無人機遙感技術在城市樹木智慧化管理中的應用?

楊瑞卿 唐 瓴 談海佳 許曉波 嚴 巍

1 上海市綠化管理指導站 上海 200020 2 上海陀嶺園林雕塑工程有限公司 上海 200331 3 上海城市樹木生態應用工程技術研究中心 上海 200020

無人機遙感技術在城市樹木智慧化管理中的應用?

楊瑞卿1，3唐 瓴1，3談海佳2許曉波1，3嚴 巍1，3

1 上海市綠化管理指導站 上海 200020 2 上海陀嶺園林雕塑工程有限公司 上海 200331 3 上海城市樹木生態應用工程技術研究中心 上海 200020

隨著城市建設步伐的加快，無人機遙感系統在各行各業都取得了飛速發展。如何在生態城市、智慧城市建設中充分發揮無人機遙感系統在城市樹木規劃建設、統計分析、管理指導、預報預測中的作用，進而提高城市樹木的智慧化管理水平，促進城市樹木的長勢和景觀面貌提升，筆者結合當前無人機遙感發展趨勢，立足城市樹木管理，提出無人機遙感在城市樹木管理中的應用形式，以期為今后城市樹木的精細化管理提供一定的支撐。

城市樹木，無人機遙感系統，智慧化，精細化

城市樹木是城市生態系統和景觀的重要組成部分[1]，它具有美化環境、凈化空氣、補充氧氣、減少噪音及污染等作用[2]，通常指生長在城市中的喬木，主要包括5大類:行道樹、綠地樹木、公園樹木、小區樹木和古樹名木。其大多分布在人口較為集中的城區，立地條件十分復雜，因此，對其人工調查的效率較低，進行日常監測難度較大。

隨著我國一些大城市的生態城市和智慧園林建設步伐日漸加快，城市樹木智慧化管理也必將成為今后行業發展的趨勢。無人機遙感技術因其自動化、智能化、專題化等特點，能夠快速獲取環境的空間遙感信息，完成遙感數據處理、建模和應用分析的能力，從而實現城市樹木管理的信息化、現代化、標準化、可視化、智能化及精細化，其必將在今后城市樹木管理中發揮重要作用。國內外對無人機在綠地管理等領域的大量研究和實踐表明，采用無人機遙感技術不僅能夠準確判定和量測綠化覆蓋面積，而且對于判別綠地類型、結構、空間布局乃至識別植物種類都十分有效，特別是隨著無人機遙感系統硬件、軟件的不斷完善，其為城市的綠地規劃、建設、養護管理等提供了全新、現代化和便捷的技術支持。

1 無人機遙感系統概況

無人機 (Unmanned Aerial Vehicle)，即指自帶飛行控制和導航定位系統的無人駕駛的飛行器[3－5]，它的優點包括成本低、拍攝的圖像分辨率高、數據精準、外業周期短、操作簡單靈活、高效快速等[6－7]。將無人機與遙感技術結合，即為 “無人機遙感”(簡稱UAVRS)[8]。因而，無人機遙感系統具有運行成本低、執行任務靈活、能夠獲得高分辨率遙感影像等優點，成為傳統航天遙感、衛星遙感的優異補充，將廣泛運用于諸多領域，如城市規劃管理、三維實景、氣象觀測、農牧監測管理、海事監管、國土資源清查、災害監測預防、應急災害救援等[9－10]。由此可見，其在城市樹木的智慧化管理中也將具有廣闊的應用前景。

2 國內外應用現狀

2.1 國外應用情況

國外無人機遙感技術發展迅猛，應用領域較多，技術體系已較為成熟。世界上第一臺農用無人機出現在1987年的日本，經過20余年的發展，目前日本已擁有2 400多架注冊農用無人機，操作人員14 000多人，成為世界上農用無人機噴藥第一大國[11]。除此之外，美國、俄羅斯、加拿大及韓國等國的農用無人機發展及其技術體系也較為迅速和完善。麻省理工學院在 《科技評論》雜志中曾評選出“2014年十大最具突破性的科技創新”，農用無人機被排在了第1位。瑞士有學者提出了一種小型無人機影像全自動處理方法，可以處理導航級別的無人機定位信息和消費級非測量型數碼相機影像，并且能實現較高的制圖精度，相較于傳統制圖方式更具有優勢[12]。德國Grenzd?rffer等分別用固定翼和降落傘無人機 (Paraglider UAV)進行攝影測量試驗，表明小型UAV可以成功獲取高精度數據影像。無人機遙感技術在農業和林業領域發展潛力巨大[13]，如，2015年1月，美國的聯邦航空管理局 (FAA)正式批準了無人機在農業的應用——農作物監測[14]；Rango[15]等研究了無人機低空遙感在牧場保護方面的應用，利用其高分辨率影像，評估了牧場的健康狀況；Berni等利用無人機平臺成像傳感器影像，計算獲得植被指數、光化學發射指數等信息，能夠對農田、果園和作物等進行監測[15－18]。

2.2 國內應用情況

與國外相比，我國無人機發展較晚，但起點高、發展迅速，優勢主要是相關軟件的應用方面。民用領域主要集中在農業、林業、國土等領域，在綠化中的應用較少。2004年起，我國科技部、農業部等開始研究和推廣植保無人機；2007年，我國對植保無人機進行產業化探索；2010年，國內首架植保無人機問世。目前，農用無人機在農業生產中的應用主要體現在植保作業、林業監測、作物授粉及牧群定位等方面。如，利用無人機數字圖像技術能夠獲得冬小麥冠層生物量的垂直分布規律[19]、較好地模擬不同條件下LAI的變化[20]、較準確地計算森林的LAI[21]、識別倒伏作物并獲取倒伏信息[22]。此外，李文慧[23]等以欽州市犀牛角鎮土地利用為例，利用無人機遙感影像資料進行三維地形建模，得到了清晰、逼真的虛擬現實效果。謝彩香[24]等根據中藥資源分布特點利用無人機進行抽樣調查，結合航天遙感計算中藥資源的總量，大大節省了成本，并使其結果具有統計學的可靠性。臺灣大學理學院空間信息研究中心利用無人機拍攝低空大比例尺圖像，配合FORMOSAT2分類進行異常提取，解譯桃園縣非法廢棄堆積物 (固體垃圾等)，用于環境污染監測和執法調查[8]。無人機還能夠完成無人機影像數據與地面實測數據的對比、分析[25]，對森林資源二類調查涉及的森林精確區劃調查、森林病蟲害監測防治方面有良好應用前景[7]。同時，研究表明無人機影像經過幾何校正和拼接后得到的正射影像圖具有很高的平面位置精度[26－27]，使用無人機航拍影像進行面積監測的精度基本能達到95.0%以上[28]。

近年來，隨著國內對空域政策的放寬，以及智慧城市、生態城市建設的發展需要，無人機遙感系統在城市樹木管理中的應用顯得尤為重要，在園林綠化中的應用日益增多，優勢也逐漸顯現。例如，北京市在推進智慧園林建設過程中，實現園林綠化資源信息的二維或三維地圖，為瀏覽和資源監管提供基礎[29]。此外，利用無人機收集的數據及影像，提取行道樹基本信息[30]、觀察園林樹木的寄生植物[31]、開展園林綠化調查[32]、制作二維和三維地形圖[33]、通過對城市綠地信息的提取，開展城市綠地的現狀分析與評價[34]，計算城市[35－36]、 小區[37]和植株[38]的三維綠量，建立了城市森林植被高度模型[39]。以上研究表明，這些方法都需要高精度的遙感影像，而無人機遙感技術獲取的遙感圖像分辨率高、時效性強、數據采集成本較低，可彌補傳統衛星遙感和普通航空攝影技術的缺陷。

3 無人機在城市樹木管理方面的應用

3.1 病蟲害管理

利用無人機遙感、載熱和窄帶多光譜成像傳感器、地理信息系統、全球定位系統、計算機技術等高新技術手段，組建病蟲害和外來入侵有害生物的監測預警技術體系，研究生物災害的發生危害動態、風險評估及預測預報，對發病面積、程度、趨勢進行統計分析，從而實現對區域內樹木發病情況進行動態監控，進而為病蟲害的防治提供依據。同時，根據發病程度和趨勢，規劃防治路線，進而通過搭載藥瓶進行高空噴藥防治，既節約了人工成本提高了效率，又提高了防治效果減少了對人體的傷害，這些對于整個綠化行業的可持續發展有著重要的意義。

3.2 系統規劃

城市樹木系統規劃的工作范圍大，工作強度高，并且需要規劃師對城市樹木的整體或區域分布、周邊情況有清晰、明確的了解與定位。無人機航拍技術則可以將這些情況清晰、準確地表達在三維和二維圖像上，明顯縮短了工作周期和工作量，提高了規劃的時空效應。

3.3 日常管理

無人機通過搭載高分辨率監測、攝像設備，可以解決日常巡查人員不足、效果差、效率低等問題，有助于管理人員精確掌握城市樹木的現狀。如冬季修剪、夏季剝芽工作的開展，枯枝爛頭、樹洞的精確定位等為城市樹木的時查時管提供科學有效的依據。

3.4 動態監測

城市樹木監測已經由傳統的獲取樣本的數量、位置等方面的信息，逐漸轉變為向對象的動態變化監測方向發展。而無人機具有高時效性，能第一時間獲取對象變化數據，通過紅外、多光譜和高光譜、SAR等技術的應用，將在以后的城市樹木管理中(面積變化、樹木數量、樹種變化、樹種分布、樹種識別、綠蔭覆蓋率統計、生長量變化等)發揮其他遙感平臺所不能比擬的優勢。同時，通過接收裝置收集各處傳感點的數據，實現對城市樹木的土壤水分情況、環境溫度與濕度、二氧化碳程度等的實時監測，并進行數據分析，實現園林管理的智能灌溉、智能預警與分析、專家線上指導等等。

3.5 災害監測

突發事件及災害的發生往往容易導致環境發生改變，使搶險人員快速親臨現場制定解決方案的可能性降低。而無人機機動性能好，作業方式快速靈活，并且得到影像的處理結果對于災害應急救援具有重要指導作用。如臺風、冰雪災害來臨之后對倒伏、損壞樹木的分布、數量、程度進行分析，可以提高搶險救災的時效性和針對性。

4 結語

無人機遙感系統在城市樹木管理、實時監測、預報分析等領域的應用具有巨大的優勢和廣闊的前景。它相比其他遙感形式，具有更高的地面空間分辨率，是對當前城市樹木管理、景觀面貌提升、監測手段的有力補充，可以很好地應用于城市樹木精細化管理領域。

但由于我國無人機遙感系統在城市樹木管理方面的應用起步較晚，且目前主要是用于規劃方面。隨著無人機在城市管理及各個領域應用的不斷深入，無人機遙感系統必將會為城市綠化特別是城市樹木管理方面的工作做出積極的貢獻。

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Application of Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing Technology to Intelligent Management of Urban Trees

Yang Ruiqing1，3， Tang Ling1，3， Tan Haijia2， Xu Xiaobo1，3， Yan Wei1，3
(1.Shanghai Green Management Guidance Station， Shanghai 200020， China；2.Shanghai Tuo ling garden sculpture Engineering Co， Ltd， Shanghai 200020， China；3.Shanghai Engineering Research Center of Urban Trees Ecological Application， Shanghai 200020， China)

With the accelerated urbanization，unmanned aerialvehicle(UAV)remote sensing system has been widely applied in all walks of life In the eco and smart city construction，it is vitally important how to give full play to the UAV remote sensing system in urban trees planning and construction， guidance and management， statistical analysis，forecast so as to improve the wisdom management level of urban trees，then improve the tree vigor and landscape Based on city tree management，the authors presented the application forms of UAV remote sensing in the management of urban trees with an eye to the UAV development to study，to provide some support for fine management of urban trees in the future.

urban trees， unmanned aerial vehicle remote sensing system， intelligence， refinement

10.3969/j.issn.1672－4925.2017.06.006

2017－7－10

上海市綠化和市容管理科技攻關項目 (G160507；G150503)；上海市科委科技創新行動計劃 (17DZ2252000)

楊瑞卿 (1981－)，男，碩士，主要從事城市綠化管理與技術指導工作，E－mail:zdzyrq＠163.com

嚴巍 (1972－)，女，高級工程師，研究方向為城市綠化管理，E－mail:yanw816＠163.com