無人機(jī)在林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

摘 要：在林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用無人機(jī)，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)定點(diǎn)飛行拍攝，有助于完成森林資源調(diào)查任務(wù)，更能幫助管理者全面掌握各類植物覆蓋因子，為后續(xù)營造林管理和森林資源保護(hù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。基于此，從數(shù)據(jù)收集與測繪、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)驗(yàn)證等方面總結(jié)林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)工作中無人機(jī)的應(yīng)用方法，并分析提出進(jìn)一步提高無人機(jī)在夜間和惡劣天氣條件下的應(yīng)用精準(zhǔn)性等應(yīng)用發(fā)展趨勢，以促進(jìn)智慧林業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)；森林資源保護(hù)；森林郁閉度

中圖分類號：S712；S758 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-7909（2023）02-138-3

0 引言

無人機(jī)在我國的應(yīng)用起步較晚。2014年之前，無人機(jī)多應(yīng)用于軍事領(lǐng)域；2016年后，無人機(jī)在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛。搜狐網(wǎng)公開資料顯示，2020年無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)林植保中的應(yīng)用率高達(dá)42%，可有效提高林業(yè)資源調(diào)查、地面巡視、森林病蟲害監(jiān)測、火災(zāi)監(jiān)測等作業(yè)效率?；诖耍P者以廣西壯族自治區(qū)國有大桂山林場為例，分析無人機(jī)在林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)工作中的具體應(yīng)用方法及發(fā)展趨勢，旨在創(chuàng)新林業(yè)生產(chǎn)方式，最大限度地發(fā)揮無人機(jī)在林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

1 林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)內(nèi)容

林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)是林業(yè)工作的重中之重［1］。林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)工作包括相關(guān)技術(shù)人員到現(xiàn)場查看林木生長狀況，判定當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，對森林進(jìn)行分類區(qū)劃界定，對野生動植物資源進(jìn)行調(diào)查與監(jiān)測評價，編制占用征收林地可行性研究報告，編制林業(yè)數(shù)表等。做好林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)工作可以將林業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容具體化、規(guī)范化，使管理者可以總體把握林業(yè)資源狀況，科學(xué)調(diào)整林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，尤其在二類調(diào)查和三類調(diào)查中，可以更全面地掌握各類植物覆蓋因子，為后續(xù)營造林管理和森林資源保護(hù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 無人機(jī)應(yīng)用于林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)工作的優(yōu)勢

林業(yè)人員在開展林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)工作時，多利用衛(wèi)星遙感系統(tǒng)監(jiān)測森林生長情況，但受分辨率限制，無法獲得某一區(qū)域高清影像。此時，無人機(jī)就成為衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的補(bǔ)充。無人機(jī)通常機(jī)型較小，且可通過無線通信技術(shù)傳遞信息。與人工駕駛小型飛機(jī)相比，無人機(jī)機(jī)動性更強(qiáng)，操作簡單，經(jīng)濟(jì)成本低；與衛(wèi)星遙感系統(tǒng)相比，無人機(jī)拍攝圖像更高清，定位更準(zhǔn)確。即使林場內(nèi)部地形地貌復(fù)雜多變，采用新興低空遙感技術(shù)+無人機(jī)技術(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)定點(diǎn)飛行拍攝，最終完成森林資源調(diào)查任務(wù)，最大限度地提升森林資源調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)效率。加之林場內(nèi)部森林資源調(diào)查周期要求較短，應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)可有效保證森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)的實(shí)效性［2］。此外，無人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)后可在定點(diǎn)地區(qū)完成傾斜成像與垂直成像，滿足森林資源調(diào)查與監(jiān)測工作要求，為林分調(diào)查因子測量、林業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)工作中無人機(jī)應(yīng)用方法

筆者以廣西壯族自治區(qū)國有大桂山林場為例，總結(jié)無人機(jī)在林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用方法。截至2021年12月底，該林場經(jīng)營總面積7.9萬hm2，森林覆蓋率高達(dá)91.2%，主要經(jīng)營商品木材林，同時兼顧林下種養(yǎng)、花卉苗木繁育、林產(chǎn)品貿(mào)易等多項(xiàng)業(yè)務(wù)，活立木總蓄積量超過630萬m3。在生態(tài)文明發(fā)展理念下，該林場深入貫徹習(xí)近平總書記的“兩山論”，以林場高質(zhì)量發(fā)展為主線，重點(diǎn)部署生態(tài)保護(hù)修復(fù)、林業(yè)科技創(chuàng)新等工作任務(wù)，以此不斷開創(chuàng)林場高質(zhì)量發(fā)展新格局。其中，無人機(jī)應(yīng)用就作為一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，在林場森林資源調(diào)查、林業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)中起到重要作用?；诖?，筆者以國有大桂山林場森林郁閉度調(diào)查為例，總結(jié)無人機(jī)在其中的應(yīng)用方法。

3.1 數(shù)據(jù)收集與測繪

郁閉度是指樹冠在陽光直射下冠幅與林分總面積之比，是反映森林結(jié)構(gòu)和生長環(huán)境的重要因子，可反映地表植物生長狀況。開展郁閉度調(diào)查可估測林木生活空間利用程度，對今后營林規(guī)劃、造林任務(wù)安排、森林資源經(jīng)營管理等工作具有重要指導(dǎo)作用。在應(yīng)用無人機(jī)開展森林郁閉度調(diào)查過程中，林業(yè)人員首先應(yīng)收集數(shù)據(jù)。廣西壯族自治區(qū)國有大桂山林場土壤以紅壤、砂壤、黃紅壤為主，林木以桉樹、松樹、樟樹為主，地面植被分布不均，多數(shù)地塊地勢平坦。筆者選擇70 m×50 m的地塊作為樣地，利用Altizure規(guī)劃拍攝間隔、拍攝速度、拍攝高度、飛行路徑等參數(shù)，使用大疆悟Inspire無人機(jī)，以30 m和40 m為拍攝高度進(jìn)行上空拍攝；設(shè)置IOS速度為IOS-100，曝光時間為1/160 s，光圈值f/3.5；設(shè)定拍攝間隔為5 m和2 m。拍攝時，無人機(jī)數(shù)碼相機(jī)鏡頭垂直向下，不同距離拍攝4組圖像；無人機(jī)共飛行4次，每次拍完照片制作成正射影像圖。傾斜部分使用替換方法糾正，圖像變花時利用手動鑲嵌方式糾正，之后篩選出理想圖像。筆者通過多次拍攝得出樣地照片，供后續(xù)處理。在航拍測繪中，由于很多區(qū)域地形地勢非常復(fù)雜，無法全方位進(jìn)行勘測，此時無人機(jī)航拍測繪就能派上用場。無人機(jī)航拍測繪能減少地面測繪的限制和盲點(diǎn)，提升測繪的效率和精度，并且能夠大幅減少測繪人員的工作量。其中，航線設(shè)計(jì)是制作高質(zhì)量影像圖的關(guān)鍵，也是航拍測繪必學(xué)技術(shù)之一。林業(yè)人員首先可以參照奧維互動地圖、谷歌衛(wèi)星、外業(yè)精靈等影像軟件，在DJI Pilot中規(guī)劃航線。林業(yè)人員需要根據(jù)測區(qū)的地形地貌設(shè)計(jì)航線，為正影像圖的制作提供足夠的重疊率。在實(shí)際作業(yè)中，重疊度一般設(shè)定為航向80%、旁向70%，但可以根據(jù)不同環(huán)境下的實(shí)際情況，適當(dāng)增大或減小。同時，林業(yè)人員需要綜合考慮各方面因素設(shè)計(jì)無人機(jī)航線，如天氣、航線高度、航線速度等，以保障飛行安全和獲取影像滿足要求。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 影像合成。利用Agisoft PhotoScan Professional（64bit）合成無人機(jī)航行中正攝所拍得的照片，具體分割步驟：①在工作流程中添加照片或添加文件夾；②在航拍正攝照片添加完畢后，將雜亂無序的照片對齊；③生成網(wǎng)格，形成地形影像；④將其保存后選擇Build Orthomosaic，產(chǎn)生地域坐標(biāo)；⑤最后導(dǎo)出Export Orthomosaic JPEG/TIFF/PNG/BMP格式，即可獲得在ArcMap10.2.2軟件上測繪面積的影像圖。

3.2.2 樹冠分割。依據(jù)Altizure顯示實(shí)際面積，在制作好的正射影像圖中利用分水嶺算法分割樹冠，實(shí)際面積為（50×70）m2，具體分割步驟：①為得到初步處理圖像，應(yīng)去掉原圖像噪點(diǎn)，減少干擾，將原始圖像灰度化后得到正射影像圖；②判斷灰度直方圖是否有雙峰；③計(jì)算梯度圖像；④對分水嶺變換取出相鄰區(qū)域，將該背景作為背景標(biāo)記，對前景區(qū)域極大值做出前景標(biāo)記；⑤對分割后圖像在連通區(qū)域合并。

3.2.3 分水嶺算法應(yīng)用。在分水嶺算法中，將每一個局部極小值稱為集水盆（包括極小值影響區(qū)域），以模擬浸水現(xiàn)象為具體算法過程；在兩個集水盆匯合處形成分水嶺，每一個極小值向外擴(kuò)展，將圖像低海拔匯水盆地分離，每一點(diǎn)像素灰度值表示該點(diǎn)海拔，最終呈現(xiàn)分割效果。

3.2.4 結(jié)果提取。降噪處理之后，以待處理像素為中心，尋求像素值與最接近鄰點(diǎn)（K個鄰點(diǎn)）。將K個像素灰度均值替換掉原來像素值，避免邊界平滑處理，以方便后續(xù)分水嶺變換。該種方法在抑制噪聲的同時，可降低圖像邊緣的模糊感。對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行梯度幅值計(jì)算，沿物體邊緣較高像素值區(qū)分圖像邊界，通過橫向和縱向矩陣，得出亮度差分近似值，利用閾值法進(jìn)行初步分割。若灰度直方圖有雙峰，選取閾值時雙峰對應(yīng)前景和背景像素極大值，否則采用迭代法計(jì)算閾值，初始閾值可隨機(jī)生成。然后根據(jù)G1（背景灰度數(shù)據(jù)）、G2（前景灰度數(shù)據(jù)）測算新的閾值，公式為［m1（G1均值）+m2（G2均值）］/2［3］。背景像素用黑色代替，前景像素用原始灰度值代替。由于樹冠灰度值比地面其他物體更高（灰度值越大，物體顏色越明亮），因此可利用樹冠局部最大值提取作為標(biāo)記符。為避免提取時出現(xiàn)嚴(yán)重誤差，林業(yè)人員應(yīng)對陰影、空隙、樹冠內(nèi)暗斑、噪聲等部分進(jìn)行平滑處理，去除非樹冠亮細(xì)節(jié)噪點(diǎn)，保留輪廓信息，將黑白圖像膨脹部分移植到灰度圖像上。工作人員再將得到的內(nèi)部標(biāo)記符和外部標(biāo)記符進(jìn)行梯度圖像改進(jìn)，剔除不相干極小值點(diǎn)，避開原先噪聲極小值區(qū)域，以有效提高標(biāo)記結(jié)果精準(zhǔn)性，對極值區(qū)域精準(zhǔn)分割，以免在樹冠分割時連帶地面部分，從而縮小結(jié)果偏差。

3.3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

在此次測量中，將無人機(jī)測量的森林郁閉度與實(shí)際測定結(jié)果相對比，差異如表1所示。

由表1可知，利用無人機(jī)測量森林郁閉度的誤差集中在2%以下。無人機(jī)在上空拍攝時，樹木高度會造成誤差。技術(shù)人員要想將上層樹冠拍攝得更為清楚，必須清除樹冠直接遮擋部位和陰影部位，否則會直接當(dāng)作背景處理，圖層也會被認(rèn)為是地塊；疏林地部分林木分布不均，導(dǎo)致實(shí)際測量值偏大或偏小，加之地面植生長旺盛，前景、背景分割難度加大，上層樹冠易遮擋植被，因此產(chǎn)生誤差。此外，無人機(jī)拍攝時，要想確保照片光線均勻，最好避免陽光直射，但由于現(xiàn)實(shí)因素影響，拍攝天氣選擇具有局限性。但是，常規(guī)情況下，用無人機(jī)測量森林郁閉度的誤差較小，與其他測量方式相比精準(zhǔn)度較高，可以為后續(xù)營林規(guī)劃、造林管理、資源調(diào)查、林業(yè)設(shè)計(jì)等工作提供數(shù)據(jù)支撐，應(yīng)用效果良好。

3.4 注意事項(xiàng)

“十三五”以來，無人機(jī)在廣西壯族自治區(qū)國有大桂山林場林業(yè)資源調(diào)查、林業(yè)資源規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用越來越普遍。但在使用過程中，林業(yè)人員要想提高工作效率，提升調(diào)查精度，還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)。

林業(yè)人員應(yīng)合理選擇起飛點(diǎn)和作業(yè)高度［4］。通常情況下，工作人員應(yīng)在無人機(jī)飛行之前確定最高山峰和起飛點(diǎn)之間的高度差，盡量選擇山頂（最好不超過500 m）、山脊等位置，避免信號微弱、撞機(jī)等問題發(fā)生。如果作業(yè)位置過高，可能導(dǎo)致重疊率不高，后期出現(xiàn)合成圖缺角問題。此時，林業(yè)人員應(yīng)調(diào)低重疊率，節(jié)省飛行時間，在較高位置進(jìn)行補(bǔ)飛；在任務(wù)完成后，手動進(jìn)行飛行拍照，增加重疊率，確保合成圖完整。無法確定規(guī)劃范圍時，林業(yè)人員可參考航線寬度對作業(yè)區(qū)域進(jìn)行拍照。通常情況下，作業(yè)范圍與飛行高度成正比，即飛行高度越高，作業(yè)范圍設(shè)置越大。

4 林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)工作中無人應(yīng)用機(jī)發(fā)展方向

當(dāng)前，無人機(jī)已被廣泛應(yīng)用于森林病蟲害監(jiān)測與防控、森林火災(zāi)預(yù)警、野生動植物監(jiān)測等工作。該技術(shù)的應(yīng)用可幫助調(diào)查人員對無法到達(dá)或艱難到達(dá)的地方進(jìn)行勘探與調(diào)查，實(shí)現(xiàn)森林圖斑精確核查，為森林資源二類調(diào)查設(shè)計(jì)等工作提供數(shù)據(jù)支撐。但就目前無人機(jī)技術(shù)在林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)中的應(yīng)用來看，無人機(jī)難以全方位、全天候滿足實(shí)際工作需要［5］。因此，相關(guān)部門和技術(shù)研究人員應(yīng)該著重研究并擴(kuò)大無人機(jī)應(yīng)用范圍，尤其在夜晚、降雨環(huán)境下，避免無人機(jī)拍攝受不良環(huán)境影響，提高目標(biāo)定位準(zhǔn)確性；應(yīng)不斷創(chuàng)新研究圖像匹配算法，以保證無人機(jī)在惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)航拍，滿足實(shí)際工作需求。

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5 結(jié)語

筆者主要以廣西壯族自治區(qū)國有大桂山林場為例，分析當(dāng)前無人機(jī)技術(shù)在森林資源郁閉度調(diào)查中的應(yīng)用方法和應(yīng)用效果。無人機(jī)在森林資源調(diào)查和監(jiān)測中，拍攝圖像更高清，定位更準(zhǔn)確，應(yīng)用效果更好。同時，筆者提出無人機(jī)技術(shù)在未來林業(yè)建設(shè)中的改善方向，以期對相關(guān)從業(yè)人員提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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