良种基地精准定位研究──以老秃顶子自然保护区为例

刘德栋，赵 静，梁国儒，王福玉，雷庆锋，武 晶

（1.辽宁老秃顶子国家级自然保护区管理局，辽宁 桓仁 117200；2.辽宁林业职业技术学院，辽宁 沈阳 110101；3.铁岭市林业科学研究院，辽宁 铁岭 112000）

良种基地精准定位研究──以老秃顶子自然保护区为例

刘德栋1，赵 静2，梁国儒3，王福玉2，雷庆锋2，武 晶2

（1.辽宁老秃顶子国家级自然保护区管理局，辽宁 桓仁 117200；2.辽宁林业职业技术学院，辽宁 沈阳 110101；3.铁岭市林业科学研究院，辽宁 铁岭 112000）

针对传统的良种基地管理存在数据更新困难、数据缺乏空间分布信息、实时性差等问题，以辽宁省老秃顶子国家级自然保护区的红松及日本落叶松良种基地为研究对象，对中低郁闭度林分区利用克里金插值法进行树顶点提取，其余区域利用无人机及GPS技术定位法相结合进行精准定位，并采用线性比较法和分布式比较法进行精度评定，得出定位精度达到1 m以内。为良种基地管理提供新的技术方法。

良种基地；精准定位；无人机

林木良种建设是林业发展、建设的基础性工作，良种是林业发展的关键[1]。随着以GIS为支撑、以RS和GPS为支持的空间信息新技术的快速发展，为良种基地的管理与可持续利用提供更先进的技术手段[2]。

1 研究区概况

辽宁省老秃顶子国家级自然保护区地处于辽宁省东部的抚顺市新宾满族自治县与本溪市桓仁县的相交处，地理位置：124°41'13"～125°0 5'15"E，41°11'11"～41°21'34"N，面积为15 217.3 km2，境内最高的山峰老秃顶子海拔1 367 m，相对高度为858 m[3]。

保护区的良种基地管理中存在数据更新及管理困难、缺乏数字化、信息化管理，表现为自然保护区的现有图纸和良种基地实际情况严重不符；个别地区图纸丢失，造成良种的母本、父本无法追溯，无法建立良种档案；资料过于陈旧，外业调查时，人为错误或者遗漏时常发生，给良种基地的经营带来困难。

2 研究内容与方法

采用室内判读与野外调研相结合、无人机技术与林业管理技术相结合的方法，收集整理研究区的基础资料（种子园疏伐设计图、种子园配置图），结合无人机遥感技术（RS）、地理信息系统技术（GIS）和全球卫星定位技术（GPS），利用Smart 3D capture和Pix 4D Mapper软件对数据进行处理，生成成果和数据报告，对老秃顶子自然保护区良种基地进行精确定位及精度评定。

2.1 资料收集及数据处理

2.1.1 资料收集

收集材料：种子园树木栽植位置示意图、日本落叶松1.5代种子园配置图、苗家沟及小南岔红松、落叶松种子园分布图。

无人机影像采集范围：拍摄主要有两块区域，地理位置为：124°54′15.2″～124°56′12.48″E，41°24′22.51″～41°25′18.47″N；124°54′40.33″～124° 54′48.24″E，41°25′50.63″～41°25′57″N，面积约40.7 hm2。

2.1.2 无人机数据预处理

使用Smart 3D capture和Pix 4D mapper对无人机数据进行处理。

①导入照片；②为照片添加位置、IMU信息和相控点；③设置网平差，空三处理，DSM处理；④开始进行数据处理生成模型、成果、数据报告和数据精度报告。

2.1.3 良种基地数据处理

①根据各区域树木标号，是否分区域、家系号（行号）制定唯一编号规则。②核对点图、纸质图、调查Excel及遥感影像，使4项数据唯一对应，并对Excel及点图中数据进行唯一编号，使之一一对应。③在核对过程中，根据位置图、点图、遥感影像和Excel中调查的顺序，将Excel或调查点中树号录入错误的进行纠正，将纸质图中死树划错位置的纠正处理。④将林种定位信号问题、人为看错树号落点问题等客观误差和人为错误导致的点位偏差，参照影像及纸质位置图，将其移动到准确位置。

2.2 良种基地精准定位

调查发现，良种基地林区上方易遮挡，通讯信号不稳定。良种数目多、树木密集、测量难度大。纯人工测量会出现重复测量、效率低的问题。因此凭借传统的RTK方式不能满足定位需求。由于红松及落叶松均呈塔型冠顶，树冠顶点和树中心位置平面坐标基本吻合。所以本文选取中低郁闭度林分区利用克里金插值法进行树顶点提取[4]；其余区域利用无人机及GPS技术定位法相结合完成试验区良种基地精准定位。

2.2.1 地面调查数据采集

由于无人机影像数据与早期的设计图纸差别很大。所以需要以实际航片为准对数据进行核查。利用高精度的手持机，对良种进行采集并进行挂牌操作。

2.2.2 克里金插值法树顶点提取

2.2.2.1 生成数字地面模型及冠层高度模型

选择中低郁闭度林分，利用ArcGIS软件，并加载生产高精度的DSM和DOM数据。打开Arc Toolbox工具箱，选择“3D分析工具”—“栅格计算”—“减”命令。其中DSM作为被减栅格，DEM作为减数栅格，执行减运算后结果保存为CHM。

2.2.2.2 良种顶点提取

①选择“空间分析”—“邻域分析”—“块统计”，输入栅格数据为CHM。②选择“3D分析”工具—“栅格计算”—“减”，CHM作为被减栅格，局部最大值图层作为减数栅格，执行运算后结果保存为良种顶点栅格图层。③打开“空间分析”—“重分类”，输入良种顶点的栅格图层。将栅格值分为两类，栅格计算后，潜在树顶点的值会为0，其他数值都会小于0。④打开“转换”工具—“由栅格转出”—“栅格转点”，将良种顶点栅格图层转换为矢量点图层。

由于树冠表面是不规则的曲面，而且有的良种冠幅较大，造成1株树冠面上出现了两个或以上的最大值。本文借鉴其他学者基于DEM的山顶提取方法，对伪树顶点进行剔除。利用叠加分析，将树顶点矢量图层与树顶点潜在分布区域图层做相交运算，获得的点就为真正的树顶点[5]（图1）。

图1 树顶点位置成果图

2.2.3 无人机及GPS技术定位法

除中低郁闭度林分区域外的良种采用无人机技术与GPS技术相结合方法进行定位，为保证精度要求，无人机进行数据采集初期进行高精度控制。并采用后处理的方式对无人机航片提高精度质量[6]。基本流程为：

①在老秃顶子保护区的楼顶的已知位置上建立1个基准站，通过网络对外播发查分数据，并同时把数据记录到本地，为没有通信的地方提供高精度保障。②无人机上增加高精度的模块记录数据，使得无人机在飞行中提供高精度的数据，并使用way point软件求得每张照片的高精度位置及IMU信息。③在地面上找若干地面高精度的相空点，结合之前的航片位置信息，对所有照片使用smart 3D的软件进行处理求得高精度的平面数据和高精度的三维数据。④外业补测，对树的长势并不完全垂直长、长歪的树进行高精度采集。需要利用高精度的手持机进行数据采集，无人机定位成果（图2）。

图2 定位数据成果图

3 精度评定

对良种基地精准定位数据利用线性比较法和分布式比较法进行定位精度验证[7]。

3.1 线性分析法

抽样选取良种基地小区域的100株红松进行验证（分别选取开阔的、有严重遮挡的、有若干株树邻近的地带）。使用高精度免棱镜全站仪对抽样的良种进行逐树测量，结合航片对100株良种的坐标进行修正，并与全站仪的坐标进行对比（图3、4）。

图3 GNSS设备X偏差、Y偏差（线性分析法）

图4 航片校正X误差、Y误差（线性分析法）

由图3可以看出，使用GNSS高精度设备采集的信息，在遮挡不严重的情况下，精度可以达到1 m以内，遮挡严重时精度会超过3 m。从图4看出，使用航片纠正误差后，精度可达1 m以内。个别树定位精度偏大是由于树斜形生长，导致中心点和树顶点坐标存在差别。

3.2 离散分布测试

在大区域中随机选取有代表性的10个点，有遮挡严重、深山、大胸径、小胸径、若干树木挨着生长。测试结果见图5、6。

图5 GNSS设备X偏差、Y偏差（离散分布）

图6 航片的X偏差、Y偏差（离散分布）

由图5、6看出，只有少部分在林区有树木遮挡的情况下及航片边沿地带，误差达4 m左右。GNSS设备在遮挡不严重的地区可以达到1 m以内精度，经过航片纠正后，在林区深处及开阔地带平均误差在1 m以内，达到良种基地管理精度要求。

4 结 论

4.1 原始的纸质资料经过数字化录入后，形成准确的数据库。

4.2 采用克里金插值法进行树顶点提取、无人机及GPS技术定位法相结合，完成对良种基地的精准定位及精度评定。

4.3 良种基地进行精准定位后，定位误差在1 m之内。定位精度高，满足良种基地外业调查、经营管理需要。

［1］沈熙环.对辽宁林木良种基地当前工作的意见［J］.辽宁林业科技，2004，（1）：29-31．

［2］胡超.基于GIS的湖北省水杉良种基地规划布局研究［J］.西北林学院学报，2014，（2）：70-72．

［3］李剑源，刘德栋，吕蕊.老秃顶子国家级自然保护区科学考察报告集［M］.沈阳：沈阳出版社，2016，（5）：11-65．

［4］王晓杰.基于大比例尺航片的树种识别及单株定位方法［J］.东北林业大学学报，2013，（5）：60-65．

［5］王伟.无人机影像森林信息提取与模型研建［D］.北京：北京林业大学，2015．

［6］王福玉，王巨斌，胡万良.辽东山区核桃楸果材林复合经营技术研究［J］.辽宁林业科技，2015，（5）：10-18．

［7］蔡文峰.单木参数数学摄影测量提取技术研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2010.

（责任编辑：韩素梅）

S722.83

A

1001-1714（2017）02-0034-04

2016-12-09

刘德栋（1968-），男，工程师，主要从事林业技术及保护区管理工作。E-mail：394967713@qq.com。