無人機(jī)航拍正射影像與ArcGIS分析在造林管理中的應(yīng)用

張威倫

紫金縣林業(yè)技術(shù)推廣站，廣東 紫金 517400

0 引言

2023 年，廣東省大力推動綠美廣東生態(tài)建設(shè)，重點建設(shè)林分優(yōu)化、林相提升下的森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升造林工程，森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升的關(guān)鍵就是造林管理的提質(zhì)增效。目前，廣東省主要采取人工現(xiàn)地管理調(diào)查方式進(jìn)行造林管理，這種方式依賴傳統(tǒng)等高線地形圖和衛(wèi)星遙感圖［1］。但由于生成年份較早，地形圖中的部分地形地貌與實際差別較大，已不適應(yīng)于新形勢下的造林管理工作；衛(wèi)星遙感圖存在遙感影像更新不及時、影像分辨率低，且在復(fù)雜地形、云層遮擋下存在遙感影像成像效果差等問題，尤其考量使用者的看圖功底。

利用無人機(jī)航拍進(jìn)行造林外業(yè)數(shù)據(jù)采集，具有成本低、時效性強(qiáng)、分辨率高等優(yōu)點［2］。將外業(yè)采集回來的正射影像數(shù)據(jù)通過DJI Terra 處理與ArcGIS 平臺分析，可對造林種植邊界、種植面積完成率、造林樹種符合性及造林成活率等實現(xiàn)科學(xué)分析，特別是可對復(fù)雜地形的外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，不僅讓外業(yè)管理調(diào)查工作者安全風(fēng)險大為降低，更是實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與分析的高質(zhì)高效，切實提升了造林管理成效。

此次試驗以紫金縣2023 年森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升造林工程為樣地，探究使用無人機(jī)低空遙感技術(shù)與Arc-GIS平臺開展造林管理工作的可行性和實用性。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 設(shè)備

此次試驗所使用的無人機(jī)型號為大疆DJI Mavic 3E 行業(yè)版。Mavic 3E 的機(jī)械快門最快可實現(xiàn)0.7 s 間隔連拍，配合15 m/s 的高速飛行，可大幅提升作業(yè)效率。此外，相機(jī)單像元尺寸大，在暗光環(huán)境下作業(yè)依舊能保證作業(yè)質(zhì)量，可延長單日作業(yè)時間。Mavic 3E 不僅支持實時動態(tài)（Real-Time Kinematic，RTK）厘米級定位，且相機(jī)出廠時均會進(jìn)行內(nèi)參標(biāo)定，即每張照片都會寫入準(zhǔn)確的內(nèi)參，確保數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的成果精度。

1.1.2 軟件

此次試驗所使用的軟件有大疆DJI Pilot 2、大疆DJI Terra、ArcGIS10.8。大疆DJI Pilot 2 用于無人機(jī)航線規(guī)劃，大疆DJI Terra 用于外業(yè)采集數(shù)據(jù)二維重建生成整圖，地理信息處理平臺軟件ArcGIS10.8 用于造林種植邊界、種植面積完成率、造林成活率及造林樹種符合性分析。

1.1.3 試驗樣地概況

紫金縣（東經(jīng)114°40′～115°30′、北緯23°10′～23°45′）位于廣東省東中部、河源市東南部，地形以山地、丘陵為主，其中山地、丘陵面積占全縣總面積的84.0%（其中山地占79.9%，丘陵占4.1%），河谷、盆地、水域占16.0%。紫金縣地勢東高西低，南北兩面山巒重疊、地勢較高，中部較低并向東西兩翼傾斜，形成不太對稱的馬鞍形。根據(jù)廣東省森林資源更新管理“一張圖”數(shù)據(jù)更新匯總結(jié)果，截至2021 年，紫金縣森林覆蓋率為76.71%。

紫金縣2023 年森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升造林工程設(shè)計總面積為2 402.0 hm2，包括紫城鎮(zhèn)433.7 hm2、中壩鎮(zhèn)249.7 hm2、敬梓鎮(zhèn)115.0 hm2、水墩鎮(zhèn)122.5 hm2、龍窩鎮(zhèn)192.9 hm2、瓦溪鎮(zhèn)286.7 hm2、九和鎮(zhèn)26.7 hm2、藍(lán)塘鎮(zhèn)449.5 hm2、鳳安鎮(zhèn)124.9 hm2、好義鎮(zhèn)114.2 hm2、上義鎮(zhèn)128.8 hm2、黃塘鎮(zhèn)66.7 hm2及義容鎮(zhèn)90.7 hm2。此次研究選取瓦溪鎮(zhèn)286.7 hm2的正射影像圖進(jìn)行研究分析。

1.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1.2.1 大疆DJI Pilot 2參數(shù)調(diào)校

此試驗使用的航拍軟件為大疆DJI Pilot 2。拍攝前，開啟大疆DJI Pilot 2 安全返航和避障功能（保證無人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)時出現(xiàn)意外情況能夠安全返航），航線規(guī)劃選擇相對飛行高度模式。航線高度設(shè)置根據(jù)拍攝造林地圖斑及拍攝者所站位置而定，如在圖斑山腳則根據(jù)圖斑最高海拔加高50 m 進(jìn)行拍攝，如在山頂則根據(jù)最高障礙物高度加高30 m 進(jìn)行拍攝。被攝面相對起飛點高度根據(jù)航線高度設(shè)置和被拍攝造林地的精度而定，兩者設(shè)置距離越近則精度越高，但所需時間也越長。造林地圖斑拍攝面相對起飛點高度距航線高度在90 m 以內(nèi)，可達(dá)到此次試驗精度要求。航線規(guī)劃距離根據(jù)地形情況進(jìn)行調(diào)校，在地形復(fù)雜且干擾障礙較多情況下最遠(yuǎn)直線距離不宜超過1.0 km，在地形相對簡單且干擾障礙較少情況下最遠(yuǎn)直線距離不宜超過1.5 km。重疊率是影響后期模型重建效果的關(guān)鍵因素之一，大疆DJI Pilot 2 默認(rèn)的航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，此重疊率適用于大部分地形測繪場景。如果測繪地形平坦或地勢起伏波動不大，可適當(dāng)降低大疆DJI Pilot 2 的重疊率，如設(shè)置航向重疊率為70%，旁向重疊率60%，以提高外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率。如果測繪地形復(fù)雜，起伏較大，則需提高大疆DJI Pilot 2重疊率，如設(shè)置航向重疊率為90%，旁向重疊率為90%，以保證二維重建效果。

筆者在規(guī)劃航線前，根據(jù)紫金縣2023 年森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升造林工程作業(yè)設(shè)計圖紙分析試驗地瓦溪鎮(zhèn)造林圖斑地形情況，最終選取4個相對居中的山頂進(jìn)行拍攝，以減少無人機(jī)圖傳信號干擾，縮短數(shù)據(jù)采集時間。為實現(xiàn)瓦溪鎮(zhèn)286.73 hm2造林試驗地航拍數(shù)據(jù)采集，共飛行6 個架次，飛行時間為一個架次30 min，加上路程耗時共計4 h完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。

1.2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)處理

使用大疆DJI Terra軟件對外業(yè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行二維重建生成整圖，二維重建時選取測繪場景生成，坐標(biāo)系選擇CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_38 投影坐標(biāo)，二維重建電腦最低配置為16 G 內(nèi)存、4 G 顯存（必須是計算能力在3.0 及以上的NVi5dia 顯卡）。筆者推薦的電腦配置為內(nèi)存32 G 及以上，顯卡為NVidia1050Ti 及以上。在滿足配置的情況下，電腦內(nèi)存每增加10 G 能多處理1 000 張4K 照片。電腦配置越高，重建可處理的照片數(shù)量越多，重建速度也越快，但是不同的硬件配置對生成的模型結(jié)果不會有影響。生成整圖后，利用ArcGIS 平臺構(gòu)建金字塔疊加造林圖斑矢量數(shù)據(jù)［3］，裁剪多余的圖像或者對圖像進(jìn)行糾正，最后選取1∶5 000的比例導(dǎo)出，形成試驗樣地成果圖（見圖1）。

圖1 瓦溪試驗樣地航拍影像局部

2 成果數(shù)據(jù)ArcGIS分析

圖1 試驗樣地成果紅線范圍內(nèi)作業(yè)設(shè)計面積為16.66 hm2。下面使用ArcGIS 10.8 對圖1 試驗樣地成果數(shù)據(jù)進(jìn)行造林質(zhì)量分析。

2.1 造林種植邊界分析

處理完成的圖1 試驗樣地正射影像圖疊加作業(yè)設(shè)計矢量數(shù)據(jù)，在ArcGIS 平臺中把比例設(shè)置在1∶5 000，采用目視化分析可直觀看到種植邊界是否超出作業(yè)設(shè)計范圍，以及種植邊界是否達(dá)到作業(yè)設(shè)計范圍。經(jīng)過分析，圖1 成果圖斑存在小部分實際種植邊界范圍超出作業(yè)設(shè)計范圍邊界的情況，實際種植邊界已達(dá)到作業(yè)設(shè)計邊界要求。

2.2 種植面積完成率分析

通過ArcGIS 平臺對處理過的高精度航拍影像數(shù)據(jù)放大到1∶1 000 比例，使用目視化分析和ArcGIs 平臺的測量工具箱對林地清理、穴位、苗木種植密度進(jìn)行觀測計算，根據(jù)作業(yè)設(shè)計要求和成果圖像進(jìn)行合格性分析；用ArcGIs 平臺矢量數(shù)據(jù)編輯器中的裁剪面分割工具，劃分合格地塊和不合格地塊，對劃分區(qū)域圖斑在ArcGIS 平臺屬性表中添加字符串字段進(jìn)行標(biāo)記，把劃分出的合格地塊面積跟作業(yè)設(shè)計面積相比較，即可得出小班的種植面積完成率［4］。經(jīng)過計算，圖1 成果圖斑紅線范圍內(nèi)的林地清理寬度約為1.3 m，穴位長度約45 cm，穴位寬度約42 cm，均達(dá)到作業(yè)設(shè)計要求，得出合格地塊面積為16.66 hm2，作業(yè)設(shè)計面積為16.66 hm2，種植面積完成率為100%。

2.3 造林成活率分析

通過ArcGIS 平臺對處理過的高精度航拍影像數(shù)據(jù)放大到1∶100 比例，創(chuàng)建一個Shapefile 線矢量和一個Shapefile 點矢量，在試驗樣地成果圖斑邊界內(nèi)使用線矢量構(gòu)造3 個半徑為6.51 m 的圓形樣地，使用點矢量對圓形樣地內(nèi)種植的苗木進(jìn)行打點標(biāo)記，統(tǒng)計標(biāo)記的苗木株（穴）數(shù)和成活株數(shù)（見圖2）。經(jīng)統(tǒng)計，圓形樣地1種植株數(shù)為13株，成活株樹為12株；圓形樣地2種植株數(shù)為12 株，成活株樹為12 株；圓形樣地3 種植株數(shù)為11株，成活株樹為11株。根據(jù)《造林技術(shù)規(guī)程》（GB/T 15776—2023）內(nèi)的成活率公式［即成活株（穴）數(shù)與設(shè)計株數(shù)的百分比］，把公式嵌入到ArcGIS 字符計算器中，即可計算得到3 個圓形樣地的苗木成活率、綜合成活率。經(jīng)過計算，3 個圓形樣地綜合平均成活株數(shù)為11.66株，作業(yè)設(shè)計株數(shù)為11.20株，得出綜合平均成活率為100%，符合作業(yè)設(shè)計要求。

圖2 局部圓形樣地苗木

2.4 造林樹種符合性分析

利用ArcGIS平臺對處理過的高精度航拍影像數(shù)據(jù)放大到1∶50 比例，使用目視化分析對造林成活率分析的3 個試驗圓形樣地進(jìn)行打點統(tǒng)計種植樹種名稱及數(shù)量［5］，統(tǒng)計結(jié)果為紅錐（Castanopsis hystrix Hook. f. &Thomson ex A. D）13 株、火力楠（Michelia macclurei Dandy）9 株、木荷（Schima superba Gardner& Champ.）8 株、黑木相思（Acacia melanoxylon R.Br.）5 株，合計35株。3個試驗圓形樣地內(nèi)種植的珍貴樹種紅錐（13株）占樣地內(nèi)種植樹木總數(shù)的37.14%，達(dá)到作業(yè)設(shè)計中珍貴樹種占比須在30%以上的要求；種植樹種分布為4個樹種隨機(jī)株間混交，同樣符合作業(yè)設(shè)計要求。

3 結(jié)果與討論

3.1 管理效率提升

假定車輛、計算機(jī)等設(shè)備不受限制，對采用傳統(tǒng)造林管理調(diào)查方式和無人機(jī)航拍正射影像與ArcGIS分析進(jìn)行效率比較，完成瓦溪鎮(zhèn)286.73 hm2試驗造林地外業(yè)數(shù)據(jù)采集及造林種植邊界分析、種植面積完成率分析、造林成活率分析。測算結(jié)果表明，采用無人機(jī)航拍正射影像與ArcGIS分析調(diào)查方法所用工時僅約6 h，而采用傳統(tǒng)造林管理調(diào)查方法所用工時約103 h，對比提升效率約17 倍；并且因生成后的成果圖附帶了坐標(biāo)位置，還可節(jié)約后續(xù)檔案管理和造林綠化落地上圖時間。

3.2 管理質(zhì)量提升

采用傳統(tǒng)造林管理調(diào)查方法進(jìn)行造林邊界勘查，存在調(diào)查人員安全問題、面對復(fù)雜地形困難系數(shù)飆升導(dǎo)致調(diào)查時間大為增加、調(diào)查難以全方位覆蓋調(diào)查圖斑等難題。采用無人機(jī)航拍正射影像與ArcGIS 分析調(diào)查方法，調(diào)查人員的安全性得到了較大提升，也適應(yīng)復(fù)雜地形的調(diào)查，更是能對調(diào)查圖斑全方位無死角覆蓋，可極大減少施工方的偷工減料，從而切實提升造林工程質(zhì)量。

3.3 可行性和實用性分析

使用無人機(jī)航拍正射影像與ArcGIS分析調(diào)查方法進(jìn)行造林質(zhì)量管理的主要成本為一次性購買設(shè)備，成本約為5萬元，具有使用成本低、操作相對簡單、外業(yè)數(shù)據(jù)采集快、風(fēng)險性低、實用性強(qiáng)等應(yīng)用優(yōu)勢。無人機(jī)具備機(jī)動、靈活等特點，可快速到達(dá)作業(yè)區(qū)域，受地形、天氣等環(huán)境影響較小，可實時獲取造林圖斑高分辨率的正射影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用其進(jìn)行造林管理可有效減少管理者的外業(yè)工作時間，降低其勞動強(qiáng)度，具有良好的實用性，同時適應(yīng)于新形勢下的造林管理調(diào)查工作。

3.4 使用方向拓展

此次試驗研究了無人機(jī)航拍正射影像與ArcGIS分析在造林種植邊界、造林種植面積完成率、造林成活率及造林樹種符合性等分析中的應(yīng)用，該技術(shù)可延伸拓展至造林穴位規(guī)格分析、造林施肥量分析等，也可應(yīng)用于撫育邊界分析、撫育松土擴(kuò)土規(guī)格分析、撫育保存率分析等。該技術(shù)還可以拓展應(yīng)用于造林地塊三維重建分析，形成更直觀的造林成效展示。