無人機航測在山杏種質信息采集中的應用與研究

楚景月，張云程

(1.喀左縣林業和草原局，遼寧 喀左 122300；2.喀左縣林業種苗管理站，遼寧 喀左 122300)

1 研究總體思路

研究成果利用無人機傾斜攝影技術，制作出可見光正射影像(DOM)和高程柵格數據(DEM)，通過建立分類模型對兩類影像數據解析獲取種質樹相關信息。研究涉及無人機航攝技術、地理信息采集技術(RTK應用技術)、航攝影像制作技術、正射影像分類識別技術、高程柵格數據處理技術、相關模型建立等。該項技術的研制成功，徹底解決了高端林業項目實施中可能遇到一系列難題，讓種質資源精準定位、提高調查效率和科研成果可靠性、歷史數據的回溯與追蹤、縮減科研周期、推行動態監測以及維護科研檔案安全等成為可能，進而為全面發展數字林業鋪平道路。

2 技術方案與創新成果

本著精度高、易操作、低成本的原則，進行相關設備確型、參數確定、模型建立和固定工藝流程諸方面研究，以滿足山杏樹體因子提取之要求。

在歷時4年的時間里，主要完成了3方面研究的目標任務。即無人機航攝高精度成圖，包括控制點的布局與獲取、無人機航攝、Pix4D航測成圖關鍵技術；地圖矢量化方面包括種子資源庫點、線面目標的繪制；種質資源信息獲取研究方面包括種質樹高信息獲取、建立種質樹葉花的RGB顏色模型、種質樹樹冠投影面積信息獲取、山杏開花的物候期觀測。在技術開發、推廣及產業化過程中，攻克了種質樹郁閉后樹冠分割技術，解決了用低端無人機實現高精度制圖的關鍵技術，提出了樹木生長空間概念。

(1)通過控制點的布局與獲取、無人機航攝、Pix4D航測成圖關鍵技術研究，根據大疆精靈3A和大疆御2Pro 這2個型號無人機的特點，探索出基于最優航線布設方法、控制點布局與獲取方式、無人機飛行方式及航攝方式，總結出Pix4D航測成圖關鍵技術，創建了無人機種質資源信息獲取的參數確定和工藝流程。

(2)制作出了山杏種質資源庫矢量化地圖。亦即，基于控制點、正射影像、高程影像繪制種質園邊界、各分區界、分組界等面目標，繪制作業道、供水管線、供電線等線目標，標定種質樹、標樁、水罐、水栓等點目標。

(3)構架山杏種質樹數據庫。山杏點層(SXD.shp)為地理幾何數據層，在山杏點層(SXD.shp)屬性表中建立要素屬性信息(關系數據庫)，數據庫結構分隸屬關系、空間關系、種質樹屬性因子和種質樹表現因子4個方面。隸屬關系包括功能區、組、小區、樹號，并由此組成種質樹身份編碼；空間關系因子，種質樹位置的空間坐標包括經度、緯度、種質樹根部高程，生長空間面積；種質樹屬性因子包括種質樹名稱、譜系號、種質來源、繁殖方式、栽植年份、栽植方式、砧木等。種質樹表現因子包括：樹體因子、枝、葉調查因子、花器官調查因子、果、核、仁調查因子、產核量調查因子、物候期觀測因子。由連接種質資源位置兩鄰點直線的垂直平分線組成的連續多邊形組成得到樹木生長空間矢量圖層，即山杏面層(SXM.shp)。

(4)建立了山杏種質樹葉、花RGB色彩模型。通過計算種質樹葉生長期正射影像(DOM)的R、G、B這3個波段值與種質樹葉的RGB顏色模型預測值的差平方和置信區間，提取出葉、花特征。

(5)實現了快速批量獲取樹木位置、樹高、樹冠投影面積等樹體因子，大幅提高了工作效率和精準度，圓滿完成了各項研究目標任務。

(6)編制省級地方技術標準1項，即《山杏種質資源調查及評價技術規程》(DB 21/T 2462—2015)。

3 與國內外同類研究的比較

研究始于2016年，在歷時4年時間里“無人機航測在山杏種質信息采集中的應用與研究”項目取得系列重要進展。楊坤等[1]采用Pix4D軟件對無人機采集的高分辨率影像進行處理，利用大類間方差法將三維點云分割為樹木點云及樹下地面點云兩部分，由此提取樹木頂端高度到地面平均高度得到樹高。此方法克服了數字表面模型將會導致樹木部分細節丟失造成的誤差和采用單株樹木立體像對提取樹高導致的人為誤差，但必須是在水平林地上，局限性明顯較大。劉見禮等[2]設計了一種基于無人機影像點云和“單木樹冠結構分析”的單木識別算法。該算法通過對識別的單木樹冠的垂直結構的分析，剔除掉偽單木，從而提高單木識別的準確率。利用數學形態學方法，提出了一種基于無人機正射影像(DOM)和數字表面模型(DSM)數據的單木識別算法。該算法綜合運用DOM和DSM的光譜和幾何信息進行單木樹冠區域的提取，針對密集林區單木樹冠交錯重疊的問題，實現樹冠相連單木的分離與識別。但實際應用時識別率依然不高。劉清旺等[3]在憑借無人機激光雷達與攝影測量能夠獲取豐富的森林空間結構和類型信息。但存在問題是時有單木錯識別的現象出現。

在國外，雖說目前亦有關于無人機技術應用的研究報道，但大部分研究都是把精力置于解決樹木位置和地面基準問題上面，為達成目標，有的要規避地形，有的規避樹種，有的采用反演，技術復雜多樣，但普適性和精度都不很高。

通過對同一區域、同一地形、同一種質樹木的信息在不同時期進行重復獲取，故信息更精準、誤差更小、操作更易，可復制、可推廣性更強，具有可行性和必要性[4]。

4 經濟和社會效益分析

4.1 經濟效益

“無人機航測在山杏種質信息采集中的應用與研究”成果，讓實現精準無誤變得不再困難。粗略估算，采用本法能讓這種投資上千萬的項目每年至少可節省研究經費100萬元，4年共400萬元。在信息采集方面，沈陽農業大學派人(研究生)抽樣調查山杏種質樹的樹高冠幅時，需要2人為1組，調查1株種質樹平均用時約5 min，1天(8 h)只能調查96株樹。共5組調查5天，調查種質樹2400株，數據采集效率為6株/人·h。而改用本項技術采集山杏種質資源庫88000株種質樹的樹高和冠幅信息(全部調查)僅需要1人4天即可完成，數據采集效率為2750株/人·h，是人工采集效率的458倍，每年可節省調查采集費用54萬元，4年共216萬元。

另外，快速選育出的林木新品種并加以推廣，它帶來的直接經濟效益是非常巨大的，有的甚至能改變區域現狀。在本項研究中，因管理能力和管理水平真正實現了現代化，在不太長的時間里，即已成功選育出具有豐產穩產特性的“山杏1號”，迄今已在本地區推廣141.3 hm2，平均每畝年增收600余元，每年約可增加收入127萬元，4年共508萬元。

上述3項合計，應用本項目每年可節本增效281萬元，4年共獲經濟效益1124萬元。

4.2 社會效益

對廣大林農來說，新品種、新技術就是致富法寶，以“山杏1號”推廣為例，平均每667 m2每年可增收600余元，廣大林農在獲得經濟收益的同時，對維護社會穩定、提升民眾對林業產業的重視程度、促進和諧社會發展建設，皆有重要的附加社會效益。