消费级无人机在丽江市古城区天保工程项目成效监测中的应用

朱家俊

(云南省林业调查规划院生态分院，云南 昆明 650031)

1 研究背景

自天保工程二期实施以来，结合丽江市古城区森林分布特点、自然和社会经济状况，实施单位相应成立天保办，各乡(镇)成立天然林资源保护工程管理所，管理所下设森林管护站负责各责任区的具体工作，全区设有森林管护所6个，森林管护点21个，共有森林管护人员193人。古城区近五年每年都有万亩以上的天保项目实施，其中占多数的森林抚育、封山育林、人工造林项目对成果验收有较高的要求，由区级自查以后上报市级和省级抽查，县级自查是覆盖面最广任务最重却也是技术力量最薄弱的一环，大量的山头地块验收工作要靠管护点协同区林草部门技术人员完成。

日常的验收工作首先要对作业小班进行踏查，判断其小班位置、边界、面积是否与作业设计一致，而古城区多为高山、中山山地地貌，作业区海拔在2200～2700 m之间，山峦层叠沟谷纵横，小班区划多以山脊或箐沟为界，相较于丘陵地带踏查难度陡增，此为难点一。复杂的地貌带来的另一个问题就是深入作业小班调查林分因子时见此不见彼，通常目力所及之处不过百米，难以对整个小班的林相、林分有一个整体而全面的准确判断，此为难点二。验收调查以后，产出大量的小班调查卡、样地检尺表，只能服务于当年的验收工作，没有形成影像-矢量-调查卡的对比数据库，难以做到有效的长期成效监测，此为难点三。而消费级无人机以其合理的售价、轻便的体积、易上手操作的特性，十分契合林草部门外业踏勘工作。

2 研究目的

为了提高基层林草部门的工作效率，在低成本控制的前提下，利用市场上易于采购的大疆御Mavic2无人机，结合Altizure、PhotoScan、ERDAS、ArcGIS等软件，对作业区进行航拍踏勘、数据产出和数据库建立，结合遥感影像处理，形成项目实施前后的有效比对建标。在项目实施管理精度要求范围内，尽可能地简化流程，降低操作门槛，提升无人机技术在基层林草部门的普及度，有效减少外业工作量。

3 研究方法

3.1 无人机航拍踏勘及图像采集

大疆御Mavic2无人机为可折叠多旋翼飞行器，折叠后体积小巧，适合外业人员随身携带至项目区附近有利地形起飞。单电池25 min左右的有效续航时间和数公里的图传距离可以保障单架次飞行对作业区范围的有效覆盖。

起飞前利用ArcGIS软件将作业区矢量转为kml文件导入手机端的Altizure软件中，可以实现飞行过程中的实时定位对比，也便于对局部地区制作正射影像时规划航线。起飞后在摄像模式下，可操控无人机遍历整个作业区范围，核实作业区位置是否准确，初步检查地块反映的特征是否与作业设计一致。遍历整个作业区后，大部分地块结合管护人员平日巡查和作业设计踏勘的经验可核对完成，对不符设计要求，如：地类区划错误，郁闭度不达标，树种不符的地块及其他存疑地块进行正射影像采集。

结合古城区近5年的作业设计，单个作业小班面积均不超过300亩，作业区面积通常也在3000亩以内。山区地形复杂，以20 min的安全飞行时间计，设置航拍飞行速度为10 m/s，单架次飞行航线长度为12000 m，可以有效覆盖作业区内的存疑地块。在Altizure软件中对照导入的项目区范围，拖动航拍规划区域的控制点使其覆盖存疑地块，设置镜头为90°垂直向下拍摄，飞行速度为10 m/s，航向重叠设置为75%，旁向重叠率设置为60%，然后保存任务，寻找空旷平整的起飞点。确认手机端显示卫星连接成功周边环境和顶部环境安全后调用规划好的航线，开始执行航飞任务，无人机自动起飞拍照和返航。

3.2 项目区正射影像产出

航拍结束后将所有照片导入Windows电脑，打开PhotoScan软件，依次执行工作流程：添加照片-对齐照片-建立密集点云-生成网格-生成纹理-生成正射影像-导出。导出的影像文件可选格式和坐标系，为适配古城区林草基础资料使用，选择2000坐标系的TIF格式影像。在测绘领域，为保证准确无人机航测应布设像控点。若不进行像控点测量，直接对无人机影像数据进行处理，也可以得到航拍区域各地物之间的相对位置关系。在林草部门的外业调查环境中，布设像控点的难度很大，而且像控点测量要购置专业RTK设备进行，操作需要测绘专业机能，无形中提高了技术门槛，增加了设备成本。据多次实践结果，120 m航高内航飞生成的影像位置偏差小于3m，整体面积误差小于1%，即：经未布设像控点的小范围航拍产出的正射影像没有发生变形和拉伸，仅有少量偏移。这样的数据精度是优于手持GPS绕测小班的，也是符合精度控制的误差范围要求的。为便于后续使用，可在ArcGIS软件中使用地理配准工具依照古城区卫星影像对产出的正射影像进行校正以提高精度，由于航拍影像本身没有变形，只需一个配准点即可实现校正。

3.3 遥感分析及建标

在森林抚育、封山育林、人工造林项目验收指标中，最直观最易取得的便是林分郁闭度。郁闭度指乔木树冠垂直投影面积与林地面积之比，与其他需要样地实测的林分因子不同，在实际操作中郁闭度通常为调查人员现场目测，郁闭度的高低是评价天保工程各类项目成效的重要指标。古城区森林抚育项目主要实施方式为间伐抚育，实施对象主要是云南松中幼龄林，实施后林分郁闭度会降低0.15～0.20。封山育林项目要求郁闭度0.40以下的低质林地封育期满后郁闭度达0.60以上。人工造林项目的三年保存率、成活率指标也可通过郁闭度的变化初步反映。

目前基于像元二分模型和影像纹理特征的遥感估算郁闭度已经比较成熟，通过建立模型和回归估测进行郁闭度反演，但此法需要具备较强的遥感分析能力和模型演算能力，对于基层林草部门实际运用门槛过高。以前文所述方法得到的航拍影像图分辨率较高，在1∶1000、1∶500这样的大比例尺下有效信息仍然非常丰富，这一特点是其相较于卫星影像的最大优势(图1、图2)，也是基层林草部门获取林分郁闭度的最直观来源。叠加项目实施前后的两期影像，使用ArcGIS的卷帘功能对比查看，可通过树冠数量和地表露出面积的变化估算郁闭度变化，从而辅助判断项目实施成效，为后续的现场样地调查作有效引导。

通过航拍影像判读的郁闭度可与现场样地调查估测的郁闭度建立长效比对数据库(图3)，随着逐年项目数据的累积，对各种典型林分的各个郁闭度区间所反映的影像特征形成系统归纳并建标。建标后的数据库将大大提升古城区各类典型林分，如：云南松纯林、松栎混交林、松阔混交林等影像特征反演郁闭度的效率。

4 意义与展望

本文阐述的应用场景皆来源于古城区天保工程各类项目作业设计及检查验收工作，方法简单，无需专业的无人机技术和测绘技能，在现有的基层林草部门技

图1 1∶1000比例尺的航拍影像

图2 1∶1000比例尺的卫星影像

图3 人工造林航拍影像特征

术、设备条件下易于实现，可操作性强，易于推广。随着遥感数据处理分析的不断发展，所得的正射影像在其他林分因子的提取应用中也势必会产生更多价值。

基层林草部门的调查技术更新经历了早期的“地形图对坡区划-手持GPS辅助定位-手工方格纸计算面积”，到后来的“卫星影像区划-移动端GIS辅助定位-GIS软件矢量求算面积”，以后将逐步实现无人机局部替代外业调查，加之地面站和机载雷达的加持，树高、胸径、冠幅、蓄积等测树因子直接产出也会越来越容易实现。技术革新之路看似漫长，实则皆由每一次向前的探索成功实现。