基于無(wú)人機(jī)多光譜遙感的園林樹(shù)木智慧化管理應(yīng)用研究

曹勝昔，解旭東，郜 鵬

（北方工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北石家莊 050000）

0 引言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)類型也逐漸多樣化，并廣泛應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)等各領(lǐng)域的勘測(cè)工作中。

1 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)概況

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是對(duì)無(wú)人機(jī)概念的擴(kuò)展，它是一套綜合的技術(shù)支撐系統(tǒng)，主要通過(guò)地面控制站、無(wú)人駕駛飛行器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)來(lái)操控飛行、處理數(shù)據(jù)和傳導(dǎo)信息[2]。

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)（UAV remote sensing）作為一種攝影測(cè)量與航空遙感系統(tǒng)，以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，通過(guò)搭載數(shù)碼相機(jī)、激光雷達(dá)等各種傳感器，可以在幾千米的飛行高度內(nèi)獲取照片、視頻以及遙感影像數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)可以智能快速的獲取遙感影像信息，并通過(guò)相關(guān)軟件進(jìn)行后期處理、建模和分析，具備傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感所不能比擬的高時(shí)效、高分辨率優(yōu)勢(shì)。

1.1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)工作原理

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)由3部分組成，地面工作基站主要負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)人機(jī)航線的設(shè)計(jì)及對(duì)無(wú)人機(jī)工作情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將其拍攝的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，無(wú)人機(jī)的工作是利用搭載在機(jī)身上的配套裝置按照預(yù)先設(shè)定好的航線飛行，通過(guò)搭載的紅外線傳感器、遙感傳感器等工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。除此之外，傳感器還會(huì)與地面基站保持通信并保證安全飛行。

1.2 無(wú)人機(jī)多光譜遙感的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)多光譜遙感是以多光譜傳感器為主要載荷，快速獲取和處理遙感影像數(shù)據(jù)的攝影測(cè)量與航空遙感技術(shù)。相比較傳統(tǒng)的非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)和其他的遙感平臺(tái)，無(wú)人機(jī)多光譜遙感除了可以檢測(cè)面積變化、樹(shù)種類型、樹(shù)種分布、樹(shù)木數(shù)量、生長(zhǎng)量變化、綠蔭覆蓋率等常規(guī)指標(biāo)外，還可以搜集肉眼觀察不到的光譜信息。這些信息可以間接反映出園林植物的生物量、葉綠素含量等生理功能性狀?；谶@些信息，可以搭建病蟲害和入侵生物的監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析病害發(fā)生面積、發(fā)展程度以及趨勢(shì)[3]，評(píng)估災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，進(jìn)而為病蟲害的防治提供依據(jù)。同時(shí)，根據(jù)評(píng)估結(jié)果，合理規(guī)劃防治路線，通過(guò)高空噴藥的手段進(jìn)行防治，既提高了防治效果和工作效率，又減少了對(duì)人體的傷害，節(jié)約了人工成本。

2 無(wú)人機(jī)多光譜遙感在園林樹(shù)木管理方面的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

崇禮區(qū)冬奧生態(tài)風(fēng)景道作為2022年北京冬奧會(huì)張家口賽區(qū)的一條重要的生態(tài)廊道，對(duì)提升冬奧景觀品質(zhì)具有重要意義。該廊道綠化工程全長(zhǎng)約17.5km，綠化面積4380畝，種植喬木有云杉、油松、樟子松、白樺、五角楓、山桃、北美海棠等15種；灌木有紫丁香、紅瑞木、沙地柏等8種。

為了彰顯“科技冬奧”的主題，方便后期景觀生態(tài)修復(fù)效果評(píng)估和監(jiān)測(cè)管理，擬應(yīng)用無(wú)人機(jī)搭載多光譜傳感器技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理和優(yōu)化提升。

主要目的：驗(yàn)證無(wú)人機(jī)搭載多光譜傳感器技術(shù)在園林樹(shù)木養(yǎng)護(hù)管理中應(yīng)用的技術(shù)可行性。

2.2 擬應(yīng)用技術(shù)與設(shè)備

（1）多光譜遙感及數(shù)據(jù)處理技術(shù)

多光譜傳感器理論上可獲得200多種光譜信息，通過(guò)更換不同濾光片來(lái)獲取所需的光譜波段信息，將獲取的遙感影像導(dǎo)入ERDAS、ENVI等軟件進(jìn)行處理分析可以得到想要的成果。

（2）航跡規(guī)劃技術(shù)

對(duì)于人難以到達(dá)、起伏不大的相對(duì)平坦地區(qū)，采取常規(guī)航路規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行航空攝影測(cè)量。

表1 無(wú)人機(jī)遙感使用的設(shè)備及設(shè)備功能定位

對(duì)于人工難以到達(dá)、地勢(shì)起伏較大的地區(qū)，為了獲取準(zhǔn)確的影像數(shù)據(jù)，可根據(jù)山地的等高線設(shè)計(jì)航拍路線。獲取遙感數(shù)據(jù)。

（3）電子地圖成圖技術(shù)

差分GPS自動(dòng)駕駛儀技術(shù)結(jié)合地面外業(yè)控制點(diǎn)或者高精度電子地圖對(duì)航拍拼圖進(jìn)行校正，可形成亞米級(jí)精度的電子地圖，完全能滿足園林綠化行業(yè)需求。

（4）系統(tǒng)設(shè)備

該技術(shù)采用的主要系統(tǒng)及設(shè)備有：固定翼無(wú)人機(jī)遙感信息系統(tǒng)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)，見(jiàn)表1。

其中，固定翼無(wú)人機(jī)遙感信息系統(tǒng)采取FLY-1型固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和ADC多光譜相機(jī)。

固定翼無(wú)人機(jī)比旋翼無(wú)人機(jī)速度更快，飛行時(shí)間也更長(zhǎng)，其航程一般在幾千米以內(nèi)，適用于尺度較大的場(chǎng)地信息的獲取。ADC多光譜數(shù)碼相機(jī)用于拍攝范圍在520～950nm的綠、紅和近紅外波段（TM2、TM3和TM4）的圖像，通過(guò)分析地表植被和植物冠層的反射和吸收，可以觀測(cè)到植被類型、植被生長(zhǎng)量、植被覆蓋度等多項(xiàng)指標(biāo)。后期利用軟件對(duì)生物多樣性指數(shù)、NDVI（歸一化植被指數(shù)）等多種植被指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，方便對(duì)植被生長(zhǎng)情況進(jìn)行分析。

2.3 技術(shù)方案

具體來(lái)說(shuō)，分以下幾個(gè)步驟：

（1）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)大致可分為四大功能模塊。①GIS基礎(chǔ)模塊包括遙感影像等柵格數(shù)據(jù)、mxd格式文件以及區(qū)劃的矢量數(shù)據(jù)的輸入；影像數(shù)據(jù)的量測(cè)以及屬性編輯等；②空間區(qū)劃、面積計(jì)算模塊提供小班等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)區(qū)劃符號(hào)，同時(shí)區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行面積計(jì)算；③信息提取模塊將場(chǎng)地海拔、坡度、坡向等矢量數(shù)據(jù)信息提取存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中。苗木的冠徑、樹(shù)高、胸徑、株樹(shù)密度、生物量等信息都可以通過(guò)本模塊得到；④結(jié)果輸出模塊有報(bào)表輸出和圖表輸出兩種類型。報(bào)表輸出主要用于輸出屬性類表格信息，如小班屬性表等；圖表輸出主要用于輸出空間類信息，如各類林相圖等。

（2）監(jiān)測(cè)指標(biāo)確定

在咨詢專家、查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要選擇相關(guān)指標(biāo)（見(jiàn)表2）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

表2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)

覆蓋率：100%，對(duì)調(diào)查區(qū)實(shí)施100%覆蓋遙感監(jiān)測(cè)；

準(zhǔn)確率：＞90%，測(cè)報(bào)準(zhǔn)確率不低于90%；（需地面調(diào)查）；

地面分辨率：優(yōu)于0.2m；

定位精度：＜5m，對(duì)病死樹(shù)、枯死樹(shù)的定位精度優(yōu)于5m。

（3）無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取

首先，使用無(wú)人遙感信息系統(tǒng)對(duì)選取樣地的地形以及植被進(jìn)行高精度（地面分辨率優(yōu)于0.2m）的遙感監(jiān)測(cè)，航飛航線規(guī)劃為旁向重疊75%，航線重疊65%，航高500m，監(jiān)測(cè)次數(shù)為每個(gè)季節(jié)兩次。

（4）數(shù)據(jù)處理分析

將獲取的遙感影像導(dǎo)入GIS/ERDAS/ENVI軟件進(jìn)行處理，提取地形數(shù)據(jù)和相關(guān)苗木信息進(jìn)行初步數(shù)據(jù)分析。

（5）人工抽樣確認(rèn)調(diào)查

地形因子：綜合典型抽樣與隨機(jī)抽樣的方法，垂直等高線或林帶走向設(shè)置多邊形樣地，采用皮尺、手持式GPS儀等儀器測(cè)量樣地的高程、坡度信息。

植被因子：比如統(tǒng)計(jì)感病、枯死株樹(shù)；結(jié)合林相圖統(tǒng)計(jì)發(fā)生面積。通過(guò)使用外業(yè)調(diào)查PDA設(shè)備，在GIS和GPS技術(shù)的支持下對(duì)目標(biāo)區(qū)域的災(zāi)害情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化采集，獲取野外調(diào)查數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒定、檢查、處理、統(tǒng)計(jì)，結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果和林相圖，依據(jù)統(tǒng)計(jì)抽樣理論、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，統(tǒng)計(jì)發(fā)生面積、感病、枯死株樹(shù)等相關(guān)信息，形成災(zāi)害分布圖。

（6）輸出成果，分析評(píng)估。對(duì)核查的結(jié)果進(jìn)行比較分析，將在誤差范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信息輸入系統(tǒng)平臺(tái)。通過(guò)建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并輸出最終的結(jié)果。依據(jù)結(jié)果對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)狀況進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)，形成綜合分析報(bào)告，為后期養(yǎng)護(hù)管理提供理論依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究積極響應(yīng)設(shè)計(jì)師和景觀從業(yè)人員的相關(guān)需求，創(chuàng)新地運(yùn)用無(wú)人機(jī)多光譜遙感來(lái)監(jiān)測(cè)和分析園林樹(shù)木長(zhǎng)勢(shì)、布局、病蟲害等各項(xiàng)信息，為實(shí)現(xiàn)園林樹(shù)木智慧式管理提供了一種思路。

綜上所述，隨著我國(guó)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，在城市園林綠化工程中融合信息技術(shù)、構(gòu)建智慧化管理體系，對(duì)于優(yōu)化管理系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)，提高管理工作的質(zhì)量與效率起著至關(guān)重要的作用，此外，還能夠保障城市園林綠化管理工作的正常進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的共享，促進(jìn)部門之間的溝通協(xié)調(diào)，有利于我國(guó)城市園林綠化工程的可持續(xù)發(fā)展。