淺談無人機在林業實際測繪中的應用優勢

黃文明，周宇，陳海

（海口市林業服務中心，海南海口 571101）

1 引言

1.1 無人機定義

無人機全稱“無人駕駛飛行器”，（Unmanned Aerial Vehicle）英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。它涉及傳感器技術、通信技術、信息處理技術、智能控制技術以及航空動力推進技術等，是信息時代高技術含量的產物。

1.2 無人機在林業中的應用發展

近十年來，隨著電子與無線電控制技術的不斷進步，GPS衛星定位系統的成熟以及輕型復合材料的廣泛應用，無人機行業進入快速發展階段。

目前，無人機在各個領域得到了廣泛應用，除軍事用途外，還包括農業植保、電力巡檢、警用執法、地質勘探、環境監測、森林防火以及影視航拍等民用領域，且其適用領域還在迅速拓展。

在森林資源調查、面積測繪、森林防火、生態環境、森林病蟲害防治等方面，無人機具有方便、快捷、安全、高效等特點，即通過其攜帶中低空實時電視成像和紅外成像快速獲取系統進行實時、不間斷地監測。相比無人機，傳統的衛星、有人機等在遙感測繪等應用方面，其不僅僅成本高、時效性差，而且施工復雜。

鑒于無人機在林業領域應用上的巨大優勢，全國各省區紛紛加大資金投入，建設相關的森林資源無人機監控體系，以充分發揮無人機技術在森林資源調查和動態監測中優勢作用。

2 數據獲取與處理

2.1 樣地選擇

圖1 各地塊示意圖

地塊 A 位于 19°53′20.22″N，110°18′29.4″E，羊山地區林中空地內，周圍林木樹種為荔枝，平均高度8m；

地塊 B 位于 19°43′41.11″N，110°22′14.83″E，為南渡江邊防護林帶，周邊分別是水泥道路及草地；

地塊 C 為 19°44′48.16″N，110°23′22.84″E，屬農地，周圍亦農地，地勢平坦，無任何植被覆蓋；

地塊 D 位于 19°45′26.49″N，110°24′54.73″E，為用材林，周圍為村莊道路及農田，地勢平坦。

2.2 設備材料

2.2.1 無人機

大疆精靈4P V2.0四軸飛行器；飛行載重：1380g；懸停精度：垂直±0.1m（超聲波工作范圍內）；水平±0.3m（視覺傳感器工作范圍內）；升降速度：1.5m；控制距離：6000m；飛行高度：500m；飛行時間：約28min；云臺：Phantom4一體化云臺相機；可控轉動范圍：俯仰-900±300；相機鏡頭：FOV940 20mm（35mm格式等效）F/2.8焦點無窮遠；傳感器：1/2.3英寸COMS，有效像素1240萬（總像素1276萬）；照片分辨率 4000×3000；圖片格式：JPEG、DNG（RAW)。

2018年8月，全國發行地方政府債券8830億元。其中，一般債券3564億元，專項債券5266億元；按用途劃分，新增債券5127億元，置換債券和再融資債券（用于償還部分到期地方政府債券本金，下同）3703億元。

2.2.2 T1000無人機航測系統

T1000一款基于旋翼無人機平臺的一體化智能航測系統；系統基于無人機航測管家 iPad版，支持正射、條帶、傾斜、環繞、全景多種作業模式的專業航線設計與全自動飛行控制功能；整合無人機管家專業版軟件，在其穩健的空三解算、控制點測量、一鍵成圖等支持下，針對旋翼相機優化算法，實現大比例尺精度應用，并提供 DSM、真正射、三維模型等多種成果。

主要功能：一鍵快拼成圖，交互式的控制點量測，支持用戶自定義坐標系下的正射影像生成；勾繪面積，方便快捷可快速導入到第三方 GIS系統，可以快速的勾繪面積和圖形。

2.2.3 GPS

Trimble天寶GeoXH 3000亞米級GPS接收機；尺寸：23.4cm×9.9cm×5.6cm；重量 963g；操作系統Windows Mobile6.5專業版.

2.3 研究方法

2.3.1 采用GPS現地實測

手持GPS，沿小班邊界實測，現場獲取圖斑面積。

2.3.2 無人機航拍測量

通過T1000無人機航測系統和ArcGIS等軟件求算得到圖斑面積等信息。然后內業數據處理，通過ArcGIS軟件，導入無人機現場拍攝的遙感圖片，電腦上直接勾繪小班邊界，然后自動生成小班面積。

圖2 無人機測繪

圖3 GPS測繪

3 結果與分析

表1 無人機航拍與常規測量時間和面積對比Tab.1 The comparison of time and area between UVA and general measure

首先，從橫向對比方面上看，表1中的四塊小班完成航拍用時分別為：0.2378h、0.241h、0.245h、0.4096h，無人機在完成四個小班的航拍總用時為1.1334h；而常規測量用時則分別為 0.5833h、0.666h、0.333h、1.0833h，總用時是 2.6665h。四塊小班總共節省1.5331h，從時間效率上計算平均每塊小班提高2.3529倍。

從測量面積上看，四塊小班的常規測量面積分別比航拍面積少了 0.201、0.2206、0.188、0.1976hm2，面積比分別為 6.12%，6.66%，5.52%，3.42%，平均面積比為5.43%。

結合現地地形可以發現，此次測試四塊小班，地勢平緩，無坡度、無高度差，地塊邊界無雜草灌木，無需繞彎等，常規測量所需時間較少。如遇山坡地、谷地等，邊界雜草叢生，河溝林立等惡劣的地形地貌等，常規測量所需的時間更多，花費時間可能是航測的10～20倍，甚至更久都有可能。因此，無人機航測優勢更明顯，效率更高。

表2 不同航拍高度照片與實際長度對比Tab.2 Comparisons between aerial photographs of different altitudes and actual lengths

在縱向對比方面，可以看出，無人機不同的飛行高度與地面的呈像范圍有所不同（如表2）：

在50m飛行高度，云臺呈像范圍對應的實地長和寬分別是75m、50m，觀測面積0.3748hm2，分辨率約0.015m；

在200m飛行高度，云臺呈像范圍對應的的實地長和寬分別是 300m、200m，觀測面積 5.997hm2，分辨率約0.052m；

在500m飛行高度，云臺呈像范圍對應的實地長和寬分別是 750m、500m，觀測面積 37.4812hm2，分辨率約0.13m；

以上數據可以得出，無人機飛行高度與呈像范圍成正比，與分辨率成反比。即飛行高度越高，云臺呈像范圍越大，對應的分辨率也越低。同一塊地塊，不同的航測高度，所需的時間有所不同。因此，不同的遙感范圍及分辨率要求可以調整不同的飛行高度。

4 結論與討論

4.1 結論

傳統的使用手持式GPS測量儀測量林地的方式已經不能滿足日常的工作需要，一是地面的GPS信號受到環境、地理位置等因素的影響，導致傳統的GPS測量儀搜索到的可用衛星信號不多，從而影響測量的精度；二是對于地形復雜、山路陡峭的林區來說，手持式GPS測量不僅精度難以把握，而且還有可能對測量人員帶來身體傷害等。

無人機航拍測量具有效率高、精度高和安全性高的“三高”的特點，在常規的外業小班測繪中，調查效率比常規方法提高2～10倍，在極端地下條件下甚至更高。在效率提高的同時，也能確保人員的安全性等。現地調查工作量大，爬山涉水困難多，強度高；無人機調查能夠減少外業調查時間，降低勞動強度，提高工作效率等等諸多優勢。

4.2 討論

無人機影像分辨率達到了肉眼近地觀測精度，不僅僅在測繪方面得到應用，在林地相關類別的判別上，也擁有無可比擬的優勢，如：

森林資源調查中，在全國森林資源年度出數，灌木林地與非林地屬性的判別、喬木林與非林地區劃邊界的調整、同一區域的過度地類判讀等；在一類清查中，外業調查人員用差分GPS確認一類樣地，使用感光效果良好的白板作為定位點，確認樣地范圍，利用無人機遙感的時效性強、精度高的特點，判斷非喬木林地樣地的地類及地類面積；在二類調查中，無人機航攝影像地類邊界清晰，既可以改善衛星影像區劃和判讀的成果精度，又能提高二類控制抽樣調查中的非喬木林地樣地調查的精度。

此外，林業行政執法中，利用無人機快速響應能力，對盜伐濫伐林木進行航拍，精確獲取盜伐濫伐的面積、株數等；在違法征占林地、毀林開荒等案件中，無人機可快速成圖，林業執法部門通過高清遙感影像，分析出森林遭破壞的地點和程度，及時進行糾正和處罰。

營造林核查方面，在林地征占和林木采伐、枯死木調查、森林健康狀況調查、災害調查、濕地和荒漠化沙化土地調查等，無人機均可發揮巨大的優勢作用。

5 總結

當前，隨著科技的不斷進步，林業的發展趨勢已經由傳統的生產作業不斷向自動化、信息化以及實效化方向不斷發展。無人機作為一種監測手段以及獲取相關信息的重要工具，在林業發展中扮演著越來越重要的作用。但是因為各方面因素，當前我國無人機技術存在很多不足：如對無人機管理還存在政策法規和行業標準不完善、管理較嚴；其次是無人機應用程序較多，但不精、不全、不夠專業性等；此外在無人機行業應用上、操作人員培訓等，很多相關部門還不夠重視等，還需要不斷研究完善。