯的法律效率。尤其是在農(nóng)業(yè)氣候保險、農(nóng)業(yè)擔(dān)保、依托和租賃等方面，我國還存在明顯的法律盲區(qū)[4]，沒有明確的法律法規(guī)來保障農(nóng)村信貸的發(fā)展。

4 結(jié)果與分析

借助于Pix4D無人機測繪圖像處理軟件，得到了研究區(qū)高精度正射影像。應(yīng)用Pix4D軟件分別將實驗F1、F2、F3的拍攝結(jié)果生成三維立體模型，生成的三維模型如圖3所示。

結(jié)果顯示，F(xiàn)3較于F1、F2拍攝了數(shù)量更多的航片，并且航片影像重合度較于F2更高，這表明F3航片以及模型對于樣地的覆蓋面積更廣。在犀牛軟件中多角度查看模型中樹木T的形態(tài)差異（圖4），可以發(fā)現(xiàn)F3生成的樹木T的模型較F1、F2相比更加精細(xì)，模型側(cè)面的漏洞更少。這表示F3生成的模型對于場地植物的三維表現(xiàn)力更強且細(xì)節(jié)更加充足（圖5）。雖然F3拍攝時間較長，但仍處于無人機單次飛行的續(xù)航范圍內(nèi)。

為了確認(rèn)通過三維模型計算三維綠量的準(zhǔn)確性，在生成的三維立體模型基礎(chǔ)上，分別運用三維綠量計算方程和三維模型體積計算軟件對樣地內(nèi)同一棵樹木T的綠量進(jìn)行計算。樹木T的實測冠高為5.8 m，冠徑為8.1 m，樹冠形狀為半球形。根據(jù)樹冠形狀選取合適的三維綠量計算方程[10]（表2），計算所得的綠量結(jié)果為199 m3。由于F2生成的三維模型效果較差，所以無法進(jìn)行綠量的計算。將實驗F1、F3生成的三維點云模型分別導(dǎo)入Cloudcompare軟件進(jìn)行計算，所得樹木T的綠量分別為146 m3、186 m3，F(xiàn)3所測樹木T的綠量結(jié)果更加接近于實測結(jié)果，因此可以推算出經(jīng)過實驗F3所得三維點云模型而測量處的三維綠量結(jié)果具有更高的準(zhǔn)確性。

表2 三維綠量計算公式

4. 樹木T照片

5. F1、F2、F3三次實驗所得樹木T的模型差異對比圖

6. 無人機航拍生成的三維模型

由此可見，在拍攝對象相同、拍攝高度相同的情況下，采用F3方法可以在耗費時間相似的情況下獲得具有更高精度的三維模型（圖6），從而估算出更加準(zhǔn)確的三維綠量。所以實驗F3的拍攝和測量方法在基于無人機遙感技術(shù)的三維綠量測量的各條技術(shù)路徑中具有更高的準(zhǔn)確性和可行性。最終獲得的樣地三維模型與綠量如圖6所示，去除樣地中構(gòu)筑物后測算所得的總綠量約為18 893 m3。

5 總結(jié)

根據(jù)本次實驗結(jié)果，總結(jié)出適于規(guī)劃設(shè)計行業(yè)的三維綠量測量方法：以當(dāng)前主流消費級無人機航拍設(shè)備為基礎(chǔ)，選取Altizure軟件的航拍模式進(jìn)行自動多軌跡航拍，運用Pix4D軟件生成三維點云和三維立體模型，最后利用Cloudcompare軟件對三維綠量進(jìn)行測算。

本文提出的基于無人機遙感技術(shù)、運用多路線傾斜攝影進(jìn)行三維綠量測算的技術(shù)方法的優(yōu)勢在于：

（1）該方法選用當(dāng)前主流消費級低空無人機進(jìn)行三維點云模型的獲取，設(shè)備的學(xué)習(xí)成本和測量成本相比于地面三維點云測量設(shè)備較低，獲取三維綠量數(shù)據(jù)的效率較高，能夠為后續(xù)的植被構(gòu)成研究、生態(tài)效益水平評價等環(huán)節(jié)提供較為精確的綠量數(shù)據(jù)。

（2）該方法不僅能夠為園林景觀規(guī)劃設(shè)計提供三維綠量數(shù)據(jù)，還能夠提供較為精細(xì)的三維立體模型，有利于測量者感知場地空間構(gòu)成、了解植物分布，為植物的空間布局設(shè)計提供幫助。

但是，這一方法仍舊存在諸多不足之處：

（1）由于目前無人機電池技術(shù)還未有實質(zhì)性突破，多旋翼無人機滯空時間普遍在20～30 min左右，并且其抗干擾能力弱，穩(wěn)定性不足。因此對大范圍地塊的三維綠量測量較為困難。

（2）由于當(dāng)前消費級無人機易于獲取數(shù)字表面模型（DSM，包含地表建筑物、橋梁和樹木等高度的地面高程模型），難以獲取準(zhǔn)確的數(shù)字高程模型（DEM，表示地面高程的實體地面模型）。在利用軟件對三維模型進(jìn)行綠量計算的過程中，難以將植被與地面分離，減少地形帶來的計算誤差。因此，基于消費級無人機的三維綠量測量的準(zhǔn)確性受到地形、枝下高等因素的影響較大。

（3）隨著民用消費級無人機市場的高速增長，消費級無人機系統(tǒng)已成為規(guī)劃設(shè)計行業(yè)普遍運用的一項測繪設(shè)備。基于無人機遙感技術(shù)的三維綠量測量能夠提升綠量的測量效率，同時生成的三維模型也能夠在規(guī)劃設(shè)計各環(huán)節(jié)中得到利用。但是，基于無人機遙感技術(shù)的三維綠量測量方法還存在許多不足，其進(jìn)一步發(fā)展還需要更多的探索與研究。