无人机航摄技术在辽宁省森林资源调查中的应用分析

姜佳晔

(辽宁省林业调查规划监测院，辽宁 沈阳 110122)

1 引言

随着技术的快速发展，小型无人机在远程遥控、续航时间、飞行品质、图像处理等方面有明显的进展，成为近几年新兴的遥感手段，并在遥感界被普遍认为具有良好的发展前景。在森林资源调查工作中，无人机调查较比传统遥感手段而言，更具有时效性，能及时应对不同环境下的突发情况；且无人机可以实现低空拍摄，在影像精度上可以达到厘米级的分辨率，可以满足绝大部分的林业遥感工作需求。近年来，辽宁省也开始尝试应用无人机航摄技术开展森林资源调查工作，并于2019年成功应用于全球森林资源评估辽宁外业调查工作中，本文主要介绍近年来无人机航摄技术在辽宁省森林资源调查工作中的应用情况，以及存在的问题、对策和应用前景展望等。

2 无人机航摄技术

无人机航摄技术的应用主要依托于无人机这个重要载体，本文探讨的无人机型号是DJL4.0PRO。该机型起飞重量为1375 g，最大飞行高度为500 m，飞行时间约30 min；翼展为289.5 mm，机长为289.5 mm，高度为196 mm；自带一体式云台相机，可控转动范围俯仰-90°～+30°；最大水平飞行速度为72 km/h(运动模式)或50 km/h(定位模式)。该机型配备视觉系统与红外感知系统，提供多方位的视觉定位及障碍物感知，在林区起飞时，在一定程度上避免刮碰，对机身造成伤害。综上所述，该机型在外业调查时，方便携带，起落智能，方便操作，航摄影像空间分辨率高，且价格适中，适合大多数项目在外业调查工作中的应用(表1)。

表1 无人机的技术参数

3 无人机航摄技术在辽宁省森林资源调查中的应用现状

应用现状部分建议增加全球森林资源评估外业拍摄的数据资料，可以以表格形式列出，同时增加全球森林资源评估工作的主要工作流程，详细介绍28个样地数据在各工作环节中是如何处理的，以此来说明无人机航摄技术在森林面积踏查、森林地类变化、森林属性分析方面是如何应用的，来展示应用现状(以下介绍的3点可以保留并增加一些具体的东西，本文重点是现状，现状介绍最好有实际的东西，这样才能体现是在辽宁的应用现状)。

2019年4～5月，辽宁省使用无人机展开了全球森林资源评估在省内的外业调查工作，外业调查共31块样地，成功飞行28块样地，成功率达到了90%。目前，在辽宁省内没有开展全省范围的无人机调查，这是需要森林资源调查监测工作中亟需提高的短板。利用无人机影像，主要对以下3方面内容进行操作及分析。

3.1 森林面积踏查

由于无人机影像的空间分辨率能够达到厘米级的精度，因此可以结合影像，针对不同地类进行精细区划，进而计算面积。使用ARCGIS软件中编辑模块(EDITOR)，加载无人机影像做底图，编辑面图层对影像进行矢量化处理，以此可以得到二级地类、甚至是三级地类的精细区划，再对面图层属性表中Shape Area一列进行几何体计算(Geometry Calculate)得出具体面积。这样大大减少传统外业调查中，人工跑圈的误差。对于以样本估计总体为理论指导的工作，可以减少样本误差，以提高对总量的估算精度。

3.2 森林地类变化

近年来，为了与森林督查暨森林资源管理“一张图”年度更新工作衔接，对于有变化地块，无人机可以及时掌握变动情况，实时监测森林资源动态。在ARCGIS软件中加载前期影像和无人机影像，叠加林地变更数据，使用EFFECTS工具栏中的卷帘工具对前后期影像进行对比，判读出不同地类。

3.3 森林属性分析

利用无人机影像，可以对树高、冠幅、郁闭度等因子进行提取。在ARCGIS软件中，对无人机影像中所选择的标准木进行因子提取。树高的提取方法为通过标准木边缘4个方向的地面点坐标确定地面高度，由树冠中心坐标确定树干高度；冠幅的提取是使用测量工具，对树冠南北和东西边缘之间的距离进行测量，并计算平均值。郁闭度可以对样地集中选取N个样木点，通过冠幅的平均值，形成N个样木的缓冲区，计算其面积，再除以样木点所在的范围面积，得出该样地的郁闭度。

4 无人机在外业调查应用中存在的问题

4.1 无人机受外部环境影响较大

在全球森林资源评估外业调查中，共拍摄了31块样地，其中成功拼接28块样地，有三块样地拼接失败。失败原因：一是因为山区海拔落差大，无人机采集照片在拼接时难以找到同名点，导致拼接失败，影像出现空白或是拉花比较严重；二是拍摄当日风力较大，在飞行拍摄过程中偏离航线，导致照片丢失，无法进行拼接；三是部分偏远地区信号较弱，飞行中与无人机失联，因此强制返航，导致拍摄失败。

4.2 无人机飞行器续航时间短

影响无人机续航时间主要取决于机身自重及搭载传感器的重量、电池的容量及安装的块数。电池容量小会导致续航时间短，拍摄时长不充分；而电池容量大就会导致无人机机体重量较大，为外业携带带来不便。本研究中该机型续航时间为40 min，在无风天气条件下，起飞高度200 m左右，续航时间约20 min，踏查范围约为40 km2。轻小型无人机普遍存在续航时间短的问题，但由于体积小，便于携带，成本较低，常用于林业外业调查。

4.3 无人机搭载传感器类型单一

目前，省内森林资源调查使用的无人机搭载基本都是光学相机，对于高光谱、多光谱、热红外相机、激光雷达等传感器的应用还属于起步阶段，这些传感器对于树高的测定、树种组成识别、森林冠层结构与属性测定及生物量测定等都有更好的成果。

4.4 缺乏针对林业专业设备及软硬件方面的开发

目前使用的无人机设备并非针对林业工作开发的专业设备，在软件及硬件的使用上存在一些问题，导致无法更高效率的完成任务。现在市面上大多无人机设定航线后，只能在一个高度飞行，而外业调查实际工作中，海拔落差较大，无人机的飞行高度无法随着地形改变。在内业工作中，由于林木之间成像相似，因此拼接过程中，照片与照片之间难以融合。使用PhotoScan、Pix4Dmapper等软件拼接照片时，海拔落差较大的林区，成像效果不太理想。

5 提高应用效率的建议

5.1 针对无人机方面，应提高航摄效率

一是通过无人机与人工智能的结合，提高无人机的自主辨别能力，可以在林区地势更复杂、气候更恶劣的条件下完成任务，缩短外业调查工作的时长，保证工作的安全，降低调查的成本；二是通过对无人机飞行平台的升级及其搭载的传感器研制，提高续航能力、增大有效载荷、提高成图效率和成图精度；三是研究轻小型多视立体航摄仪、小型机载激光雷达、热红外成像仪等多传感器与飞行平台及飞控系统的集成技术，开发基于轻小型无人机的实景三维模型、机载合成孔径雷达影像图、热红外航空遥感影像图等产品，推广轻小型无人机在林业生产中各个领域的应用。

5.2 加强与相关单位沟通，开发林业专业化设备及软件

目前，无人机在森林资源调查工作中涉及的领域太单一，应与相关单位加强沟通，研发更适合外业调查模式的无人机软件，包括外业调查时针对林区起飞及起飞模式的设置、航摄照片的拼接、采集数据的分析等一列工作，进行专业化的处理。

5.3 加强业务人员的专业培训，提高对无人机在不同地类下的应用能力

在实际操作中，飞手对现地情况的掌握及对无人机性能的了解，都对样地飞行成功起到关键作用，因此对飞手的专业技术要求较高。今后林业外业调查的重点是轻小型无人机搭载多视立体航摄仪、小型机载激光雷达、热红外成像仪等多传感器，拓宽地面巡视，快速获取地表信息。因此，要加强业务人员林业与无人机的专业培训，针对不同立地条件、不同林分因子的地类进行差别化、针对性的操作。

6 应用前景及设想

6.1 利用现有的资料及无人机成片，建立辽宁省无人机遥感解译库

辽宁省森林资源数据库建立较早，且每年进行更新，数据更新快，准确性大幅度提高。可把目前掌握的现地核实数据为基础，并选择补充一些典型样地，开展长期的无人机监测和详细的地面调查，逐步建立辽宁省无人机遥感解译库。

6.2 建立辽宁省森林资源调查无人机编队

随着无人机技术的日趋成熟，无人机避障技术可以与人眼的视觉功能相媲美，无人机可能智能分析周围环境，找到“工作伙伴”，筛选最优飞行方案，组建无人机调查编队，实现协同飞行。这样大大提高了无人机踏查的范围，可以逐步开展对整个林场或者乡镇的全境普查。

6.3 建立天地空立体化调查监测体系

天地空立体化调查监测相比传统调查监测手段更具有立体、动态、精准、迅速等特点，可及时掌握森林资源动态变化，更可以在森林火灾监测、森林病虫害监测、野生动植物监测、林业执法等工作中，起到很好的预防、控制、补救作用。

7 结语

随着人工智能、大数据等技术的快速发展，林业外业调查方式也亟需改善。新型无人机的研发趋于专业化，无人机调查的方式可以弥补传统调查的短板，因此，未来会有越来越多的场景下使用无人机开展调查。本文通过对无人机(机型DJL4.0PRO)在辽宁省森林资源外业调查工作中应用情况的介绍，分析了应用中存在的问题，结合实际情况，提出了相应的对策，根据上述研究，也对未来无人机在辽宁省林业生产工作中的应用提出了展望。总之，无人机技术对于森林资源调查工作中应用价值潜力巨大，必将进一步推动森林资源调查更加高效、精准、广泛、及时的开展。