無人機航空攝影技術在林區(qū)測繪中的應用研究

冉 勇

甘肅洮河國家級自然保護區(qū)管護中心林業(yè)調查規(guī)劃隊，甘肅 卓尼 747600

0 引言

林區(qū)測繪工作是推動林業(yè)建設發(fā)展的基礎［1］。無人機航空攝影技術具有使用成本低、高分辨率數(shù)據采集、機動靈活等特點，是可滿足林區(qū)測繪工作要求的先進技術之一。與傳統(tǒng)林區(qū)測繪方法相比，無人機航空攝影技術不僅能有效提高林區(qū)測繪工作效率和水平，還能大大減少工作量，節(jié)約大量的人力和物力。因此，將無人機航空攝影技術應用于林區(qū)測繪具有重要的現(xiàn)實意義［2］。基于此，筆者對無人機航空攝影技術在林區(qū)測繪工作中的主要應用方法進行介紹，并利用無人機航空攝影技術進行實地測繪實踐，以期為無人機航空攝影技術在林區(qū)測繪工作中的應用提供參考。

1 無人機航空攝影技術概述

在當前的林區(qū)測繪工作中，工作人員常采用無人機航空攝影技術，同時以ArcGIS和密集點云成像技術輔助處理無人機航攝采集的影像數(shù)據。ArcGIS 是一種地理信息系統(tǒng)，可在計算機軟硬件支持下對有關地理信息數(shù)據進行采集、儲存、管理、運算、分析及顯示。工作人員可利用此系統(tǒng)處理影像數(shù)據，用于觀察、監(jiān)測調查區(qū)域內林業(yè)資源的變化范圍和趨勢，以達到全面準確掌握林區(qū)基本情況的目的。

無人機航空攝影技術的優(yōu)勢在于可利用無人機等設備在監(jiān)測區(qū)域獲得高分辨率的影像數(shù)據，可獲得覆蓋全區(qū)域的詳細林業(yè)地塊信息，同時可利用軟件將圖像識別技術和ArcGIS相結合，將各個地物所在影像拼接成圖，從而為森林資源的監(jiān)管提供有效輔助。在利用無人機進行飛行測繪時，有時會出現(xiàn)體積較大的地物覆蓋體積較小地物的情況。此時，工作人員可利用無人機航空攝影技術對此類地物進行多角度航測，再分析計算該坐標下地物的覆蓋面積和角度，以獲取同一方位地物全面的數(shù)據信息，起到糾正地物數(shù)據信息偏差的作用。

2 無人機航空攝影技術在林區(qū)測繪中的應用方式

無人機航空攝影技術應用于林區(qū)測繪的關鍵點有3 個。第一，工作人員需要根據調查規(guī)劃的要求設計合理的無人機飛行航線，以此保證無人機航空攝影所采集的圖像信息準確無誤；第二，工作人員利用Arc‐GIS 對無人機飛行過程中拍攝的高分辨率影像數(shù)據進行處理；第三，工作人員對處理過的影像數(shù)據利用密集點云成像自動提取技術提取出監(jiān)測區(qū)域內植被變化范圍，參照以往同地域數(shù)據對比出變化趨勢并形成分析報告［3］。

2.1 規(guī)劃無人機調查航線

無人機航線設計的合理性對于獲取影像數(shù)據的質量具有直接影響［4］。為解決無人機航空攝影時出現(xiàn)林區(qū)影像不完整問題，筆者采用無人機航行曲線覆蓋方法，實現(xiàn)航攝區(qū)域為多邊形的精準化航線設計。通過此方法，無人機可無視監(jiān)測地形的高度差，按照一定高程進行飛行拍攝（根據航線拍攝的照片會存在一定重合度），從而實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域影像數(shù)據無遺漏采集。為確保無人機在飛行過程中采集的影像數(shù)據達到要求，工作人員需要在飛行前分析設計相片分辨率、影像比例尺及相片重疊度，并提前預設飛行航高、航帶間距及拍攝時間等參數(shù)。工作人員應根據監(jiān)測區(qū)域的地形特點選擇無人機搭載的相機類型。為獲取要素全面的數(shù)據，通常選用1∶500 高精度比例尺。在確定像元大小后，設定的飛行航高H計算公式為

式（1）中：H為無人機飛行航高，f為無人機攜帶相機的攝像頭焦距，b為像元尺寸，R為拍攝地面分辨率。無人機在飛行過程中，機身搭載的GPS 定位系統(tǒng)會記錄飛行實際位置，但由于存在天線信號干擾、風速及機體震動等外界因素影響，會使飛行航線存在較大誤差，導致拍攝影像覆蓋內容脫離預設區(qū)域。因此，為保證無人機影像拍攝準確，筆者對航線設置旁向重疊（見圖1）。

圖1 影像重疊度示意圖

相鄰的兩條航帶中，航向重疊度設置為65%，旁向重疊度設置為35%。相對于傳統(tǒng)航線設計方法而言，在天氣晴朗、風力較小的環(huán)境條件下，采用該航線設計方法可獲取精度更高的航攝相片，對林區(qū)測繪具有顯著的應用價值。無人機飛行時會受到電池和負載能力的限制，若航線出現(xiàn)偏差，不僅會導致無人機無法在限制的時間內完成飛行任務，而且會采集大量沒有參考價值的航攝影像。例如，以往在無人機飛行拍攝期間，飛機在航線出現(xiàn)轉點時會停止拍攝并進行轉彎，這個過程會占用無人機能源和時間，造成浪費［5］。因此，盡量減少無人機飛行航線轉彎次數(shù)是提高工作效率的重點之一。對于一些形狀不規(guī)則的監(jiān)測區(qū)域，工作人員可設計以內部最小寬度對應的平行線作為無人機飛行方向進行航攝工作，將轉彎次數(shù)減至最少。為保證無人機進行航攝任務的區(qū)域在影像采集上達到足夠的重疊度，飛行的起始航線與航攝區(qū)域邊緣應保持一個航帶間距的寬度；為保證航攝區(qū)域邊線不超出結束航線飛行區(qū)域范圍，預設結束航線與任務區(qū)域邊線距離應至少大于50 m。相關工作人員可通過以上設計完成無人機調查航線的規(guī)劃。

2.2 無人機調查影像數(shù)據預處理

無人機飛行航線確定后，工作人員通過無人機航攝技術對監(jiān)測區(qū)域進行數(shù)據采集，再用ArcGIS對無人機采集的相片數(shù)據進行預處理。ArcGIS 可通過前期布設的無人機飛行區(qū)域控制點進行像控點聯(lián)測，并將采集的影像數(shù)據進行初步人工審核篩選，對無人機航空拍攝的相片進行規(guī)劃整理。其作用是可以將監(jiān)測區(qū)域的地理位置和相關的各項數(shù)據信息進行整合，并與其他技術進行結合，建立對應的地質區(qū)域數(shù)據信息庫，為查詢規(guī)劃提供便捷

2.3 無人機調查影像數(shù)據處理

得到預處理完成的相片數(shù)據后，工作人員先采用密集點云成像技術對相片進行影像畸變矯正；之后利用PS軟件對矯正后的相片進行單影像制作，對影像照片根據信息坐標進行拼接處理，整合監(jiān)測區(qū)域整體影像的完整影像圖，再對監(jiān)測區(qū)域的完整影像圖進行校正和幾何糾正，避免因區(qū)域地形起伏造成影像內相同地物相對位置出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象；最后對監(jiān)測區(qū)域的影像圖進行畫面修飾、地物鑲嵌等處理，減少不同相片因光線角度不同在拼接時產生的色差。

影像圖生成后，工作人員通過計算機圖像自動解譯和影像處理軟件DACRS 識別正射影像中的變化范圍，參照以往相同區(qū)域的林區(qū)狀況，對比標記出明顯變化區(qū)域。之后，工作人員再利用ArcGIS的空間分析功能獲取監(jiān)測區(qū)域范圍內的林木、沼澤、水域、草地等自然資源基礎數(shù)據，并對所有數(shù)據建立坐標，通過投影形成一個完整的自然資源林區(qū)信息數(shù)據庫。

工作人員將通過計算提取出的變化范圍數(shù)據與自然資源基礎數(shù)據進行空間覆蓋對比，使用不同色塊重疊分析相同地理區(qū)域自然資源類型的變化面積，將產生的成果數(shù)據進行整理形成最終的成果報告，主要以出現(xiàn)變化坐標數(shù)據、自然資源類型覆蓋面積增減的分析統(tǒng)計表及從監(jiān)測區(qū)域采集的高分辨率航空攝影數(shù)據作為最終監(jiān)測成果，統(tǒng)計監(jiān)測區(qū)域植被覆蓋率，分析林業(yè)資源變化情況；將分析后的結果在影像圖上進行標注，從而使監(jiān)測分析結果更直觀展示，最終將整理好的成果提交給相關部門工作人員，為林業(yè)資源保護與管理提供有效參考。

3 無人機航空攝影技術在林區(qū)測繪中的實際應用

3.1 試驗準備

試驗于2023 年2 月10 日進行。筆者在洮河國家級自然保護區(qū)選擇一林區(qū)地塊作為試驗區(qū)域，進行無人機航空攝影技術在林區(qū)測繪中的應用試驗。試驗區(qū)域為長方形，面積約為2 700 m2。為盡量降低環(huán)境因素對無人機飛行的影響，試驗于當天10:30 進行，試驗期間風力2 級，試驗區(qū)域無高聳障礙物。無人機型號為大疆Maic2 專業(yè)版，搭載高分辨率攝像頭、GPS 定位系統(tǒng)、飛行自主控制系統(tǒng)等，可在降低飛行控制難度的同時獲取高清影像數(shù)據。根據試驗區(qū)域地形環(huán)境，筆者設定無人機航行高度為70 m，于試驗區(qū)域上方循環(huán)飛行5次，采集60張航片，分兩個航帶。

3.2 實時航測情況

經過對應數(shù)據記錄采集，無人機實時航測結情況如表1所示。

表1 航測信息展示表

由表1 可知，在5 次實時航測中，無人機拍攝影像的準確率最高為99.2%，最低為97.8%，可見通過無人機航攝技術可準確獲取試驗區(qū)域的地物信息；采集影像時間最長為31 ms，最短28 為ms，可見無人機航攝技術能滿足在極短時間內獲取對應影像資料，與后續(xù)拍攝影像工作可緊密銜接；無人機航測一次飛行時間最長為35 min，最短為28 min，表明無人機可在較短時間內對大面積監(jiān)測區(qū)域完成數(shù)據采集工作，可大幅度減少傳統(tǒng)測繪方式所需的人力、物力；每張相片的重疊率最高為40%，最低為35%，滿足相片旁向重疊率的需求，即利用無人機航測不存在對監(jiān)測區(qū)域信息采集的遺漏問題，通過所有相片的拼接可形成完整的監(jiān)測區(qū)域影像圖。

3.3 試驗區(qū)域測繪結果

筆者利用無人機航空攝影技術對試驗區(qū)域信息采集完成后，利用軟件對影像資料進行整合處理，通過點位坐標計算得出試驗區(qū)域測繪結果（見表2）。

表2 試驗區(qū)域測繪結果

如表2 所示，5 次測繪結果中，試驗區(qū)域周長最長為2 166 m，最短為2 097 m，誤差為69 m；試驗區(qū)域面積最大為2 670.5 m2，最小為2 657.9 m2，誤差為12.6 m2；平均樹高最高為4.65 m，最低為4.18 m，誤差為0.47 m；林區(qū)占比最高為81%，最低為73%，誤差為8%。試驗區(qū)域周長、面積、平均樹高、林區(qū)占比的誤差均在理想范圍內，證明無人機航空攝影技術在林區(qū)測繪工作中可以起到顯著的輔助作用。

4 結語

現(xiàn)代化科學技術的飛速發(fā)展為林業(yè)建設提供了種種便利。將無人機航空攝影技術科學地應用到林區(qū)測繪工作中，有助于提升林區(qū)調查、設計規(guī)劃和林業(yè)管理效率。相關部門應提高重視程度，積極合理地將無人機航空攝影技術應用于林區(qū)測繪工作，促進林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。