林业无人机应用的系统平台建设研究*

陈铭潮，许雪玲，陈贤干，方本煜

(福建省林业调查规划院，福州 350003)

随着信息化技术、卫星通信技术、无人机技术的日臻成熟和应用研究的不断深入，无人机在各行业的应用正迅速推进，预计未来10～20 a无人机将进入黄金发展期。无人机在国内地理测绘领域、应急救灾、农林业、环境保护、国土资源、海洋水利、警用侦查等多个行业应用迅速推进。无人机在林业生产活动中的应用仍处在起步阶段。2015年，福建省部分县(市、区)林业部门开始探索无人机在林业中的应用，县市林业局、基层林业站、保护区管理部门等配备了无人机。这些无人机大部分处于消费级和工业级应用之间，多用于图像采集和视频拍摄，实用性不高。防火指挥、林业有害生物与一类样地调查开展了无人机应用探索性试验，航拍数据大多依赖人工对各应用需求进行再处理。[1]

1 研究对象

遥感已经成为林业许多应用的数据来源。通过遥感影像可以快速获取日常监测一些数据，获得空间位置及面积，是传统的人工监测方式所不具备的。无人机具有机动灵活、环境适应性强等优点：可以机动、灵活地对目标区域进行观测；在相对恶劣的天气条件或灾难环境中完成任务；可低空飞行，对卫星遥感云层遮挡等漏洞区进行补充。无人机利用无线电遥控设备和飞控装置操纵飞机，机上安装有自动驾驶仪、飞行程序控制装置等软硬件设备。地面指挥系统或者操作人员通过雷达、GPS、无线电等设备，对其进行跟踪、定位、遥测及数字信号传输。无人机本身无法完成任何作业任务，需要一套严密的控制系统，根据飞行与作业任务搭载相关有效载荷并配备后期数据处理系统，方可获取高分辨率低空遥感影像[2-3]。

无人机在福建省林业中的应用还处于起步状态，缺乏数据处理、管理与应用平台。建设林业无人机应用的系统平台，整合无人机低空遥感从数据采集、数据处理、数据管理到行业应用的过程，结合森林资源、林业应用、地理信息分析，将影像成果应用于实际工作中，仍是各级林业管理部门的重要课题[4]。

2 平台建设思路

在森林重点研究区域开展无人机低空遥感监测，需要一个高效处理平台。根据具体工作需求针对目标区森林、湿地等林业资源进行航飞，获取遥感图像并对其进行系列处理，使之成为含有地理信息的低空影像数据，可以方便地实现影像分析、与专题数据自由叠加、空间分析等。同时，系统平台产生的成果数据存储入库，实现无人机遥感的信息资源在各个部门间共享与利用。林业无人机应用的系统平台整合了无人机监测模块、系统管理基础平台模块、应用模块等三大模块，集成了航拍任务管理、图像处理、成果入库、信息提取、资源共享等林业生产领域应用的低空影像处理平台(图1)。在平台中可以进行初步无人机航拍任务设计和数据采集规划，并对航拍影像构建流程化的数据处理，结合影像与森林资源空间数据，利用GIS分析、遥感影像处理技术，提高无人机在林业实际生产管理中的应用水平。

图1 平台总体结构

3 平台主要内容

无人机监测模块是集无人机遥感影像获取、无人机低空影像快速处理、视频采集、数据远程传输为一体的低空—地面联合监测系统，能够对森林重点研究区域进行快速、及时地监测。其中，数据采集系统将林业具体业务与飞行任务匹配，进行飞行初步航线规划与数据采集方式设计，对航拍任务和飞行参数进行预先设计；数据处理系统对无人机图像采集成果进行快速影像预处理、影像拼接、影像匹配、数据校正、产品生成与正射影像等成果输出；智能巡护系统对森林巡护设计初步巡护路线，定制重点巡防任务，通过视频采集、数据远程传输形式将无人机携带的摄像头影像传输回系统平台。

基础平台负责整个系统中的数据集中管理与发布，包括影像管理与共享平台、地理信息公共平台。影像管理与共享平台基于时空信息对影像进行管理，通过无人机的正射影像成果、影像自动提取的专题信息成果等空间数据的共享机制，实现无人机遥感信息资源在各个部门间的共享与利用。影像管理与共享平台，对无人机监测模块数据处理系统的成果在平台中入库，进行统一集中式管理，通过影像成果的元数据信息等进行自动化管理；对合理的共享请求进行数据发布，便于用户根据查询条件快速获取所需的无人机影像及分发、处理共享等后续应用，实现林业各应用部门间资源的共建共享，形成内外业一体化协作的应用模式，有效提高空间数据的使用效率，缩短分享周期，降低空间信息成本。地理信息公共平台是一个重要的基础核心平台，影像与地理信息数据查看查询、数据交互、信息浏览与定位、数据管理、空间分析等GIS功能都在这个平台完成。

应用模块包括影像服务系统、资源变化监测系统、病虫害识别系统等具体应用功能。影像服务系统采用通用浏览器，各个部门在客户端便可以对影像成果进行查询、访问与下载，便于用户根据多种查询条件快速获取所需的无人机影像；资源变化监测系统实现森林资源的变化提取与动态监测，及时发现林木生长和森林生态系统中存在的问题；病虫害识别系统可以综合森林资源专题信息通过卫星遥感影像、无人机低空影像和图像识别技术提取病虫害信息，利用时序信息，对无人机监测模块的成果进行图像生理特征识别[5-6]。

4 研究方法与关键技术

4.1 无人机模块

由于无人机行业的成熟市场庞大以及机型多样，无人机系统标准体系复杂[7-8]，不同厂商的飞控与通讯也不同。由于平台重点在数据采集成果的处理与应用，我们设计平台时回避了直接与各式飞控设备的通讯关联，整合成熟的地面控制系统。林业无人机应用的系统平台以任务的形式，通过与地面控制系统的飞行任务、成果数据库结构和参数进行匹配和数据传递，实现对飞行设备的操控和信息交互。

4.2 地理信息公共平台

本研究基于Web的GIS平台，采用ArcGIS Server构建集中管理的、支持多用户的、具备高级GIS功能与服务的平台，它支持分布式环境对地理信息进行浏览定位、数据管理、空间分析等等GIS功能。这些GIS功能都可以通过标准的HTTP REST/SOAP协议访问，支持OGC开放标准。

4.3 遥感与GIS一体化

遥感对影像数据的管理和影像特征分析有特殊的优势；GIS是数据管理和空间分析的有效工具。遥感与GIS一体化支持在GIS软件中嵌入遥感功能组件或在遥感软件中引入GIS组件，利用遥感和GIS软件提供的开发接口，采用ENVI/IDL和ArcGIS server相结合的方法开发集成遥感与GIS一体化系统[9-10]。

4.4 数据的管理与共享

4.4.1 面向服务的架构

采用面向服务的体系架构(SOA)设计理念，影像管理与共享平台以集中和分布式对数据进行管理。基于服务的共享对外提供影像管理数据公共服务，以实现数据和应用的分离。共享应用客户端基于Web在浏览器查询访问系统平台的成果。

4.4.2 数据服务

Image Server Extension为ArcGIS Server的扩展模块，支持在服务端对大规模影像进行动态镶嵌和实时处理，并且能够访问元数据等信息内容。采用SQL Server数据库和ArcGIS镶嵌数据集组织和存储数据，通过ArcGIS Server中间件将影像数据集、遥感处理模型等发布成影像和模型服务，供客户端在线使用。

4.4.3 遥感服务

遥感服务关键技术是将遥感功能以服务方式进行发布共享。森林资源的变化监测基于ENVI/IDL构建资源变化提取模型，利用ENVI Services Engine将模型发布为服务。

4.4.4 客户端

客户端实际上就是通过空间数据共享机制，实现无人机遥感的信息资源在各个部门间共享与利用。例如森林资源的变化监测，选择影像数据、资源的变化模型，服务器端根据接收提交的信息参数做出相应的分析与处理，再将结果传递给客户端，并以专题图的形式展现出来。

5 结语

无人机监测模块数据采集与图像处理系统，通过航拍工作方案与航飞路线快速、机动、高效地进行数据的前期生产，可以成为福建林业无人机应用数据来源的重要支撑和保障。基于时空信息的影像管理，通过对影像成果的元数据进行自动化管理，便于用户根据查询条件快速获取所需的无人机影像；遥感与地理信息一体化解决数据管理、分析与共享的关键问题，基于ENVI的影像业务化系统，实现对影像、数据的有效管理，且能够快速准确地提取影像中的相关信息；数据共享平台，通过建立无人机的正射影像成果、影像提取的专题信息等空间数据共享机制，实现无人机遥感的信息资源在各个部门间共享与利用。

目前，在林业行业应用中，多源多时相数据的管理与共享有待进一步深化，遥感影像在森林资源监测与人工智能变化提取等方面的技术也仍需做进一步研究。