無人機低空攝影測量與林調通在森林督查工作中的應用

李長偉

(昭通市森林和草原資源管理站，云南 昭通 657000)

1 引言

森林督查是國家加強森林資源保護的一項重要舉措，也是一項常態(tài)化和長效化的重要基礎工作，是對地方黨委政府保護森林資源責任落實情況和林業(yè)行政主管部門依法履職情況的一項全面體檢，事關及時發(fā)現和查處全省破壞森林資源的問題，確保堅決制止和懲處破壞森林資源的行為，事關及時整改工作不足和及時恢復森林植被，確保建立建全保護發(fā)展森林資源的常態(tài)長效機制，持續(xù)實現森林資源總量增加、質量提高、功能改善的目標[1]。

森林督查是嚴格執(zhí)行森林資源保護管理各項制度，提升森林資源保護管理水平，建立常態(tài)化的監(jiān)督和執(zhí)法機制，做到及時發(fā)現、及時查處、及時整改、及時恢復森林植被，有效遏制違法破壞森林資源行為，推動生態(tài)文明建設[1]。

2 昭通市森林督查概況

昭通市森林資源管理工作以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，深入貫徹執(zhí)行“十九大”提出的“要實行最嚴格的生態(tài)保護制度”“堅決制止和懲處破壞生態(tài)環(huán)境的行為”要求[2]，以森林督查為抓手，充分利用現代科學技術和基層護林員，全力做好森林資源的保護、管理和利用工作，為全市脫貧攻堅做出應有的貢獻。

森林督查工作連續(xù)開展三年以來，昭通市通過2018年森林督查工作開展后，加強林地管理法律法規(guī)及政策宣傳，加強對護林員考核獎懲，違法改變林地用途現象有所下降。2018年國家下發(fā)疑似判讀圖斑3396個，2019年國家下發(fā)疑似判讀圖斑3026個，2020年國家下發(fā)疑似判讀圖斑2624個，核實圖斑變化原因分別有：建設項目使用林地、毀林開墾、土地整理，毀林造林、林木采伐 、造林更新、森林撫育、災害因素、自然因素、調查因素 、現地無變化等[3]。

3 無人機低空攝影測量的概念及原理

3.1 概念

無人機低空攝影測量，顧名思義即通過對無人機的應用，結合無線電遙控設備或機載計算機遠程控制飛行等系統(tǒng)及全自動化攝影測量、GPS自動定位等先進技術，實現航測遙感數據的快速獲取與同步處理。無人機航測是傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補充，具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產周期短等特點，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢。無人機航測擁有快速航測反應能力、突出的時效性和性價比、監(jiān)控區(qū)域受限制小、地表數據快速獲取和建模能力等特點讓無人機行業(yè)應用也越來越廣泛。例如國土局、測繪局、規(guī)劃局、電力、水利、交通、消防、武警等行業(yè)及政府部門或企業(yè)的應用[4]。

3.2 原理

低空攝影測量的基本原理是三角測量，和經緯儀的三角測量是同一個原理。通過至少2個不同位置拍攝照片，從每個相機到物體上的點產生一個“視線”(也叫可以叫光線)這些視線相交就會產生一個三維坐標[5](圖1)。

圖1 低空攝影測量的基本原理

4 無人機航測的發(fā)展歷程

從1839年尼普斯和達意爾發(fā)明攝影術，攝影測量到現在也有180多年的歷史。1851～1859年期間，法國陸軍提出和進行了交會攝影測量，這是攝影術開始應用于測量的關鍵。但是直到1903年，萊特兄弟發(fā)明飛機后，航空攝影測量成為可能，無人機航測也成為了可能。

2000年，Zischinsky使用模型直升機(旋翼無人機)拍攝的圖像加上地面拍攝的圖像生成了建筑物的3D模型。

2001年，日本Yahama公司的RMAX旋翼無人機系統(tǒng)配備了DGPS(差分GPS)系統(tǒng)，當時定向飛行軌跡的位置的3D精度可以達到0.3m(滾動)和0.1°(俯仰)/ 0.2°(偏航)[5]。

2020年，為了提高森林資源監(jiān)測水平，及時掌控森林資源變化情況，避免大面積破壞森林資源違法行為發(fā)生，在2020年的森林督查工作中使用無人機和林調通兩個調查工具，這使得昭通市的森林督查工作邁入無人機低空攝影測量時代。

5 應用儀器設備及軟件

5.1 設備

無人機型號為精靈Phantom 4 RTK , Phantom 4 RTK是一款小型多旋翼高精度航測無人機，面向低空攝影測量應用，具備厘米級導航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)；RTK水平定位精度1 cm+1 pm , 垂直定位精度1.5 cm+1 ppm , 平面建圖水平絕對精度5 cm×10-6。為航測而生的精靈Phantom 4 RTK配備1英寸2000萬像素CMOS傳感器捕捉高清影像。機械快門支持高速飛行拍攝，消除果凍效應，有效避免建圖精度降低[6]。其參數見表1。

表1 無人機參數

5.2 軟件

軟件型號為大疆智圖和云集林調通，大疆智圖是一款提供自主航線規(guī)劃、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建的PC應用軟件；林調通是一款移動端GIS軟件，具備雙模定位和差分定位模塊，高定位精度，與林業(yè)數據無縫兼容，支持XIAN80坐標系和CGCS2000國家大地坐標系等常用坐標系。

6 無人機低空攝影測量在森林督察中的應用

傳統(tǒng)的森林督查工作采用的是人工用林調通繞測方式進行，這種方法具有人工勞動強度大、工作效率低、信息獲取不準確等缺點，而且人工繞測過程中存在著工作疏忽以及對部分區(qū)域繞測不到位的現象，導致面積不精準、耗時等問題，因此，為了進一步提高森林督查效率和質量，將無人機應用到森林督查是時代發(fā)展的必然趨勢和現實工作的必然需求[7]。

在森林督查工作中，通過對2020年國家下發(fā)昭陽區(qū)判讀圖斑226個中[8]，分別對建設項目使用林地、毀林造林、現地無變化、調查因素、造林更新等變化原因的圖斑用無人機低空攝影測量和用林調通人工測量進行對比分析。

(1)基本流程。準備工作：安裝電池和螺旋槳，檢查電池電量和螺旋槳；將遙控器和飛行器開機，等待定位和聯網。

(2)影像照片獲取。規(guī)劃飛行區(qū)域，自動生成航線，開始作業(yè)，航空攝影測量單張像片測圖的基本原理是中心投影的透視，拍攝照片可以有兩種形式，可以是垂直拍攝，也可以是傾斜拍攝。根據需要可以選擇垂直拍攝，生成正射影像圖，也就是平面的。選擇傾斜拍攝，生成的就是3D影像圖。

但是，不管怎么拍攝都有一個很重要的點，就是在同一個點，至少要拍攝兩張以上的照片，這就要在飛機飛行拍攝照片時考慮到重疊率的問題(圖2)。

圖2 重疊率示意

(3)生成正射影像圖：完成照片采集工作以后，將飛行器中存儲的對應照片拷貝到電腦，打開大疆智圖軟件，加載照片后軟件自動完成影像處理工作。

(4)通過對7個疑似圖斑進行的無人機航測，驗證了無人機航測具有高分辨率、高效率和精細準確的優(yōu)點(表2)。

表2 無人機低空測量面積與林調通繞測面積對比分析

圖3～5是三個森林督查圖斑衛(wèi)星影像圖與無人機航拍圖對比效果。

圖3 無人機影像(a) 衛(wèi)星影像(b)12號圖斑

圖4 無人機影像(a)，衛(wèi)星影像(b)52號圖斑

圖5 無人機影像(a)，衛(wèi)星影像(b)53號圖斑

7 結果與分析

無人機低空攝影測量獲取到的無人機影像清晰度要優(yōu)于衛(wèi)星影像，能夠比較清晰的看到地物和地貌，能夠滿足森林督查的工作需求。

本文通過對7個圖斑進行無人機低空攝影測量，論證了無人機低空攝影測量的可行性和準確性，將無人機正射影像圖與國家下發(fā)的疑似圖斑進行疊加對比，在確認坐標系同為CGCS2000國家大地坐標系時，位置沒有偏移。在無人機航測的同時，通過移動端GIS林調通的圖斑范圍采集，無人機影像與林調通的采集結果大致相同，但所耗時間長。區(qū)別于林調通只能采集矢量范圍的不足，無人機正射影像更全面，更直觀。

無人機低空攝影測量作為地形圖與衛(wèi)星遙感攝影不可缺少的補充，主要有精度高、成本相對較低、操作簡單、機動性、靈活性和安全性等優(yōu)點，能減少外業(yè)工作時間、降低勞動強度，提高工作效率，專業(yè)且直觀[9]。

8 結論

(1)無人機低空攝影測量作為新型技術手段，能夠較好的應用于森林督查工作，并且具有高分辨率、高效率和精細準確的優(yōu)點。

(2)使用無人機低空攝影測量完成森林督查工作，大大減少了人工勞動力，減輕了工作負擔，優(yōu)化了工作流程。

(3)無人機作為飛行物具有一定的危險性，無人機限高為500 m，飛控內置了限飛區(qū)和禁飛區(qū)，在使用時應當嚴格遵守法律法規(guī)和安全操作守則。

(4)無人機低空攝影測量的輸出成果為影像圖，能夠比較直觀地了解林地地貌，可為后續(xù)工作提供有力依據和證明。