消費級無人機在麗江市古城區天保工程項目成效監測中的應用

朱家俊

(云南省林業調查規劃院生態分院，云南 昆明 650031)

1 研究背景

自天保工程二期實施以來，結合麗江市古城區森林分布特點、自然和社會經濟狀況，實施單位相應成立天保辦，各鄉(鎮)成立天然林資源保護工程管理所，管理所下設森林管護站負責各責任區的具體工作，全區設有森林管護所6個，森林管護點21個，共有森林管護人員193人。古城區近五年每年都有萬畝以上的天保項目實施，其中占多數的森林撫育、封山育林、人工造林項目對成果驗收有較高的要求，由區級自查以后上報市級和省級抽查，縣級自查是覆蓋面最廣任務最重卻也是技術力量最薄弱的一環，大量的山頭地塊驗收工作要靠管護點協同區林草部門技術人員完成。

日常的驗收工作首先要對作業小班進行踏查，判斷其小班位置、邊界、面積是否與作業設計一致，而古城區多為高山、中山山地地貌，作業區海拔在2200～2700 m之間，山巒層疊溝谷縱橫，小班區劃多以山脊或箐溝為界，相較于丘陵地帶踏查難度陡增，此為難點一。復雜的地貌帶來的另一個問題就是深入作業小班調查林分因子時見此不見彼，通常目力所及之處不過百米，難以對整個小班的林相、林分有一個整體而全面的準確判斷，此為難點二。驗收調查以后，產出大量的小班調查卡、樣地檢尺表，只能服務于當年的驗收工作，沒有形成影像-矢量-調查卡的對比數據庫，難以做到有效的長期成效監測，此為難點三。而消費級無人機以其合理的售價、輕便的體積、易上手操作的特性，十分契合林草部門外業踏勘工作。

2 研究目的

為了提高基層林草部門的工作效率，在低成本控制的前提下，利用市場上易于采購的大疆御Mavic2無人機，結合Altizure、PhotoScan、ERDAS、ArcGIS等軟件，對作業區進行航拍踏勘、數據產出和數據庫建立，結合遙感影像處理，形成項目實施前后的有效比對建標。在項目實施管理精度要求范圍內，盡可能地簡化流程，降低操作門檻，提升無人機技術在基層林草部門的普及度，有效減少外業工作量。

3 研究方法

3.1 無人機航拍踏勘及圖像采集

大疆御Mavic2無人機為可折疊多旋翼飛行器，折疊后體積小巧，適合外業人員隨身攜帶至項目區附近有利地形起飛。單電池25 min左右的有效續航時間和數公里的圖傳距離可以保障單架次飛行對作業區范圍的有效覆蓋。

起飛前利用ArcGIS軟件將作業區矢量轉為kml文件導入手機端的Altizure軟件中，可以實現飛行過程中的實時定位對比，也便于對局部地區制作正射影像時規劃航線。起飛后在攝像模式下，可操控無人機遍歷整個作業區范圍，核實作業區位置是否準確，初步檢查地塊反映的特征是否與作業設計一致。遍歷整個作業區后，大部分地塊結合管護人員平日巡查和作業設計踏勘的經驗可核對完成，對不符設計要求，如：地類區劃錯誤，郁閉度不達標，樹種不符的地塊及其他存疑地塊進行正射影像采集。

結合古城區近5年的作業設計，單個作業小班面積均不超過300畝，作業區面積通常也在3000畝以內。山區地形復雜，以20 min的安全飛行時間計，設置航拍飛行速度為10 m/s，單架次飛行航線長度為12000 m，可以有效覆蓋作業區內的存疑地塊。在Altizure軟件中對照導入的項目區范圍，拖動航拍規劃區域的控制點使其覆蓋存疑地塊，設置鏡頭為90°垂直向下拍攝，飛行速度為10 m/s，航向重疊設置為75%，旁向重疊率設置為60%，然后保存任務，尋找空曠平整的起飛點。確認手機端顯示衛星連接成功周邊環境和頂部環境安全后調用規劃好的航線，開始執行航飛任務，無人機自動起飛拍照和返航。

3.2 項目區正射影像產出

航拍結束后將所有照片導入Windows電腦，打開PhotoScan軟件，依次執行工作流程：添加照片-對齊照片-建立密集點云-生成網格-生成紋理-生成正射影像-導出。導出的影像文件可選格式和坐標系，為適配古城區林草基礎資料使用，選擇2000坐標系的TIF格式影像。在測繪領域，為保證準確無人機航測應布設像控點。若不進行像控點測量，直接對無人機影像數據進行處理，也可以得到航拍區域各地物之間的相對位置關系。在林草部門的外業調查環境中，布設像控點的難度很大，而且像控點測量要購置專業RTK設備進行，操作需要測繪專業機能，無形中提高了技術門檻，增加了設備成本。據多次實踐結果，120 m航高內航飛生成的影像位置偏差小于3m，整體面積誤差小于1%，即：經未布設像控點的小范圍航拍產出的正射影像沒有發生變形和拉伸，僅有少量偏移。這樣的數據精度是優于手持GPS繞測小班的，也是符合精度控制的誤差范圍要求的。為便于后續使用，可在ArcGIS軟件中使用地理配準工具依照古城區衛星影像對產出的正射影像進行校正以提高精度，由于航拍影像本身沒有變形，只需一個配準點即可實現校正。

3.3 遙感分析及建標

在森林撫育、封山育林、人工造林項目驗收指標中，最直觀最易取得的便是林分郁閉度。郁閉度指喬木樹冠垂直投影面積與林地面積之比，與其他需要樣地實測的林分因子不同，在實際操作中郁閉度通常為調查人員現場目測，郁閉度的高低是評價天保工程各類項目成效的重要指標。古城區森林撫育項目主要實施方式為間伐撫育，實施對象主要是云南松中幼齡林，實施后林分郁閉度會降低0.15～0.20。封山育林項目要求郁閉度0.40以下的低質林地封育期滿后郁閉度達0.60以上。人工造林項目的三年保存率、成活率指標也可通過郁閉度的變化初步反映。

目前基于像元二分模型和影像紋理特征的遙感估算郁閉度已經比較成熟，通過建立模型和回歸估測進行郁閉度反演，但此法需要具備較強的遙感分析能力和模型演算能力，對于基層林草部門實際運用門檻過高。以前文所述方法得到的航拍影像圖分辨率較高，在1∶1000、1∶500這樣的大比例尺下有效信息仍然非常豐富，這一特點是其相較于衛星影像的最大優勢(圖1、圖2)，也是基層林草部門獲取林分郁閉度的最直觀來源。疊加項目實施前后的兩期影像，使用ArcGIS的卷簾功能對比查看，可通過樹冠數量和地表露出面積的變化估算郁閉度變化，從而輔助判斷項目實施成效，為后續的現場樣地調查作有效引導。

通過航拍影像判讀的郁閉度可與現場樣地調查估測的郁閉度建立長效比對數據庫(圖3)，隨著逐年項目數據的累積，對各種典型林分的各個郁閉度區間所反映的影像特征形成系統歸納并建標。建標后的數據庫將大大提升古城區各類典型林分，如：云南松純林、松櫟混交林、松闊混交林等影像特征反演郁閉度的效率。

4 意義與展望

本文闡述的應用場景皆來源于古城區天保工程各類項目作業設計及檢查驗收工作，方法簡單，無需專業的無人機技術和測繪技能，在現有的基層林草部門技

圖1 1∶1000比例尺的航拍影像

圖2 1∶1000比例尺的衛星影像

圖3 人工造林航拍影像特征

術、設備條件下易于實現，可操作性強，易于推廣。隨著遙感數據處理分析的不斷發展，所得的正射影像在其他林分因子的提取應用中也勢必會產生更多價值。

基層林草部門的調查技術更新經歷了早期的“地形圖對坡區劃-手持GPS輔助定位-手工方格紙計算面積”，到后來的“衛星影像區劃-移動端GIS輔助定位-GIS軟件矢量求算面積”，以后將逐步實現無人機局部替代外業調查，加之地面站和機載雷達的加持，樹高、胸徑、冠幅、蓄積等測樹因子直接產出也會越來越容易實現。技術革新之路看似漫長，實則皆由每一次向前的探索成功實現。