無人機激光雷達與攝影測量林業應用研究進展

申曉哲 牛毓君

（1.山西省造林局 山西省太原市 030012 2.山西省煤炭地質資源環境調查院 山西省太原市 030006）

無人機激光雷達與攝影測量林業應用研究進展

申曉哲1牛毓君2

（1.山西省造林局 山西省太原市 030012 2.山西省煤炭地質資源環境調查院 山西省太原市 030006）

近幾年，隨著無人機相關技術的日益成熟，其在各行業的應用日益廣泛，森林空間結構及動態變化規律對森林經營管理、生態環境建模等具有重要意義。本文論述了無人機技術在林業資源監測、森林巡護、病蟲害監測、常規防火監測、森林火災應急指揮等方面的應用需求，其在單木、林分尺度森林環境長時間序列監測方面具有無可比擬的優勢。

無人機；激光雷達；攝影測量

1 無人機激光雷達系統

無人機激光雷達系統通常配備激光掃描儀、高精度全球導航衛星系統＆慣性測量單元（global navigation satellite system，GN SS＆inertial measurement unit，IMU）和光學相機等載荷，激光掃描儀能夠獲取地物的三維點云數據，高精度GNSS＆IMU提供姿態和位置信息，用于解算激光點三維位置，光學相機用于地物類型識別以及結構信息提取。隨著微型激光掃描儀、GNSS＆IMU集成系統的快速發展，出現了多種輕小型無人機激光雷達系統，采用高精度GNSS＆IMU是提高激光雷達定位精度的關鍵，集成GNSS＆IMU 的混合測量單元（hybrid measurement unit，HMU）已經能夠達到厘米級定位精度，另外，低成本GNSS＆IMU系統精度較低，采用GNSS雙天線可以有效改善航向精度。無人機自動巡航系統能夠實時地獲取飛行器位置、速度和姿態信息，并反饋給飛行控制系統，使得飛行器沿著預定航線飛行，自動巡航開源框架包括 Paparazzi、OpenPilot、ArduPilot等。

2 無人機攝影測量系統

激光雷達能夠穿透森林冠層，直接測量森林三維結構，在森林經營管理與生態系統研究中具有廣闊應用前景，輕型固定翼飛機、無人旋翼機等一些小型飛機將允許民用飛行，無人機攝影測量平臺可以選擇固定翼、多旋翼或直升機，固定翼飛行速度快，適合于較大區域測量任務，從而推動了無人機行業應用快速發展。攝影測量獲取時間序列森林表層結構信息，保證激光雷達與攝影測量數據位置匹配精度的情況下，分析森林結構變化規律。實時監測無人機工作情況，獲取時間和范圍受空域政策限制，同時氣候條件進一步限制了有效觀測時間，根據無人機續航能力及時調整返航時間，注意風向和風速的變化等外部環境因素，傳統機載激光雷達數據獲取成本高，無人機激光雷達與攝影測量相結合可以彌補相互之間的不足，隨著無人機系統負載、航時、穩定性等性能進一步提高，將使得無人機遙感系統在林業中的應用范圍更為廣闊，無人機激光雷達操作靈活，特別是輕小型無人機具有便攜性，可為森林結構研究和森林資源調查提供一個有效的技術手段。無人機獲取時間和范圍受空域政策限制，同時氣候條件進一步限制了有效觀測時間，攝影測量獲取時間序列森林表層結構信息，保證激光雷達與攝影測量數據位置匹配精度的情況下，分析森林結構變化規律。無人機攝影測量系統通常配備普通相機、低精度等載荷無人機航空遙感技術是以獲取低空高分辨率遙感數據為應用目標。

3 無人機激光雷達與攝影測量綜合分析森林結構

無人機激光雷達對森林冠層具有穿透性，能夠準確地獲取森林冠層內部結構及林下地形信息，但是獲取的光譜特征比較單一；無人機攝影測量能夠獲取更為豐富的圖像光譜特征，通過圖像三維重建可以精細地觀測森林冠層上表面的空間分布特征，透過冠層之間的空隙獲取部分內部結構及林下地形信息，將無人機激光雷達和攝影測量相結合，可以彌補單一測量方式的不足。

無人機激光雷達與攝影測量的結合方式一般是由激光雷達提取地形，將攝影測量點云減去激光雷達地形得到攝影測量歸一化點云，再提取森林結構相關信息。使用固定翼無人機近紅外相機獲取橡樹（Quercuspalustris）林和云杉（Piceaasperata）林航空圖像，通過MICMAC提取點云數據，由圖像重建DSM減去激光雷達DEM得到圖像重建CHM，與激光雷達CHM進行對比分析，發現圖像重建CHM能夠很好地估測林分和單木變量；分析了固定翼無人機獲取的亞熱帶森林航空圖像，使用Pix4D進行三維重建，并結合激光雷達DEM估測林分特征，發現胸徑加權高的敏感性最高，蓄積量次之，林分密度和胸高斷面積最低。另外，無人機激光雷達點云和攝影測量點云也可以合成在一起，再用激光雷達點云處理方法提取森林結構相關信息。

無人機激光雷達和攝影測量容易受森林郁閉度的影響，使用多旋翼無人機激光雷達和相機集成系統同步獲取了桉樹林激光雷達點云和圖像數據，采用AgisoftPhotoscan從圖像重建三維點云，對比分析無人機激光雷達和攝影測量獲取的森林結構，結果發現對于低郁閉度區域，2種方法均能夠提供地形和冠層特征信息，隨著郁閉度增加，激光雷達能夠得到更高精度的垂直結構信息。

4 結束語

隨著技術的進步，在現有的無人機系統技術的基礎上，結合林業的行業特點，建立無人機、無人機相關數據處理軟件自動化程度的提高，將使得無人機遙感系統在林業中的應用范圍更為廣闊。未來幾年，隨著大量高新技術應用于無人機，無人機的性能、功能將進一步提升，無人機技術在林業中的應用必將日漸成熟，以期服務于國家森林資源調查、重大工程監測、生態環境監測等業務需求。

[1]汪小欽，王苗苗，王紹強，等.基于可見光波段無人機遙感的植被信息提取［J］.農業工程學報，2015（05）：152～159.

S771

A

1005-7897（2017）20-0200-02

2017-8-19