基于无人机低空摄影测量技术的造林作业设计研究

王震明 李领寰 任佳伦 张超

（1浙江省浦江县林业生态工程建设站 322200；2国家林业和草原局华东调查规划设计院 浙江杭州 310019；3浙江农林大学园林设计院有限公司 浙江临安 311300）

林业作业设计是林业工程项目建设的关键环节，直接关系到建设工程的质量和投资效果。基础资料（包括林分因子、面积、位置、土壤等属性）的收集是造林作业设计中的第一个环节，也是造林作业设计的重要依据。但是，基础林业数据的获取并非易事，如：造林作业一般采用1∶10000地形图进行实地区划调查，其精度较低，难以精准定位，尤其是小班局部林分长势不均匀时很难在图纸上进行准确勾绘标记；若采用实时的高清卫星影像进行调查，其昂贵的价格对于造林作业设计来说是难以承受的，另外受云雾影响，有时也难以获取到合适的影像数据。由于难以对勘察现场的地形地貌以及林木信息进行精准的定位标示，导致造林作业设计在基础资料的收集过程中存在较大误差，大大降低了作业设计的质量和施工指导价值。

近年来，无人机遥感技术己成为森林资源调查与监测的新途径，为森林资源精准监测以及精细化经营提供了新的技术手段[1]。无人机遥感技术凭借实时性、灵活性、实用性和低成本等优势，成为了快速获取地理空间数据的有效平台，其拍摄的高重叠度、多角度的高清影像，很大程度上满足了获取精细三维信息的需求。这种以无人机为飞行平台，同时从垂直和倾斜角度获取地物信息的技术，即为当前国内外热门研究的低空摄影测量技术[2-3]。研究旨在将无人机低空摄影测量技术运用于造林作业设计工作中，通过软、硬件集成，提出一套完整的技术方案和工作流程。该技术能够真实还原三维造林场地现状，显著提高调查精度和效率，降低作业设计成本，对推动智慧林业建设具有重要意义。

1 研究区概况

浦江县位于浙江省金华市西北部，地处东经 119°42′～120°07′，北纬 29°21′～29°41′之间，属中亚热带常绿阔叶林北部亚地带，浙闽山丘甜槠、木荷林区。多年平均气温16.6℃，极端高温40.1℃，极端低温-11.1℃；年均无霜期228天；年平均降水量1412.2毫米；年日照时数 1996.2小时；年蒸发量1302.3毫米；年平均风速1.6米/秒，常年以东南偏东和东风为主。

研究区为浦江县黄宅镇杭金衢高速公路互通东侧林地，以裸岩、宜林地、疏林地和火烧迹地为主，涉及钟村67号和古塘村1号2个小班，小班面积393亩，工程实施面积260.5亩。

2 数据处理与研究方法

研究采用多旋翼无人机，利用倾斜摄影测量技术，结合差分GPS设备，开展精准造林作业设计工作。通过软、硬件集成，提出一套完整的技术方案和工作流程。具体方法包括无人机数据获取、无人机影像数据处理、制定施工设计方案及施工放线等。

2.1 无人机影像数据获取

研究所使用的无人机为大疆，型号为PHANTOM4PRO，续航时间25min，巡航速度28-46km/h，搭载相机镜头为FOV84°，2000万像素，镜头畸变＜1.5%，飞行预设航高为120m，航线航向重叠率为80%，旁向重叠率为70%，飞行范围覆盖1.15km2。拍摄时间为2017年6月3日上午9：30-11：30，在测量区域布设像控点，测定像控点三维坐标，使无人机按预设航线飞行；沿南北飞行了8条航线，共拍摄1042张影像，平均飞行速度 9m/s。航拍获取的无人机影像地面分辨率达到厘米级。飞行时天气为多云，地面风力2级，阵风2-3级。获取影像后，筛除成像质量差、航高差大于10m、影像最大旋偏角和航带弯曲度较大的航片。最后，通过RTK差分GPS采集标识点，将照片组导入Context Capture软件，输入控制点坐标对图片地理信息进行校正，最后获得TIF格式的高分辨率正射影像图。

图1 研究区空三点云模型

2.2 无人机影像数据处理

首先，将航拍影像、无人机记录的POS（Position and Orientation System）数据和像控点导入Context Capture软件，自动完成空中三角测量计算，生成精度报告；其次，根据地面像控点和POS数据，平台校验参数等进行区域网平差，解算多视影像外方位元素和加密点地面坐标，生成后缀为.LAS的高密度点云数据；最后，自动拼接数据，输出正射影像（DOM）和数字表面模型（DSM）[4]。

通过8个控制点进行空三加密处理，如图1所示，空三加密控制点检查点误差详见表1。通过精度指标统计可以看出，在有构架航线、GPS辅助平差的情况下，8个控制点完全可以满足精度要求，能大大减少外业控制点的需求；水平误差值在0.004m-0.09m之间，垂直误差值在-0.037m-0.046m之间，符合“地形图航空摄影测量内业规范”（GB/T7930- 2008）中1∶1000地形图测图精度。

表1 空三加密控制点检查点误差统计表

2.3 作业设计方案确定

利用无人机倾斜摄影测量技术构建高精度三维模型，基于研究区现状与种植区域坐标信息进行造林作业设计，根据不同类型的立体条件将研究区分为不同区块，采取与之相适宜的种植措施，并反复模拟推敲造林设计方案，提高作业精度。

2.4 施工放线

使用ArcGIS10.2软件输出作业区块主要拐点坐标，利用差分GPS设备完成野外施工放线工作。

3 研究结果与分析

3.1 研究区植被现状

根据遥感影像判读和实地调查数据，研究区受土壤、水源及人为因素的影响，山脚处林相较好，乔木郁郁葱葱；中下部以马尾松疏林地为主，乔木层间有部分白栎、黄檀等树种，灌木层以格药柃、白檀、白花龙、乌饭树、杜鹃花为主，间有部分栀子、黄栌、刺毛越桔、北江荛花、长叶冻绿等，草本层以芒萁为主，间有蕨、光萼茅膏菜、阔鳞鳞毛蕨等；中上部及山顶由于土壤瘠薄，以灌木林为主，主要有山油麻、乌饭树、算盘子、白檀、白花龙等，间有部分苦竹、长叶冻绿、格药柃、栀子、北江荛花、胡枝子、山矾、黄栌等，草本层以芒萁、蕨为主，间有刺芒野古草、匙叶鼠麴草、知风草、青葙等；碎石裸岩区内以草本植物山类芦为主，间有部分卷柏、刺芒野古草、苏州荠苧等。

3.2 施工作业设计

将高精度DOM数据导入平板电脑，结合实地踏查，对造林小班地形地貌以及现有植被信息进行精准的定位标示，设计勾绘不同类型的作业区块。根据土壤、地形及植被状况，确定8种工程实施类型，如图2所示，其中研究区类型F（局部）施工放线拐点分布图见图3。

（1）类型A。投影面积18.13亩，坡面面积20.48亩，平均坡度27.3°，平均海拔182米，位于山体中部，为马尾松火烧迹地，存有大量马尾松枯立木，立地条件较好。为防止水土流失，应尽快恢复森林景观。设计将马尾松枯立木清理后，使用米径3cm泥球苗，按照64木荷+32香樟+16榉树+16枫香+16红楠+16浙江樟的种植模式，即160株/亩（投影面积）的密度进行景观林营造。

（2）类型B。投影面积44.96亩，坡面面积51.86亩，平均坡度28.6°，平均海拔191米，位于山体中上部，是立地条件较好的疏林地，地被以芒萁和蕨为主，零星或小组团分布马尾松、白栎、枫香、山油麻、乌饭树、白花龙等乔灌木。设计使用地径2cm容器苗，按照64木荷+32苦槠+32青冈+32枫香的种植模式，即160株/亩的密度进行景观林营造。

（3）类型C。投影面积47.14亩，坡面面积54.09亩，平均坡度29.9°，平均海拔205米，位于山体中上部，是立地条件较好的未成林造林地，以马尾松、枫香、香樟、木荷等乔木幼树为主，由于缺少抚育管护，现有密度为83株/亩。设计使用地径2cm容器苗，按照30木荷+15苦槠+15青冈+15枫香的种植模式，即75株/亩的密度进行补植造林。

（4）类型D。投影面积24.31亩，坡面面积29.26亩，平均坡度28.4°，平均海拔223米，位于山体上部，土壤瘠薄，立地条件较差，以芒萁、蕨、山类芦、刺芒、野古草等草本植物为主，零星分布马尾松。由于该区域景观视觉敏感度高，立地条件差，因此设计选用耐干旱瘠薄、春季色彩鲜艳的映山红和红叶石楠进行景观林营造，要求地径2cm容器苗，按照210映山红+90红叶石楠的种植模式，即300株/亩的密度进行造林。

（5）类型E。投影面积8.22亩，坡面面积9.48亩，平均坡度28.6°，平均海拔231米，位于山体上部，土壤较瘠薄，苦竹、长叶冻绿、格药柃等灌木以及马尾松、枫香等乔木幼苗分布较多。设计使用地径2cm容器苗，按照38木荷+22枫香+15苦槠的种植模式，即75株/亩的密度进行补植造林。

（6）类型F。投影面积13.89亩，坡面面积14.51亩，平均坡度13.6°，平均海拔130米，位于山脚，是立地条件较好的造林失败地，马尾松幼树分布较多，以格药柃、白檀、白花龙、乌饭树为主。由于周边有公墓，且多次发生森林火灾，不宜栽植易燃树种，因此设计使用米径3cm泥球苗，按照80木荷+48苦槠+32香樟的种植模式，即160株/亩的密度进行防火景观林营造。

（7）类型G。投影面积29.70亩，坡面面积33.62亩，平均坡度26.9°，平均海拔187米，位于山体中上部，是立地条件较好的马尾松疏林地，密度约60株/亩。为提高现有林分防火能力，设计使用米径3cm泥球苗，按照12木荷+6香樟+3枫香+3榉树+3红楠+3浙江楠的种植模式，即30株/亩的密度进行补植造林。

（8）类型H。投影面积74.12亩，坡面面积94.63亩，平均坡度76.1°，原为马尾松疏林地，发生过多次森林火灾，以碎石裸岩为主，零星分布山类芦。设计挑选局部有土壤的地块，以马棘、波斯菊和金鸡菊种子为主，麻栎、木荷、苦槠和青冈种子为辅进行播种，混合比例为4∶4∶2，播种量为2g/m2。

营造林作业设计方案确定后，利用Arc GIS结合差分GPS设备进行造林施工放线工作。如图3所示，该区域是类型F中的局部施工区域，使用ArcGIS将405号至415号共计11个主要拐点叠加到无人机正射影像图上，生成含有坐标信息的PDF文件，将文件导入平板电脑，便于施工人员根据影像地物实现野外快速粗略定位，之后利用差分GPS设备根据坐标点开展精准施工放线工作。景观林营造采用近自然混交的种植方式，同一树种3-5株组团种植，株间距为1.5-4m，疏密相间；种植点遇有目的树种或立地条件不佳时，应合理避让，各地块设计种植的苗木株数不得减少。

4 结论

研究以浦江县黄宅镇杭金衢高速公路互通东侧林地造林作业设计为例，使用多旋翼无人机，利用低空摄影测量技术，结合差分GPS设备，开展精准造林作业设计工作。首先，使用多旋翼无人机获取项目区高分辨率航拍影像，结合地面控制点，使用无人机低空摄影测量技术生成高精度三维场景模型，进而输出数字正射影像（DOM）和数字表面模型（DSM）；其次，将高精度DOM数据导入平板电脑，结合实地踏查，对造林小班地形地貌以及现有植被信息进行精准的定位标示，设计勾绘不同类型的作业区块；最后，使用三维场景模型反复推敲讨论造林设计方案，方案确定后，使用Arc GIS软件输出作业区块主要拐点坐标，利用差分GPS设备完成野外施工放线工作。研究将无人机技术与遥感技术、自动化控制技术和林业实地作业等方法结合起来互为补充[5]，有助于实现造林作业设计施工高效、精准的目标，为推动智慧林业的建设提供了参考。