無人機(jī)航測(cè)在山杏種質(zhì)信息采集中的應(yīng)用與研究

楚景月，張?jiān)瞥?/p>

(1.喀左縣林業(yè)和草原局，遼寧 喀左 122300；2.喀左縣林業(yè)種苗管理站，遼寧 喀左 122300)

1 研究總體思路

研究成果利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，制作出可見光正射影像(DOM)和高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)(DEM)，通過建立分類模型對(duì)兩類影像數(shù)據(jù)解析獲取種質(zhì)樹相關(guān)信息。研究涉及無人機(jī)航攝技術(shù)、地理信息采集技術(shù)(RTK應(yīng)用技術(shù))、航攝影像制作技術(shù)、正射影像分類識(shí)別技術(shù)、高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)處理技術(shù)、相關(guān)模型建立等。該項(xiàng)技術(shù)的研制成功，徹底解決了高端林業(yè)項(xiàng)目實(shí)施中可能遇到一系列難題，讓種質(zhì)資源精準(zhǔn)定位、提高調(diào)查效率和科研成果可靠性、歷史數(shù)據(jù)的回溯與追蹤、縮減科研周期、推行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及維護(hù)科研檔案安全等成為可能，進(jìn)而為全面發(fā)展數(shù)字林業(yè)鋪平道路。

2 技術(shù)方案與創(chuàng)新成果

本著精度高、易操作、低成本的原則，進(jìn)行相關(guān)設(shè)備確型、參數(shù)確定、模型建立和固定工藝流程諸方面研究，以滿足山杏樹體因子提取之要求。

在歷時(shí)4年的時(shí)間里，主要完成了3方面研究的目標(biāo)任務(wù)。即無人機(jī)航攝高精度成圖，包括控制點(diǎn)的布局與獲取、無人機(jī)航攝、Pix4D航測(cè)成圖關(guān)鍵技術(shù)；地圖矢量化方面包括種子資源庫點(diǎn)、線面目標(biāo)的繪制；種質(zhì)資源信息獲取研究方面包括種質(zhì)樹高信息獲取、建立種質(zhì)樹葉花的RGB顏色模型、種質(zhì)樹樹冠投影面積信息獲取、山杏開花的物候期觀測(cè)。在技術(shù)開發(fā)、推廣及產(chǎn)業(yè)化過程中，攻克了種質(zhì)樹郁閉后樹冠分割技術(shù)，解決了用低端無人機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度制圖的關(guān)鍵技術(shù)，提出了樹木生長(zhǎng)空間概念。

(1)通過控制點(diǎn)的布局與獲取、無人機(jī)航攝、Pix4D航測(cè)成圖關(guān)鍵技術(shù)研究，根據(jù)大疆精靈3A和大疆御2Pro 這2個(gè)型號(hào)無人機(jī)的特點(diǎn)，探索出基于最優(yōu)航線布設(shè)方法、控制點(diǎn)布局與獲取方式、無人機(jī)飛行方式及航攝方式，總結(jié)出Pix4D航測(cè)成圖關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)建了無人機(jī)種質(zhì)資源信息獲取的參數(shù)確定和工藝流程。

(2)制作出了山杏種質(zhì)資源庫矢量化地圖。亦即，基于控制點(diǎn)、正射影像、高程影像繪制種質(zhì)園邊界、各分區(qū)界、分組界等面目標(biāo)，繪制作業(yè)道、供水管線、供電線等線目標(biāo)，標(biāo)定種質(zhì)樹、標(biāo)樁、水罐、水栓等點(diǎn)目標(biāo)。

(3)構(gòu)架山杏種質(zhì)樹數(shù)據(jù)庫。山杏點(diǎn)層(SXD.shp)為地理幾何數(shù)據(jù)層，在山杏點(diǎn)層(SXD.shp)屬性表中建立要素屬性信息(關(guān)系數(shù)據(jù)庫)，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)分隸屬關(guān)系、空間關(guān)系、種質(zhì)樹屬性因子和種質(zhì)樹表現(xiàn)因子4個(gè)方面。隸屬關(guān)系包括功能區(qū)、組、小區(qū)、樹號(hào)，并由此組成種質(zhì)樹身份編碼；空間關(guān)系因子，種質(zhì)樹位置的空間坐標(biāo)包括經(jīng)度、緯度、種質(zhì)樹根部高程，生長(zhǎng)空間面積；種質(zhì)樹屬性因子包括種質(zhì)樹名稱、譜系號(hào)、種質(zhì)來源、繁殖方式、栽植年份、栽植方式、砧木等。種質(zhì)樹表現(xiàn)因子包括：樹體因子、枝、葉調(diào)查因子、花器官調(diào)查因子、果、核、仁調(diào)查因子、產(chǎn)核量調(diào)查因子、物候期觀測(cè)因子。由連接種質(zhì)資源位置兩鄰點(diǎn)直線的垂直平分線組成的連續(xù)多邊形組成得到樹木生長(zhǎng)空間矢量圖層，即山杏面層(SXM.shp)。

(4)建立了山杏種質(zhì)樹葉、花RGB色彩模型。通過計(jì)算種質(zhì)樹葉生長(zhǎng)期正射影像(DOM)的R、G、B這3個(gè)波段值與種質(zhì)樹葉的RGB顏色模型預(yù)測(cè)值的差平方和置信區(qū)間，提取出葉、花特征。

(5)實(shí)現(xiàn)了快速批量獲取樹木位置、樹高、樹冠投影面積等樹體因子，大幅提高了工作效率和精準(zhǔn)度，圓滿完成了各項(xiàng)研究目標(biāo)任務(wù)。

(6)編制省級(jí)地方技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，即《山杏種質(zhì)資源調(diào)查及評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(DB 21/T 2462—2015)。

3 與國(guó)內(nèi)外同類研究的比較

研究始于2016年，在歷時(shí)4年時(shí)間里“無人機(jī)航測(cè)在山杏種質(zhì)信息采集中的應(yīng)用與研究”項(xiàng)目取得系列重要進(jìn)展。楊坤等[1]采用Pix4D軟件對(duì)無人機(jī)采集的高分辨率影像進(jìn)行處理，利用大類間方差法將三維點(diǎn)云分割為樹木點(diǎn)云及樹下地面點(diǎn)云兩部分，由此提取樹木頂端高度到地面平均高度得到樹高。此方法克服了數(shù)字表面模型將會(huì)導(dǎo)致樹木部分細(xì)節(jié)丟失造成的誤差和采用單株樹木立體像對(duì)提取樹高導(dǎo)致的人為誤差，但必須是在水平林地上，局限性明顯較大。劉見禮等[2]設(shè)計(jì)了一種基于無人機(jī)影像點(diǎn)云和“單木樹冠結(jié)構(gòu)分析”的單木識(shí)別算法。該算法通過對(duì)識(shí)別的單木樹冠的垂直結(jié)構(gòu)的分析，剔除掉偽單木，從而提高單木識(shí)別的準(zhǔn)確率。利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，提出了一種基于無人機(jī)正射影像(DOM)和數(shù)字表面模型(DSM)數(shù)據(jù)的單木識(shí)別算法。該算法綜合運(yùn)用DOM和DSM的光譜和幾何信息進(jìn)行單木樹冠區(qū)域的提取，針對(duì)密集林區(qū)單木樹冠交錯(cuò)重疊的問題，實(shí)現(xiàn)樹冠相連單木的分離與識(shí)別。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)識(shí)別率依然不高。劉清旺等[3]在憑借無人機(jī)激光雷達(dá)與攝影測(cè)量能夠獲取豐富的森林空間結(jié)構(gòu)和類型信息。但存在問題是時(shí)有單木錯(cuò)識(shí)別的現(xiàn)象出現(xiàn)。

在國(guó)外，雖說目前亦有關(guān)于無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用的研究報(bào)道，但大部分研究都是把精力置于解決樹木位置和地面基準(zhǔn)問題上面，為達(dá)成目標(biāo)，有的要規(guī)避地形，有的規(guī)避樹種，有的采用反演，技術(shù)復(fù)雜多樣，但普適性和精度都不很高。

通過對(duì)同一區(qū)域、同一地形、同一種質(zhì)樹木的信息在不同時(shí)期進(jìn)行重復(fù)獲取，故信息更精準(zhǔn)、誤差更小、操作更易，可復(fù)制、可推廣性更強(qiáng)，具有可行性和必要性[4]。

4 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

“無人機(jī)航測(cè)在山杏種質(zhì)信息采集中的應(yīng)用與研究”成果，讓實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)無誤變得不再困難。粗略估算，采用本法能讓這種投資上千萬的項(xiàng)目每年至少可節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)100萬元，4年共400萬元。在信息采集方面，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)派人(研究生)抽樣調(diào)查山杏種質(zhì)樹的樹高冠幅時(shí)，需要2人為1組，調(diào)查1株種質(zhì)樹平均用時(shí)約5 min，1天(8 h)只能調(diào)查96株樹。共5組調(diào)查5天，調(diào)查種質(zhì)樹2400株，數(shù)據(jù)采集效率為6株/人·h。而改用本項(xiàng)技術(shù)采集山杏種質(zhì)資源庫88000株種質(zhì)樹的樹高和冠幅信息(全部調(diào)查)僅需要1人4天即可完成，數(shù)據(jù)采集效率為2750株/人·h，是人工采集效率的458倍，每年可節(jié)省調(diào)查采集費(fèi)用54萬元，4年共216萬元。

另外，快速選育出的林木新品種并加以推廣，它帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益是非常巨大的，有的甚至能改變區(qū)域現(xiàn)狀。在本項(xiàng)研究中，因管理能力和管理水平真正實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化，在不太長(zhǎng)的時(shí)間里，即已成功選育出具有豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)特性的“山杏1號(hào)”，迄今已在本地區(qū)推廣141.3 hm2，平均每畝年增收600余元，每年約可增加收入127萬元，4年共508萬元。

上述3項(xiàng)合計(jì)，應(yīng)用本項(xiàng)目每年可節(jié)本增效281萬元，4年共獲經(jīng)濟(jì)效益1124萬元。

4.2 社會(huì)效益

對(duì)廣大林農(nóng)來說，新品種、新技術(shù)就是致富法寶，以“山杏1號(hào)”推廣為例，平均每667 m2每年可增收600余元，廣大林農(nóng)在獲得經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)，對(duì)維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、提升民眾對(duì)林業(yè)產(chǎn)業(yè)的重視程度、促進(jìn)和諧社會(huì)發(fā)展建設(shè)，皆有重要的附加社會(huì)效益。