无人机低空摄影测量在国家储备林基地检查验收中的应用试验研究

罗盛万，蓝晓丹，兰必赛

(1.广西桂江林业调查规划设计有限公司，广西 南宁 530022；2.南宁市桂都林业有限公司，广西 南宁 530022)

国家储备林是指在自然环境条件适应地区，按规定政策和科学措施营造，用以生态和木材储备的优质、高效、多功能森林，集生态建设、产业发展为一体，融生态产品、林产品供给于一身。实施国家储备林基地建设是国家重大战略部署，对建设我国木材安全和生态安全具有重要意义。广西壮族自治区国家储备林基地建设项目规划面积为186.67万hm2。按《全国木材战略储备生产基地建设管理办法(试行)》要求，国家储备林项目建设执行全过程质量和成效监测，检查验收是其最重要的环节，而面积又是检查验收最重要的关键因子。

南方基本要求当年造林当年验收，其山地高分辨率卫星影像很难当年下载应用于造林面积验收；差分GPS绕测验收时效强、面积准，但大面积山地GPS绕测相当困难；当前南方造林面积验收常规采用实地对坡勾绘调查法，费时费力，劳动强度大，专业但不直观，急需探索一种更高效、更直观的检查验收方法。无人机低空摄影测量技术以获取高分辨率数字影像为应用目标，以无人驾驶飞机为飞行平台，以高分辨率数码相机为传感器，通过3S技术在系统中集成应用，最终获取小面积、真彩色、大比例尺、现势性强的航测遥感数据[1]。无人机低空摄影测量作为地形图与卫星遥感摄影不可缺少的补充，主要有精度高、成本相对较低、操作简单、机动性、灵活性和安全性等优点，能减少外业工作时间、降低劳动强度，提高工作效率，专业且直观[2-4]，目前已逐渐成为林业调查单位必备辅助调查工具，可以作为提高国家储备林基地建设项目检查验收效率和准确度的一个有效手段。

本文根据无人机低空摄影测量技术的正射影像成果，结合广西国家储备林基地建设项目检查验收的具体要求，对比典型对坡勾绘成果和使用无人机数字测绘成果在林地小班面积和位置上的误差，分析无人机低空摄影测量技术在储备林基地建设面积验收和准确定位应用上的可行性和有效性。

1 广西国家储备林基地建设和试验区概况

广西壮族自治区国家储备林基地建设项目规划建设规模为186.67万hm2，其中利用国家开发银行贷款建设140万hm2。广西壮族自治区国家储备林项目分2期实施，项目一期由区直国有林场和广西林业集团实施，规模50万hm2；项目二期建设规模80万hm2左右(调整后)，扩展到全区14个市72个县(市、区)实施。2017年8—11月，广西林业厅和林业集团组织开展国家开发银行贷款广西国家储备林基地建设项目(一期)13.33万hm2核查工作。广西桂江林业调查规划设计有限公司作为项目(一期)核查技术单位，为检测无人机低空摄影测量技术的面积测量精度和边界定位情况，在高峰、七坡、良凤江、东门、三门江、维都、黄冕、博白等广西区直国有林场国储林基地建设项目(一期)造林基地中选择地形明显、最容易勾绘的8个造林小班进行地形图勾绘和无人机低空摄影测量，作为本文无人机低空摄影测量精度检验试验区，试验区总面积78.78 hm2，可能影响航测的相关地理因子情况见表1。

表1 试验小班可能影响航测的相关地理因子

2 仪器设备及参数设置

试验仪器为DJI大疆精灵Phantom 4 RTK多旋翼航拍无人机，其采用模块化设计，有4个可拆卸机翼，方便携带和运输，机身28.95 cm×28.95 cm×19.6 cm，最大上升速度6 m/s，最大水平飞行速度72 km/h，续航时间30 min。飞机操控系统集成于飞行器机身内，一体式云台位于机身下部，用户可通过无人机遥控器控制云台及相机，可通过遥控器屏幕实时监控飞行画面。相机能拍摄像素2000万静态照片及最高60帧4K视频。可通过DJI GS Pro软件事先规划的路线自主完成测绘，易于操控，通过简单的学习了解就能轻易完成。其可捕获25～100 cm地面分辨率的相片(150 m高的时候大约为25 cm，500 m高时约为80 cm)。

3 试验方法

3.1 国家储备林基地建设项目检查验收的基本要求

广西国家储备林基地建设项目的检查验收执行《全国木材战略储备生产基地建设检查验收办法(试行)》，该办法对造林面积检查要求：利用施工作业设计图，进行现场核对，或用GPS测量。在核对实施单位自检小班边界的基础上，重新计算小班面积。确定小班面积的原则：(1)-5%≤误差率≤5%，以报告面积为准；(2)误差率>5%，以检查结果为准。

为满足上述要求，无人机低空摄影测量技术应用于国家储备林基地建设项目检查验收，需要满足条件：(1)航测任务支持施工作业设计矢量数据(shp)导入，便于有针对性设置航测范围；(2)根据正射影像数据进行边界测量精度达97.47%以上；(3)根据正射影像数据进行面积测量精度达到95%以上。

3.2 试验方法与技术路线

在试验区中选择具有明显地形界线、易于勾绘的试验小班，利用地形图到现场准确地对坡勾绘小班边界，将所得边界、面积作为真值，利用无人机低空摄影获取检测小班遥感数据(航片)，采用Pix4Dmapper拼接软件，通过构建密集点云、网格、纹理、DEM、正射镶嵌等步骤，导出正射影像图(DOM)到ArcGIS叠加地形图勾绘的矢量界线对照边界，检验无人机低空摄影边界位置、面积测量精度。主要技术流程如图1。

图1 技术路线

3.3 地形图勾绘

在广西区直国有林场国储林基地建设项目(一期)造林基地中选择具有明显地形界线、容易勾绘的试验小班，利用地形图到现场进行准确对坡勾绘小班边界，将所得边界、面积作为真值，检验无人机低空摄影的边界位置、面积测量精度。

3.4 无人机低空摄影测量小班边界

在无人机低空摄影测量软件的支持下，将检测小班地形图勾绘的边界导入到无人机地面站平台，在地面站平台上对测量区的航线和摄影测量进行设计(图2)，到检测小班实地放飞无人机按设计航线进行摄影。航线设置时，主要采用地面站的摄影测量工具对航高、航向重叠、旁向重叠等进行设置，以满足航空摄影测量的基本需求[5]。飞行高度视起飞点到测区内最高海拔的相对高度设计，保险起见，飞行高度要大于相对高度150 m。重叠度设计方面，有资料分析：低空无人机飞行的稳定性易受气流影响，为保证航测影像不出现漏洞，应加大航向和旁向重叠度[6]。本次设计的航向重叠度为80%，旁向重叠度≥60%。

图2 航线设置

将无人机低空拍摄的相片导入拼图软件Pix4D，按制作正射影像的工作流程进行一系列操作，得到正射影像成果，利用高精分辨率正射影像成果在ArcGIS平台根据测区小班造林地影像区别于周边林地勾绘检测小班，得到无人机摄影测量绘制的检验小班界线成果(图3)。

左：真正射影像概略；右上：真正射影像细节；右下：细节部位勾绘图成果

图3 无人机低空摄影测量应用实例测绘成果

Fig.3 Surveying and mapping results of UAV low-altitude photogrammetry application example

3.5 精度评价方法

1)小班中心绝对位移

如图4所示，设S和S’分别为小班空间位置地形图对坡勾绘基准图与无人机摄影测量真正射影像图勾绘小班空间位置图，其中心位置坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)。则可定义S′的中心位置位移距离的绝对值为[7]：

(1)

图4 小班移位

2)面积测量精度

设A和A′分别为小班空间位置基准勾绘面积和无人机低空摄影测量正射影像勾绘小班空间位置图面积，小班面积测量精度可定义为：

(2)

4 结果与分析

本文无人机低空摄影面积测量共检测了8个小班，被检测小班边界地形界线明显，在地形图上能够准确对坡勾绘。将地形图上对坡勾绘所得结果及无人机低空摄影测量结果正射影像图通过GIS软件进行分析处理，结果如表2所示，表中以勾绘面积为真值，真值最小为0.96 hm2，最大为16.86 hm2。

根据表1和表2可得：(1)无人机低空摄影测量小班的边界总体中心绝对位移较小，最大的中心绝对位移仅0.82 m，如果不是精确比较测试，以无人机低空摄影测量成果真正射影像图勾绘出的小班边界结果直接作验收图的小班边界线，不必移位操作；(2)无人机低空航测的8个小班面积测量的精度均达97%以上，通过无人机低空航测成果正射影像图测绘小班面积的精度有一定的规律性，小班面积越大，相对精度就越高；(3)选用机型DJI大疆精灵4RTK在丘陵山地不同海拔、坡位、坡向、25°坡度以下进行航测，小班面积测量精度均达到造林面积验收精度要求。

表2 无人机低空摄影测量国储林造林验收小班精度分析

5 结论

1)无人机航测具有越低飞行作业，航测影像成果分辨率越高的特点，但出于山地复杂和飞行安全考虑，航线设计时要根据检测小班起飞点到小班最高海拔的相对高度设计飞行高度，飞行高度要大于相对高度150 m,设计的航向重叠度≥80%，旁向重叠度≥60%。

2)基于本次试验结果和分析，面积测量和定位采用无人机低空摄影测量能够满足检查验收精度的要求，具有可操作性和可行性。

3)无人机影像分辨率达到了肉眼近地观测精度，可以替代人工实地对坡勾绘调查，在保证调查准确性和地类识别精度的同时，能减轻调查人员的劳动强度。

4)无人机航摄机动灵活、时效性高，用于国储林营造林自检验收、核查，满足调查技术要求的同时又能减少外业时间，具备很大的发展潜力。