無人機(jī)遙感技術(shù)在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用研究

摘?要：在現(xiàn)代森林資源調(diào)查項目中，無人機(jī)遙感技術(shù)憑借快速監(jiān)測、安全可靠、低成本、高分辨率的顯著優(yōu)勢，逐漸取代了傳統(tǒng)的角規(guī)輔助每木檢尺調(diào)查法，有利于森林資源可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的落實(shí)，也為森林資源調(diào)查工作的開展提供了全新發(fā)展契機(jī)。基于此，本文對無人機(jī)遙感技術(shù)的概念、優(yōu)勢及可用載荷進(jìn)行闡述，深入研究技術(shù)在森林資源調(diào)查項目中的應(yīng)用情況，以供參考。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)遙感技術(shù);森林資源調(diào)查;應(yīng)用

一、無人機(jī)遙感技術(shù)概述

（一）技術(shù)概念

無人機(jī)遙感技術(shù)是在無人駕駛飛行器、通信、遙測遙控、GPS差分定位、信息傳感等多項技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展演變形成，以無人機(jī)為飛行器，在無人機(jī)上搭載熱紅外相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、小畫幅單反相機(jī)等設(shè)備，系統(tǒng)基于運(yùn)行準(zhǔn)則或遠(yuǎn)程控制下操控?zé)o人機(jī)按設(shè)定航線飛行，由遙感傳感器持續(xù)獲取測區(qū)信息與影像資料，再由計算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時開展圖像信息處理作業(yè)的一項技術(shù)手段，有著較高的自動化與智能化水平，主要用于獲取國土資源、地震災(zāi)區(qū)與自然環(huán)境的空間遙感信息，在森林資源調(diào)查領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。

（二）技術(shù)優(yōu)勢

無人機(jī)遙感技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在高效快速、監(jiān)測全面、大尺度、低成本與高分辨率五方面。其中，在高效快速方面，無人機(jī)可以在短時間內(nèi)完成起降作業(yè)與數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)處理任務(wù)，同步開展外業(yè)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理作業(yè)，單臺無人機(jī)的日監(jiān)測能力在200～320平方千米，具備森林資源即時調(diào)查、大范圍監(jiān)測的技術(shù)條件[2]。在監(jiān)測全面方面，無人機(jī)遙感系統(tǒng)在運(yùn)行期間可以同時采集提取單木冠幅、郁閉度、林木胸徑、生物量、蓄積量、地表三維信息、林分密度等觀測數(shù)據(jù)，同步完成森林特征參數(shù)提取、造林成活率核查、森林火災(zāi)監(jiān)測等多項監(jiān)測調(diào)查任務(wù)。在大尺度方面，既可以使用無人機(jī)遙感系統(tǒng)完成小范圍空間精確監(jiān)測任務(wù)，也可以完成大面積、高空間監(jiān)測任務(wù)，影像尺度具備可調(diào)節(jié)性，適用于不同工況情境。在低成本方面，較之角規(guī)輔助每木檢尺調(diào)查法和常規(guī)航空攝影測量技術(shù)，無人機(jī)遙感技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取、精加工、高程數(shù)據(jù)生成與總體調(diào)查費(fèi)用較低。而在高分辨率方面，無人機(jī)遙感系統(tǒng)的影像分辨率保持在0.1～0.5m范圍內(nèi)，分辨率遠(yuǎn)高于衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，可以更為真實(shí)、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)森林資源調(diào)查結(jié)果。

（三）無人機(jī)遙感森林資源調(diào)查可用載荷

在無人機(jī)遙感技術(shù)體系中，載荷是無人機(jī)成像的重要工具，載荷選擇合理與否，直接影響到技術(shù)應(yīng)用效果與森林資源調(diào)查結(jié)果的深度光度，其重要性不言而喻。與此同時，根據(jù)技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用情況來看，單一載荷存在應(yīng)用局限性，難以滿足森林資源調(diào)查需要，如使用光學(xué)載荷開展影像空三加密作業(yè)時，因樹木紋理特征高度相似，面臨著不易匹配特征點(diǎn)，僅可完整獲取森林植被冠層表面信息的技術(shù)難題。因此，為滿足項目需要，無人機(jī)遙感技術(shù)近年來呈現(xiàn)出載荷多維化發(fā)展趨勢，作業(yè)人員可根據(jù)項目要求組合使用多種載荷，具體如下。

1.光學(xué)載荷

光學(xué)載荷是以數(shù)碼相機(jī)為載體，根據(jù)人眼對自然界物體觀察習(xí)慣的方式來獲取測區(qū)內(nèi)森林樣地觀測圖像、數(shù)字正射影像并生成數(shù)字表面模型的一種載荷，將小、中畫幅單反相機(jī)與數(shù)碼相機(jī)搭載在輕小型無人機(jī)上，主要用于完成密度、樹高、冠幅等林木參數(shù)的提取任務(wù)，有著影像分辨率高、真實(shí)反映森林地物色彩質(zhì)地、通過目視觀察即可識別林種與大概造林成活率的優(yōu)勢，但存在特征點(diǎn)不易匹配的局限性，可以搭配使用光學(xué)載荷與激光雷達(dá)載荷來解決此類問題。

2.紅外譜段遙感載荷

紅外譜段遙感載荷是在無人機(jī)上搭載D900、X4UAV等型號的紅外探測儀器與TAU、Onca等型號系列的熱紅外相機(jī)，負(fù)責(zé)探測火點(diǎn)分布、火情蔓延趨勢、土壤含水率及有機(jī)質(zhì)含量等參數(shù)，持續(xù)將所接收輻射能量轉(zhuǎn)為電信號，主要用于完成森林火災(zāi)監(jiān)測任務(wù)，也可用于完成紅外遙感病蟲害監(jiān)測任務(wù)?？紤]到絕大多數(shù)類型紅外探測器有高性能、大面陣的特征，采購價格較為高昂，因而紅外譜段遙感載荷多用于大型無人機(jī)遙感系統(tǒng)，不適用于輕小型系統(tǒng)。

3.激光雷達(dá)載荷

激光雷達(dá)載荷是在飛行器上搭載GPS定位、IMU慣性導(dǎo)航、激光掃描儀、航空相機(jī)等裝置來形成主動式遙感系統(tǒng)，在無人機(jī)飛行期間持續(xù)獲取地物表面三維坐標(biāo)、無人機(jī)飛行姿態(tài)、測距角、林木特征參數(shù)等測量數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中建立高精度數(shù)字地面模型，幫助工作人員全面掌握森林三維結(jié)構(gòu)信息、地形地勢與植被分布情況，用于完成林木參數(shù)提取等任務(wù)，在測量林木高度、提取垂直結(jié)構(gòu)信息等方面有著顯著優(yōu)勢。

4.成像光譜載荷

成像光譜載荷是通過搭載高光譜成像儀設(shè)備在紫外、中紅外與可見光等多個波段中采集光譜連續(xù)圖像數(shù)據(jù)和描述各像元光譜分布情況，有著準(zhǔn)確描述植被特征、同時獲取空間及光譜信息、具備冠層生物物理及化學(xué)特征估測條件、光譜分辨率高的優(yōu)勢，多用于大型無人機(jī)遙感系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成森林植被類型識別、病蟲害信息探測等調(diào)查任務(wù)。

二、無人機(jī)遙感技術(shù)在森林資源調(diào)查中的具體應(yīng)用

（一）林木參數(shù)提取分析

在林木參數(shù)提取分析環(huán)節(jié)，無人機(jī)遙感技術(shù)用于拍攝影像資料并提取冠幅、郁閉度與樹高等測數(shù)因子，建立森林模型及估測模型，幫助工作人員掌握森林分布范圍和測算生物量、蓄積量及胸徑等數(shù)據(jù)，做到對森林資源信息的低成本、快速獲取[3]。例如，在完成樹種識別任務(wù)時，工作人員采取目視解譯方法直接觀察高光譜及高空間分辨率影像，詳細(xì)觀察樹木紋理、形狀，憑借自身工作經(jīng)驗來判斷樹種類別，如在廣西英羅港紅樹林自然保護(hù)區(qū)調(diào)查項目中，使用IPS3.1軟件對所拍攝1469張照片加以拼接處理，目視觀察樹木空間分布情況，樹種識別正確率超過90%。而在完成冠幅估測任務(wù)時，采取無人機(jī)遙感技術(shù)來取代傳統(tǒng)的皮尺測量法，使用數(shù)碼相機(jī)垂直對地拍攝與航空攝影測量林區(qū)成像，從影像圖片中提取樹木頂部信息，搭配目視法，工作人員根據(jù)影像中樹冠及林窗間色調(diào)顏色差異情況來判斷樹冠輪廓及大體分布范圍，或是選取面向?qū)ο蠓ǎ捎嬎銠C(jī)系統(tǒng)從影像圖片中自動提取林地信息，再使用ENVI軟件執(zhí)行影像分割與冠幅信息分類提取操作，可以將信息提取精度保持在92.19%左右，并具備大規(guī)模樹冠信息提取的技術(shù)條件。

此外，無人機(jī)遙感系統(tǒng)的林木參數(shù)提取分析過程包括以下幾點(diǎn)。首先，獲取無人機(jī)影像資料，預(yù)先在系統(tǒng)中設(shè)定無人機(jī)航線，根據(jù)項目情況采取正常飛行或是雙軌道飛行方式，設(shè)定相應(yīng)的雙軌點(diǎn)云數(shù)與單軌點(diǎn)云數(shù)，將航向及旁向重疊度保持在90%左右，并在系統(tǒng)中設(shè)定鏡頭角度、白平衡、拍攝觸發(fā)、飛行速度等參數(shù)，在無人機(jī)飛行期間持續(xù)拍攝下方地物影像圖片。同時，為滿足影像拼接建模作業(yè)需要，將測區(qū)地物與無人機(jī)最低航高保持安全間距，一般情況下將無人機(jī)飛行高度設(shè)為林木高度2倍以上即可。其次，建立遙感影像模型，可使用Agisof?Photoscan軟件，在軟件中新建模型并導(dǎo)入無人機(jī)影像數(shù)據(jù)，自動完成定向操作，打開Process工作欄，對相鄰影像特征點(diǎn)執(zhí)行匹配操作與相機(jī)優(yōu)化校準(zhǔn)操作，勾選Fit?cx等參數(shù)來生成密集點(diǎn)云，對二維影像進(jìn)行點(diǎn)云處理后生成網(wǎng)格化，再開展紋理賦予運(yùn)算操作，完成三維建模作業(yè)。最后，提取郁閉度、單木冠幅等林木參數(shù)，如使用ArsGIS軟件從DOM數(shù)據(jù)中勾勒林木冠幅邊界和進(jìn)行解析運(yùn)算來獲取林地郁閉度值，在林木參數(shù)基礎(chǔ)上建立胸徑—冠幅、樹高等單數(shù)參數(shù)模型，完成林木參數(shù)的提取分析任務(wù)。

（二）森林小班區(qū)劃

在森林資源調(diào)查項目中，森林小班區(qū)劃是一項重要工作內(nèi)容，根據(jù)內(nèi)部條件、區(qū)域內(nèi)在聯(lián)系性與各區(qū)域明顯特征來劃分若干森林小班，便于后續(xù)森林資源經(jīng)營管理工作的開展，也是實(shí)施差異性管理的重要前提[4]。早期項目普遍采取對坡勾繪方法，此項方法受到野外調(diào)查線路差異、工作強(qiáng)度大的局限性，區(qū)劃作業(yè)效率較低。因此，需要在森林小班區(qū)劃環(huán)節(jié)應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)，系統(tǒng)在運(yùn)行期間采取半自動或是全自動方式來開展小班邊界信息提取作業(yè)，替代人工操作，這將起到全面提升小班區(qū)劃精度及效率的作用，預(yù)防區(qū)劃邊界不一致問題出現(xiàn)。例如，在北京延慶松山國家自然保護(hù)區(qū)森林資源調(diào)查項目中，應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)，在飛行器上搭載索尼公司推出的NEX5N型相機(jī)開展航拍作業(yè)，由遙感系統(tǒng)對航拍影像進(jìn)行空三加密處理來獲取高精度DEM數(shù)據(jù)與DOM數(shù)據(jù)，使用AreGIS軟件從中提取坡向及坡度信息，最終根據(jù)針葉林及闊葉林分布情況來劃設(shè)15個森林小班。而在浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)調(diào)查項目中，工作人員選擇在無人機(jī)上搭載索尼DSCT90相機(jī)拍攝影像，使用EDITOP軟件自帶工具在遙感圖像中進(jìn)行區(qū)劃處理，將測區(qū)地類分為居民地、竹林、杉木、農(nóng)業(yè)用地、馬尾松林及闊葉林六類。

（三）造林成活率核查

在早期森林資源調(diào)查項目中，普遍采取分層抽樣方法來核查造林成活率，將抽樣比例設(shè)定在10%左右，此項方法有著工作量大、核查效率低、核查精度低的局限性，核查結(jié)果與造林實(shí)際成活率存在出入。因此，需要應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)開展造林成活率核查作業(yè)，對無人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取的影像圖片執(zhí)行色彩增強(qiáng)操作，用于統(tǒng)計影像中的正常苗及病死苗數(shù)量，在模型圖像中使用特定顏色符號來標(biāo)志樹種病死苗分布位置和相關(guān)信息。例如，在德國南部地區(qū)某森林資源調(diào)查項目中，運(yùn)用無人機(jī)遙感技術(shù)對10hm2的示范林地開展攝影成像作業(yè)，在影像中提取分割林木空隙，選取空間統(tǒng)計法來分析、描述各類型林隙正負(fù)關(guān)系，在多邊形函數(shù)公式中導(dǎo)入所提取林隙等信息，函數(shù)輸出結(jié)果即為林木成活率。

（四）森林火災(zāi)監(jiān)測

森林火災(zāi)事故有著突發(fā)性、處置救助困難、破壞性大的特征，常規(guī)的地面調(diào)查監(jiān)測法難以提前預(yù)測火災(zāi)事故出現(xiàn)和快速掌握森林火勢蔓延情況，不利于后續(xù)火勢撲滅與救援救助工作的開展，且工作人員的自身安全無法得到保證。而對無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用，憑借技術(shù)監(jiān)測快速、高效的特征，可以在短時間內(nèi)完成前期準(zhǔn)備與無人機(jī)起降工作，控制無人機(jī)按規(guī)劃航線飛行，同步拍攝下方地面的影像圖片與開展內(nèi)業(yè)處理，幫助工作人員實(shí)時、全面地掌握森林受損情況、火勢蔓延范圍和蔓延趨勢[5]。

此項技術(shù)主要被用于完成火災(zāi)識別、損失統(tǒng)計、火勢模擬、林火位置鎖定任務(wù)，具體如下：其一，火災(zāi)識別。在無人機(jī)遙感系統(tǒng)中使用灰度共生矩陣，對航拍影像圖片開展分割操作，使用支持向量機(jī)方法開展火災(zāi)識別作業(yè)，如果從中提取到火災(zāi)區(qū)域特征，則表明出現(xiàn)森林火災(zāi)事故，發(fā)送報警信號，此項方法的森林火災(zāi)識別率與檢測率分別為89.2%與87.7%。同時，可以采取煙霧識別方式，從影像圖片中提取顏色特征，建立煙霧識別模型，在測區(qū)內(nèi)檢測到白色、黑色與彩色煙霧時，表明測區(qū)出現(xiàn)森林火災(zāi)事故，根據(jù)煙霧顏色來初步判斷火勢燃燒階段與明火溫度，如產(chǎn)生大量黑煙直往上沖時表明處于燃燒最為猛烈的階段，而在產(chǎn)生白色煙霧時表明火災(zāi)出現(xiàn)時間較短或得到有效控制，此類方法的火災(zāi)識別率在77%以上，可以組合采取煙霧識別與火災(zāi)區(qū)域特征識別方法。其二，損失統(tǒng)計。從航拍影像圖片中提取火焰色調(diào)、煙霧顏色等參數(shù)，根據(jù)顯色指數(shù)來反映測區(qū)內(nèi)各處區(qū)域的林木燃燒與已損毀數(shù)據(jù)，用于統(tǒng)計森林火災(zāi)受損程度。其三，火勢模擬。同時控制多臺無人機(jī)在不同位置開展火災(zāi)協(xié)同觀測作業(yè)，分別設(shè)定各臺無人機(jī)的自由度，將傳感器所采集信號上傳至遙感系統(tǒng)進(jìn)行集中處理，并采取監(jiān)測跟蹤算法進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測未來一段時間的火勢蔓延情況。其四，林火位置鎖定。使用多旋翼無人機(jī)與光學(xué)載荷、紅外譜段遙感載荷等多種載荷，搭配GPS全球定位系統(tǒng)，從影像圖片中鎖定林火位置，將林火火點(diǎn)定位精度保持在10m內(nèi)。

（五）森林病蟲害監(jiān)測

在森林病蟲害監(jiān)測環(huán)節(jié)，可以搭配使用GPS定位系統(tǒng)與無人機(jī)遙感技術(shù)，遙感系統(tǒng)負(fù)責(zé)通過無人機(jī)搭載的單反相機(jī)與數(shù)碼相機(jī)來拍攝影像圖片，使用LPS軟件進(jìn)行正射與圖像分割處理，從中采集病死木位置、提取線蟲病等林木病蟲害特征信息，幫助工作人員了解病蟲害情況，以及根據(jù)后續(xù)無人機(jī)遙感測量結(jié)果來反饋病蟲害養(yǎng)護(hù)效果，判斷林木是否保持良好生長狀況。而GPS定位系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供影像圖片中病死木的三維空間坐標(biāo)，引導(dǎo)養(yǎng)護(hù)人員前往病死木位置開展后續(xù)的人工施藥、生物防治等林木養(yǎng)護(hù)工作。

結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用，是森林資源調(diào)查項目的必然發(fā)展趨勢，也是解決應(yīng)急監(jiān)測能力不足、監(jiān)測精度有限等實(shí)際存在問題的關(guān)鍵。林業(yè)資源主管部門與從業(yè)人員必須正確認(rèn)識到無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用價值，建立起以無人機(jī)遙感技術(shù)為核心的現(xiàn)代化森林資源調(diào)查技術(shù)體系，使其有效服務(wù)于生態(tài)環(huán)境建設(shè)。

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課題項目：本文系2021年甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金項目“基于無人機(jī)遙感的可可西里地表溫度反演”（編號：2021A251）;2021年院級校企協(xié)同創(chuàng)新項目“無人機(jī)熱紅外遙感交叉輻射定標(biāo)研究”（編號：Y2021C03）

作者簡介：張琪曼（1991—?），女，漢族，甘肅慶陽人，本科，講師，研究方向：遙感與攝影測量。