淺析無人機(jī)航拍與ArcGIS在林業(yè)調(diào)查規(guī)劃中的應(yīng)用

劉靜

海南新綠神熱帶生物工程有限責(zé)任公司，海南海口570203

在近代林業(yè)科學(xué)生產(chǎn)管理工作中，最基礎(chǔ)的林業(yè)工作就是林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，該項(xiàng)工作指的是對林區(qū)自然屬性與社會屬性進(jìn)行詳細(xì)探查和統(tǒng)一規(guī)劃的一個過程，例如森林資源與生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行調(diào)查與監(jiān)測、生態(tài)質(zhì)量的調(diào)查與監(jiān)測、林業(yè)生態(tài)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)或者是森林資源資產(chǎn)評估都屬于這一范圍。

過去國內(nèi)林業(yè)資源管理水平參差不齊，生態(tài)的多樣性、動態(tài)性大大加強(qiáng)了林業(yè)資源管理的難度。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的現(xiàn)在，林業(yè)調(diào)查所應(yīng)用的調(diào)查技術(shù)也在推陳出新，無人機(jī)航拍技術(shù)的出現(xiàn)降低了林業(yè)調(diào)查的規(guī)劃工作難度，在ArcGIS 地理信息系統(tǒng)軟件配合下，降低人力資源，節(jié)約大部分人工調(diào)查成本，為林業(yè)調(diào)查提供更為準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支持，提高工作效率[11]。

1 林業(yè)調(diào)查工作方式的發(fā)展演變

在封建社會初期已經(jīng)存在類似現(xiàn)在的三類森林資源調(diào)查類型的工作，德國最早開發(fā)了比較準(zhǔn)確的森林地圖和計(jì)算立木材積的算法, 但是必須實(shí)地測量才能得到數(shù)據(jù),這就拖慢了調(diào)查的工作效率,并且消耗大量人力和物力資源。后來有人發(fā)明了標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查的方式，節(jié)約了大量的時(shí)間和人力，但是在精準(zhǔn)度方面如調(diào)查時(shí)期長久易找不到位置，造成誤差。隨著時(shí)代的發(fā)展和林業(yè)調(diào)查規(guī)劃的要求水平的不斷變化，直至19 世紀(jì)30 年代，抽樣調(diào)查方式和航空攝影測量等技術(shù)問世，調(diào)查效率和精度才大為提高。到現(xiàn)代，各種新型測量工具及智能終端等相關(guān)設(shè)備的相繼問世，為林業(yè)生產(chǎn)工作節(jié)約了時(shí)間，為管理者針對性的決策方案提供了更多可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)林業(yè)行業(yè)現(xiàn)代智能化奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.1 傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感技術(shù)與ArcGIS 在林業(yè)調(diào)查工作中的應(yīng)用

傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感技術(shù)主要表現(xiàn)在林業(yè)調(diào)查規(guī)劃工作的可視化，通過遙感影像可快速判斷林地的屬性，歷史拍攝時(shí)間統(tǒng)一，便于大型外業(yè)調(diào)查影像分析工作，降低了林業(yè)工作的強(qiáng)度。ArcGIS 軟件是計(jì)算機(jī)和信息系統(tǒng)技術(shù)在地理測繪使用調(diào)查中根據(jù)需要而發(fā)展出來的應(yīng)用軟件, 是結(jié)合地域和數(shù)據(jù)信息處理的綜合體。ArcGIS 系統(tǒng)為林業(yè)調(diào)查規(guī)劃工作的展開提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持和參考，其強(qiáng)大的分析能力和數(shù)據(jù)存儲功能，保證了調(diào)查的水平和預(yù)期的效果，優(yōu)化了以往林業(yè)調(diào)查規(guī)劃繁重的內(nèi)業(yè)整理工作。但是在實(shí)際工作中，Google Earth 的衛(wèi)星遙感影像在信息更新方面顯得過于陳舊，存在分辨率低、立體觀察效果不好、獲取不穩(wěn)定、成本高等問題，尤其在開展外業(yè)調(diào)查工作時(shí)，山區(qū)林間周邊環(huán)境地勢復(fù)雜，不確定性危險(xiǎn)因素較多，跋山涉水和調(diào)查地域的封閉性讓調(diào)查的危險(xiǎn)系數(shù)增加，衛(wèi)星遙感影像和實(shí)際調(diào)查的定位會出現(xiàn)一定的問題，導(dǎo)致其最終所獲得的結(jié)果不夠準(zhǔn)確[2]。

1.2 無人機(jī)航拍與ArcGIS 在林業(yè)調(diào)查工作中的應(yīng)用

用無線電遙控和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一起進(jìn)行遠(yuǎn)程操控的不載人飛行技術(shù)可以理解為無人機(jī)技術(shù)，加載上攝像鏡頭進(jìn)行拍攝的行為可以稱為航拍。這項(xiàng)無人機(jī)航拍技術(shù)對多種多樣的林業(yè)地貌資源進(jìn)行衛(wèi)星定位，實(shí)施通信定位技術(shù)監(jiān)測得出數(shù)據(jù)和信息，使用Pix4Dmapper 等相應(yīng)的軟件拼接影像數(shù)據(jù)，并在軟件中進(jìn)行坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換導(dǎo)出拼接好的矢量圖。在ArcGIS 軟件中校正航拍影像數(shù)據(jù)與地圖數(shù)據(jù)之間的匹配度，再導(dǎo)入實(shí)際控制點(diǎn)或者調(diào)查范圍可以準(zhǔn)確獲取控制點(diǎn)的坐標(biāo)值和調(diào)查范圍的分類區(qū)劃，正射影像得出的矢量數(shù)據(jù)也可以由ArcGIS 計(jì)算得出面積、株數(shù)，得出成活率和保存率，定位需要補(bǔ)植的植株位置。航拍出來的影像圖分辨率達(dá)到了肉眼近地觀測的精度，針對不同載荷和不同業(yè)務(wù)，林業(yè)技術(shù)人員可以根據(jù)以往調(diào)查經(jīng)驗(yàn)，在ArcGIS 中實(shí)現(xiàn)精確判讀同一區(qū)域的過渡地類，提高判讀精度，在保證調(diào)查準(zhǔn)確性和地類識別精度的同時(shí)，后期通過影像數(shù)據(jù)判斷設(shè)計(jì)出圖能減輕內(nèi)外業(yè)調(diào)查工作人員的工作強(qiáng)度。兩者靈活的使用方式，兼容又穩(wěn)定的系統(tǒng)，相較于過去的調(diào)查方法有著更便捷的現(xiàn)代化促進(jìn)效果，不會造成過程中的額外損失?？梢詤f(xié)助調(diào)查規(guī)劃技術(shù)人員進(jìn)行復(fù)雜的多層數(shù)據(jù)對比，定位和詳細(xì)描述現(xiàn)場獨(dú)特現(xiàn)象，通過大量數(shù)據(jù)支持預(yù)測將來的情況，讓參與工作人員充分了解現(xiàn)場情況。最終ArcGIS 軟件處理后生成圖紙，發(fā)到調(diào)查執(zhí)法等監(jiān)督機(jī)構(gòu)通過高清遙感影像圖紙，分析計(jì)算出林間植物遭遇破壞的地點(diǎn)和程度，可以及時(shí)對違法征占、毀林、開荒等行為進(jìn)行教育糾正和處罰處理。調(diào)查整改后得到的矢量數(shù)據(jù)可以在ArcGIS 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新替換，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一存儲管理。

2 無人機(jī)航拍在林業(yè)調(diào)查工作中的優(yōu)勢與劣勢

無人機(jī)航拍技術(shù)在林業(yè)調(diào)查規(guī)劃應(yīng)用的越廣泛，人們對這項(xiàng)技術(shù)的了解就越深入。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢表現(xiàn)在可以在不同環(huán)境條件下獲取森林資源的高清航拍影像數(shù)據(jù)，分辨率可達(dá)厘米級，并且可以低空下飛行，避免了云層遮擋調(diào)查區(qū)域的問題，準(zhǔn)備工作時(shí)間短，可動態(tài)操作調(diào)查，操控簡單。無人機(jī)體型小、攜帶便捷，快速到達(dá)目的地后可以馬上開展工作。地面測繪工作人員通過對顯示屏內(nèi)的情況，對無人機(jī)攝像進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，幫助內(nèi)業(yè)測繪人員準(zhǔn)確區(qū)劃調(diào)查區(qū)域上方的位置，拍攝到有助于規(guī)劃決策的影像信息及并準(zhǔn)確提取調(diào)查因子[3]。對平坦地面情況選擇正射航拍，后期幾何校正處理，可以做到不采集地面控制點(diǎn),獲取符合核查技術(shù)要求的信息，航拍影像與遙感歷史影像數(shù)據(jù)可以互相分析和對比，對林業(yè)的執(zhí)法和監(jiān)督機(jī)構(gòu)提供有力的幫助。

但隨著無人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用的廣泛深入，也讓人們發(fā)現(xiàn)它存在的一些急需攻克的技術(shù)問題，如無人機(jī)的操控時(shí)很多時(shí)候會涉及法律法規(guī)、地方電磁、氣象、軍事管制等問題；沒有規(guī)范的技術(shù)操作約束，容易在使用時(shí)導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)意外，勞民傷財(cái)，而且無人機(jī)的續(xù)航能力也是飽受詬病，在大型外業(yè)調(diào)查工作中，無法長時(shí)間持續(xù)工作，連續(xù)性不能保障，任務(wù)完成還存在不可預(yù)知性。山林地帶地勢復(fù)雜，除管制禁飛區(qū)域外，受強(qiáng)電磁和雨雪大風(fēng)天氣影響，飛行狀態(tài)非常容易受干擾，所以在開展外業(yè)調(diào)查工作時(shí)，技術(shù)人員要靈活使用無人機(jī)來進(jìn)行航拍。

3 無人機(jī)航拍發(fā)展前景分析

無人機(jī)航拍技術(shù)可以涉及到多個行業(yè)多個專業(yè)領(lǐng)域。目前涉及林業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有森林火災(zāi)、森林病蟲害遙感監(jiān)測、森林精準(zhǔn)植保、森林資源調(diào)查、野生動植物監(jiān)測與識別以及林業(yè)執(zhí)法等等。無人機(jī)航拍技術(shù)已經(jīng)滲透這些領(lǐng)域其中并發(fā)揮著它的優(yōu)勢作用，例如：森林火災(zāi)具有三大特性，分別為隨機(jī)性、破壞性大和突發(fā)性，中國森林火災(zāi)每年夏季發(fā)生的頻率頗高，在火災(zāi)發(fā)生前利用無人搭載可見光和紅外攝像機(jī)對其進(jìn)行有效的巡查監(jiān)測、及時(shí)發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)和精確定位，可將現(xiàn)場地理情況和蔓延趨勢回傳控制中心，輔助現(xiàn)場指揮迅速反應(yīng)和及時(shí)撲救，由此可見無人機(jī)航拍在森林防火應(yīng)用中十分重要。林區(qū)里的植被受到病蟲害影響會在航拍影像中會呈現(xiàn)出林冠形狀和植被密度、顏色會有不同變化及差異等特征，在反饋回的影像圖中可以被有效識別。無人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用在森林資源調(diào)查中，可以實(shí)現(xiàn)森林資源管理與林業(yè)可持續(xù)經(jīng)營的互補(bǔ)，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握森林資源情況，例如監(jiān)測荒漠化和沙化區(qū)內(nèi)的荒漠化和沙化范圍、分布、植被覆蓋度等情況，還可以利用搭載相機(jī)和高光譜成像儀、搭載激光雷達(dá)等設(shè)備獲取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的林木三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識別調(diào)查區(qū)域內(nèi)的林種和遍布范圍、林木因子信息等等；林業(yè)執(zhí)法管理是現(xiàn)代林業(yè)建設(shè)發(fā)展的重要組成，是森林資源強(qiáng)有力的保護(hù)措施之一[3]。無人機(jī)航拍的另一個重要應(yīng)用是開展林區(qū)執(zhí)法活動，能高頻、多次、固定范圍進(jìn)行檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)違法占地、盜砍濫伐、違章用火及野生動物的盜獵和貿(mào)易等非法行為。野外林場、公園和城市綠地等地已日漸成為違法犯罪活動的重災(zāi)區(qū)，運(yùn)用無人機(jī)航拍能提供確實(shí)的違法證據(jù)和違法范圍，從而更好保護(hù)林間大部分植被和野生動物。

4 結(jié)語

在未來林業(yè)調(diào)查規(guī)劃改革的大環(huán)境下，對人員和設(shè)備優(yōu)化配置有著很高的要求，科學(xué)化的調(diào)查規(guī)劃方式會普及在各種樣地調(diào)查、造林核查、行政執(zhí)法等領(lǐng)域。無人機(jī)航拍技術(shù)作為傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感技術(shù)的重要補(bǔ)充之一，符合未來對林業(yè)行業(yè)發(fā)展前景規(guī)劃的技術(shù)層面要求[4]。林業(yè)部門通過使用無人機(jī)航拍技術(shù)、ArcGIS 地理信息系統(tǒng)結(jié)合云計(jì)算，人工智能技術(shù)及大數(shù)據(jù)等高端制造設(shè)備，完成規(guī)劃飛行調(diào)查、目標(biāo)屬性識別，提前預(yù)判感知周邊環(huán)境，使未來林業(yè)建設(shè)逐漸進(jìn)入無人機(jī)數(shù)字化建模時(shí)代，最終實(shí)現(xiàn)森林資源管理與監(jiān)測的一體化。