利用无人机获取林区DSM的方法

杨 卫， 刘晓阳

(1.四川中水成勘院测绘工程有限责任公司，四川 成都 610072； 2.华中农业大学 园艺林学学院，湖北 武汉 430070)

1 前言

数字表面模型(digital surface model，DSM)是很多测绘产品的一个很重要的中间产品，它基于DSM可以进一步编辑、处理制作DEM、DOM、TDOM、DLG、三维模型等。作为地理信息系统的重要数据来源，DSM的应用范围很广。近年来，在林业调查研究领域应用发展迅速，研究人员对DSM模型数据的需求日趋增多。

传统的林业调查依靠人力进行实地定点监测，效率低，加之林区地形多复杂，有许多监测盲区，误差较大。对森林资源调查方式的探索，将无人机应用于林业调查中，不仅可以有效提高林业调查的效率，并且可以获得高分辨率影像资料。为今后对森林资源的保护以及利用提供科学的数据，同时加强了无人机在森林调查上的应用。基于此，本文结合实践，阐述利用大疆无人机御MAVIC2对华中农业大学狮子山部分森林进行调查，从而快速准确获得DSM的方法。

2 无人机及其软件

2.1 无人机

此次调查选用的是大疆御MAVIC2无人机，搭载哈苏L1D-20c相机,像幅 5 472×3 648，等效焦距28 mm。采集时需保障相邻航线正投影像图重叠率在40%以上，航线方向正投影像图重叠率在60%以上。

2.2 无人机软件

本次无人机调查的影像数据，主要利用Pix4Dmapper软件进行处理，从而获得DSM模型。Pix4Dmapper是瑞士Pix4D公司的全自动快速无人机数据处理软件，是目前市场上集全自动、快速、专业精度为一体的无人机数据和航空影像处理软件。

3 材料与方法

3.1 研究区域概况

调查区域是湖北武汉华中农业大学博园宿舍区与狮子山交接处的150 m×150 m的方形样地，区域内主要树种为悬铃木、马尾松、樟等。

3.2 数据获取方法

利用大疆御MAVIC2无人机，对狮子山部分森林区域进行调查，获得DSM模型的方法，就是通过DJI GO4软件对所选区域进行航线规划，设置好各项参数之后，执行飞行航拍任务。此次航线设计采用了两种不同的设计进行比较试验，分别是常规航线(图1左)和网格航线(图1右)，从而判别所获得DSM模型的准确度。

图1 常规航线与网格航线

航拍结束后，将获得照片存入PC端，利用Pix4Dmapper软件进行处理，生成TIF格式的DSM模型图。这种获取方式与传统方式相比，无论是精确度还是速度都有极大的提升。

3.2.1 外业飞行

(1)选择起飞地点 。起飞点的选择对整个调查工作有着重要作用，宜选择空旷、视野宽阔的地方，适宜无人机起飞和降落。其次无人机拍摄的影像要求较高的重复率，所以选择的起飞地点为高海拔地区。

(2)新建飞行任务及设置参数。起飞地点选择好了，利用DJI GO4软件连接无人机，设置相关参数。此次飞行高度设置为100 m；其次设置相邻航线正投影像图重叠率为75%，航线方向正投影像图重叠率为85%，主航线角度随任务区域的形状进行调整，垂直向下拍摄，其他参数默认即可。

(3)执行飞行任务。各项参数设置好后，即可进行飞行任务拍摄。因为拍摄时间较长，一块电池的电量不足以支撑整个过程，需要更换，然后才能继续调查。任务完成后，将无人机降落在指定区域内。

3.2.2 内业数据处理

数据处理输出结果。本次实验调查，其中常规航线拍摄获得影像图片57张、网格航线拍摄获得影像图片94张，分别用Pix4Dmapper软件处理这两种航线拍摄的影像图片。处理完毕后，即可获得不同航线的质量报告和TIF格式的DSM模型。

4 结果与分析

4.1 精度分析

将两种不同的航线拍摄的影像图片，经过Pix4Dmapper软件处理后，获得了两份质量报告，其主要参数如表1所示。

表1 网格与常规航线影像处理数据比较

从表1可以看出，常规航线的平均地面采样距离为2.19 cm，而网格航线为2.16 cm，均能保证所获得DSM模型的精确度。其他参数也都从不同的方面，显示出网格航线拍摄的影像数据更能准确地表达调查区域的实际情况。

4.2 DSM模型结果

将获得的两种航线的DSM模型，用ArcMap软件进行处理，处理结果如图2、图3所示。可以看出，两种航线的DSM均能详细的表达了地形和地物信息。但是，相比较而言，常规航线在拍摄过程中，受外部因素影响(风力、操控因素等)，易导致拍摄影像质量不高，从而使后期处理时，软件无法识别，模型部分区域有所缺失。而网格航线在航线设计上，提高了航向、旁向上的重复率，从而有效地避免了拍摄过程中外部因素的影响，提高了模型反映地物地表的信息准确度，工作效率也提高。

图2 常规航线DSM模型

图3 网格航线DSM模型

4.3 不同覆盖度的DSM高度信息

将利用网格航线拍摄所获得DSM，用ENVI软件处理。选取三处植被覆盖度分别为100%、80%、60%的区域，判断其高度信息。从DSM高度可以看出，在此次调查区域内，覆盖度越高，高度变化幅度较小，且地理位置也越高；反之，覆盖度越小，高度变换幅度较大，地理位置较低，符合调查区域实地情况。

5 讨论

5.1 可行性

在林业调查中，将无人机技术和遥感技术结合应用，可提高林业调查的速度和效率，且获得高分辨率影像资料。此次试验结果表明，通过无人机技术能够获得目标区域的地表地物信息，能够反映调查区域的具体情况，且能生成调查区域的三维模型，能够满足调查的基本需求。所以，利用无人机获取林区DSM的方法是可行的。

5.2 效率和精度

传统调查的方法得到的DSM，不仅费工费时，而且在精度方面有很大的误差。主要是由于传统调查的方法，受到地理因素和人为因素的影响较大。而本次利用无人机获取林区DSM的方法，表现出高效、快捷、准确的特点。其平均采样距离达到了2.16 cm，处理时间只用了50 min 28 s，生成的数字表面模型无几何变形，高程信息准确，整体颜色均一。

5.3 航线设置

本次实验中，通过常规航线和网格航线的设置，进行比较实验，用来判别获取DSM的精确度。结果表明，在进行常规航线飞行时，无人机由于风力、操作不当等原因，造成拍摄影像资料质量有所缺陷，后期处理时，DSM边缘区域有所缺失；而通过航线的改变，使用网格航线进行飞行时，由于提高了航向和旁向上的重复率，减少了无人机拍摄过程中所受的外部因素的影响，降低测量偏差，提高精准度，最终达到目标结果。

5.4 内业处理相关问题

在内业处理时，Pix4Dmapper软件在进行拼接影像时，如有影像重复率达不到要求，最终会导致成果影像出现模糊、缺失等现象。这也是此次常规航线生成的成果影像出现缺失的原因之一。

6 结语

利用无人机进行林业调查，极大地推动了现代林业的发展。本文将理论结合实践，探索了利用无人机快速获得林区DSM的方法，并通过两种航线设计进行比较分析，来论证获得的DSM的准确性。结果显示，无人机作为新型的调查设备，所获取的遥感影像制作的DSM是符合测量要求的。然而，使用此方法获取林区DSM还有待进一步提高，例如无人机航线的设置、图像重复率等，这些都对最后的结果产生影响。