浅析无人机航拍与ArcGIS在林业调查规划中的应用

刘静

海南新绿神热带生物工程有限责任公司，海南海口570203

在近代林业科学生产管理工作中，最基础的林业工作就是林业调查规划，该项工作指的是对林区自然属性与社会属性进行详细探查和统一规划的一个过程，例如森林资源与生态质量进行调查与监测、生态质量的调查与监测、林业生态工程规划设计或者是森林资源资产评估都属于这一范围。

过去国内林业资源管理水平参差不齐，生态的多样性、动态性大大加强了林业资源管理的难度。在科学技术不断发展的现在，林业调查所应用的调查技术也在推陈出新，无人机航拍技术的出现降低了林业调查的规划工作难度，在ArcGIS 地理信息系统软件配合下，降低人力资源，节约大部分人工调查成本，为林业调查提供更为准确数据支持，提高工作效率[11]。

1 林业调查工作方式的发展演变

在封建社会初期已经存在类似现在的三类森林资源调查类型的工作，德国最早开发了比较准确的森林地图和计算立木材积的算法, 但是必须实地测量才能得到数据,这就拖慢了调查的工作效率,并且消耗大量人力和物力资源。后来有人发明了标准地调查的方式，节约了大量的时间和人力，但是在精准度方面如调查时期长久易找不到位置，造成误差。随着时代的发展和林业调查规划的要求水平的不断变化，直至19 世纪30 年代，抽样调查方式和航空摄影测量等技术问世，调查效率和精度才大为提高。到现代，各种新型测量工具及智能终端等相关设备的相继问世，为林业生产工作节约了时间，为管理者针对性的决策方案提供了更多可靠的数据依据，为实现林业行业现代智能化奠定了良好的基础。

1.1 传统卫星遥感技术与ArcGIS 在林业调查工作中的应用

传统卫星遥感技术主要表现在林业调查规划工作的可视化，通过遥感影像可快速判断林地的属性，历史拍摄时间统一，便于大型外业调查影像分析工作，降低了林业工作的强度。ArcGIS 软件是计算机和信息系统技术在地理测绘使用调查中根据需要而发展出来的应用软件, 是结合地域和数据信息处理的综合体。ArcGIS 系统为林业调查规划工作的展开提供相应的数据支持和参考，其强大的分析能力和数据存储功能，保证了调查的水平和预期的效果，优化了以往林业调查规划繁重的内业整理工作。但是在实际工作中，Google Earth 的卫星遥感影像在信息更新方面显得过于陈旧，存在分辨率低、立体观察效果不好、获取不稳定、成本高等问题，尤其在开展外业调查工作时，山区林间周边环境地势复杂，不确定性危险因素较多，跋山涉水和调查地域的封闭性让调查的危险系数增加，卫星遥感影像和实际调查的定位会出现一定的问题，导致其最终所获得的结果不够准确[2]。

1.2 无人机航拍与ArcGIS 在林业调查工作中的应用

用无线电遥控和计算机系统一起进行远程操控的不载人飞行技术可以理解为无人机技术，加载上摄像镜头进行拍摄的行为可以称为航拍。这项无人机航拍技术对多种多样的林业地貌资源进行卫星定位，实施通信定位技术监测得出数据和信息，使用Pix4Dmapper 等相应的软件拼接影像数据，并在软件中进行坐标投影转换导出拼接好的矢量图。在ArcGIS 软件中校正航拍影像数据与地图数据之间的匹配度，再导入实际控制点或者调查范围可以准确获取控制点的坐标值和调查范围的分类区划，正射影像得出的矢量数据也可以由ArcGIS 计算得出面积、株数，得出成活率和保存率，定位需要补植的植株位置。航拍出来的影像图分辨率达到了肉眼近地观测的精度，针对不同载荷和不同业务，林业技术人员可以根据以往调查经验，在ArcGIS 中实现精确判读同一区域的过渡地类，提高判读精度，在保证调查准确性和地类识别精度的同时，后期通过影像数据判断设计出图能减轻内外业调查工作人员的工作强度。两者灵活的使用方式，兼容又稳定的系统，相较于过去的调查方法有着更便捷的现代化促进效果，不会造成过程中的额外损失。可以协助调查规划技术人员进行复杂的多层数据对比，定位和详细描述现场独特现象，通过大量数据支持预测将来的情况，让参与工作人员充分了解现场情况。最终ArcGIS 软件处理后生成图纸，发到调查执法等监督机构通过高清遥感影像图纸，分析计算出林间植物遭遇破坏的地点和程度，可以及时对违法征占、毁林、开荒等行为进行教育纠正和处罚处理。调查整改后得到的矢量数据可以在ArcGIS 数据库进行更新替换，对数据信息进行统一存储管理。

2 无人机航拍在林业调查工作中的优势与劣势

无人机航拍技术在林业调查规划应用的越广泛，人们对这项技术的了解就越深入。这项技术的优势表现在可以在不同环境条件下获取森林资源的高清航拍影像数据，分辨率可达厘米级，并且可以低空下飞行，避免了云层遮挡调查区域的问题，准备工作时间短，可动态操作调查，操控简单。无人机体型小、携带便捷，快速到达目的地后可以马上开展工作。地面测绘工作人员通过对显示屏内的情况，对无人机摄像进行实时的调整，帮助内业测绘人员准确区划调查区域上方的位置，拍摄到有助于规划决策的影像信息及并准确提取调查因子[3]。对平坦地面情况选择正射航拍，后期几何校正处理，可以做到不采集地面控制点,获取符合核查技术要求的信息，航拍影像与遥感历史影像数据可以互相分析和对比，对林业的执法和监督机构提供有力的帮助。

但随着无人机航拍技术应用的广泛深入，也让人们发现它存在的一些急需攻克的技术问题，如无人机的操控时很多时候会涉及法律法规、地方电磁、气象、军事管制等问题；没有规范的技术操作约束，容易在使用时导致机器出现意外，劳民伤财，而且无人机的续航能力也是饱受诟病，在大型外业调查工作中，无法长时间持续工作，连续性不能保障，任务完成还存在不可预知性。山林地带地势复杂，除管制禁飞区域外，受强电磁和雨雪大风天气影响，飞行状态非常容易受干扰，所以在开展外业调查工作时，技术人员要灵活使用无人机来进行航拍。

3 无人机航拍发展前景分析

无人机航拍技术可以涉及到多个行业多个专业领域。目前涉及林业领域已经有森林火灾、森林病虫害遥感监测、森林精准植保、森林资源调查、野生动植物监测与识别以及林业执法等等。无人机航拍技术已经渗透这些领域其中并发挥着它的优势作用，例如：森林火灾具有三大特性，分别为随机性、破坏性大和突发性，中国森林火灾每年夏季发生的频率颇高，在火灾发生前利用无人搭载可见光和红外摄像机对其进行有效的巡查监测、及时发现火点和精确定位，可将现场地理情况和蔓延趋势回传控制中心，辅助现场指挥迅速反应和及时扑救，由此可见无人机航拍在森林防火应用中十分重要。林区里的植被受到病虫害影响会在航拍影像中会呈现出林冠形状和植被密度、颜色会有不同变化及差异等特征，在反馈回的影像图中可以被有效识别。无人机航拍技术应用在森林资源调查中，可以实现森林资源管理与林业可持续经营的互补，及时、准确地掌握森林资源情况，例如监测荒漠化和沙化区内的荒漠化和沙化范围、分布、植被覆盖度等情况，还可以利用搭载相机和高光谱成像仪、搭载激光雷达等设备获取目标区域内的林木三维点数据，实现准确识别调查区域内的林种和遍布范围、林木因子信息等等；林业执法管理是现代林业建设发展的重要组成，是森林资源强有力的保护措施之一[3]。无人机航拍的另一个重要应用是开展林区执法活动，能高频、多次、固定范围进行检测，及时发现违法占地、盗砍滥伐、违章用火及野生动物的盗猎和贸易等非法行为。野外林场、公园和城市绿地等地已日渐成为违法犯罪活动的重灾区，运用无人机航拍能提供确实的违法证据和违法范围，从而更好保护林间大部分植被和野生动物。

4 结语

在未来林业调查规划改革的大环境下，对人员和设备优化配置有着很高的要求，科学化的调查规划方式会普及在各种样地调查、造林核查、行政执法等领域。无人机航拍技术作为传统卫星遥感技术的重要补充之一，符合未来对林业行业发展前景规划的技术层面要求[4]。林业部门通过使用无人机航拍技术、ArcGIS 地理信息系统结合云计算，人工智能技术及大数据等高端制造设备，完成规划飞行调查、目标属性识别，提前预判感知周边环境，使未来林业建设逐渐进入无人机数字化建模时代，最终实现森林资源管理与监测的一体化。