無人機在林業調查設計領域的應用及發展趨勢

摘 要：在林業調查設計工作中應用無人機，可實現區域內定點飛行拍攝，有助于完成森林資源調查任務，更能幫助管理者全面掌握各類植物覆蓋因子，為后續營造林管理和森林資源保護奠定堅實基礎?；诖?，從數據收集與測繪、數據處理、數據驗證等方面總結林業調查設計工作中無人機的應用方法，并分析提出進一步提高無人機在夜間和惡劣天氣條件下的應用精準性等應用發展趨勢，以促進智慧林業發展。

關鍵詞：無人機；林業調查設計；森林資源保護；森林郁閉度

中圖分類號：S712；S758 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2023）02-138-3

0 引言

無人機在我國的應用起步較晚。2014年之前，無人機多應用于軍事領域；2016年后，無人機在工農業領域應用較廣泛。搜狐網公開資料顯示，2020年無人機技術在農林植保中的應用率高達42%，可有效提高林業資源調查、地面巡視、森林病蟲害監測、火災監測等作業效率?；诖?，筆者以廣西壯族自治區國有大桂山林場為例，分析無人機在林業調查設計工作中的具體應用方法及發展趨勢，旨在創新林業生產方式，最大限度地發揮無人機在林業領域的應用潛力。

1 林業調查設計內容

林業調查設計是林業工作的重中之重［1］。林業調查設計工作包括相關技術人員到現場查看林木生長狀況，判定當地水文地質條件，對森林進行分類區劃界定，對野生動植物資源進行調查與監測評價，編制占用征收林地可行性研究報告，編制林業數表等。做好林業調查設計工作可以將林業生產內容具體化、規范化，使管理者可以總體把握林業資源狀況，科學調整林業產業結構，尤其在二類調查和三類調查中，可以更全面地掌握各類植物覆蓋因子，為后續營造林管理和森林資源保護奠定堅實基礎。

2 無人機應用于林業調查設計工作的優勢

林業人員在開展林業調查設計工作時，多利用衛星遙感系統監測森林生長情況，但受分辨率限制，無法獲得某一區域高清影像。此時，無人機就成為衛星遙感系統的補充。無人機通常機型較小，且可通過無線通信技術傳遞信息。與人工駕駛小型飛機相比，無人機機動性更強，操作簡單，經濟成本低；與衛星遙感系統相比，無人機拍攝圖像更高清，定位更準確。即使林場內部地形地貌復雜多變，采用新興低空遙感技術+無人機技術，也可以實現區域內定點飛行拍攝，最終完成森林資源調查任務，最大限度地提升森林資源調查規劃設計效率。加之林場內部森林資源調查周期要求較短，應用無人機技術可有效保證森林資源調查數據的實效性［2］。此外，無人機搭載數碼相機后可在定點地區完成傾斜成像與垂直成像，滿足森林資源調查與監測工作要求，為林分調查因子測量、林業規劃設計提供依據。

3 林業調查設計工作中無人機應用方法

筆者以廣西壯族自治區國有大桂山林場為例，總結無人機在林業調查設計工作中的應用方法。截至2021年12月底，該林場經營總面積7.9萬hm2，森林覆蓋率高達91.2%，主要經營商品木材林，同時兼顧林下種養、花卉苗木繁育、林產品貿易等多項業務，活立木總蓄積量超過630萬m3。在生態文明發展理念下，該林場深入貫徹習近平總書記的“兩山論”，以林場高質量發展為主線，重點部署生態保護修復、林業科技創新等工作任務，以此不斷開創林場高質量發展新格局。其中，無人機應用就作為一項創新技術，在林場森林資源調查、林業規劃設計中起到重要作用。基于此，筆者以國有大桂山林場森林郁閉度調查為例，總結無人機在其中的應用方法。

3.1 數據收集與測繪

郁閉度是指樹冠在陽光直射下冠幅與林分總面積之比，是反映森林結構和生長環境的重要因子，可反映地表植物生長狀況。開展郁閉度調查可估測林木生活空間利用程度，對今后營林規劃、造林任務安排、森林資源經營管理等工作具有重要指導作用。在應用無人機開展森林郁閉度調查過程中，林業人員首先應收集數據。廣西壯族自治區國有大桂山林場土壤以紅壤、砂壤、黃紅壤為主，林木以桉樹、松樹、樟樹為主，地面植被分布不均，多數地塊地勢平坦。筆者選擇70 m×50 m的地塊作為樣地，利用Altizure規劃拍攝間隔、拍攝速度、拍攝高度、飛行路徑等參數，使用大疆悟Inspire無人機，以30 m和40 m為拍攝高度進行上空拍攝；設置IOS速度為IOS-100，曝光時間為1/160 s，光圈值f/3.5；設定拍攝間隔為5 m和2 m。拍攝時，無人機數碼相機鏡頭垂直向下，不同距離拍攝4組圖像；無人機共飛行4次，每次拍完照片制作成正射影像圖。傾斜部分使用替換方法糾正，圖像變花時利用手動鑲嵌方式糾正，之后篩選出理想圖像。筆者通過多次拍攝得出樣地照片，供后續處理。在航拍測繪中，由于很多區域地形地勢非常復雜，無法全方位進行勘測，此時無人機航拍測繪就能派上用場。無人機航拍測繪能減少地面測繪的限制和盲點，提升測繪的效率和精度，并且能夠大幅減少測繪人員的工作量。其中，航線設計是制作高質量影像圖的關鍵，也是航拍測繪必學技術之一。林業人員首先可以參照奧維互動地圖、谷歌衛星、外業精靈等影像軟件，在DJI Pilot中規劃航線。林業人員需要根據測區的地形地貌設計航線，為正影像圖的制作提供足夠的重疊率。在實際作業中，重疊度一般設定為航向80%、旁向70%，但可以根據不同環境下的實際情況，適當增大或減小。同時，林業人員需要綜合考慮各方面因素設計無人機航線，如天氣、航線高度、航線速度等，以保障飛行安全和獲取影像滿足要求。

3.2 數據處理

3.2.1 影像合成。利用Agisoft PhotoScan Professional（64bit）合成無人機航行中正攝所拍得的照片，具體分割步驟：①在工作流程中添加照片或添加文件夾；②在航拍正攝照片添加完畢后，將雜亂無序的照片對齊；③生成網格，形成地形影像；④將其保存后選擇Build Orthomosaic，產生地域坐標；⑤最后導出Export Orthomosaic JPEG/TIFF/PNG/BMP格式，即可獲得在ArcMap10.2.2軟件上測繪面積的影像圖。

3.2.2 樹冠分割。依據Altizure顯示實際面積，在制作好的正射影像圖中利用分水嶺算法分割樹冠，實際面積為（50×70）m2，具體分割步驟：①為得到初步處理圖像，應去掉原圖像噪點，減少干擾，將原始圖像灰度化后得到正射影像圖；②判斷灰度直方圖是否有雙峰；③計算梯度圖像；④對分水嶺變換取出相鄰區域，將該背景作為背景標記，對前景區域極大值做出前景標記；⑤對分割后圖像在連通區域合并。

3.2.3 分水嶺算法應用。在分水嶺算法中，將每一個局部極小值稱為集水盆（包括極小值影響區域），以模擬浸水現象為具體算法過程；在兩個集水盆匯合處形成分水嶺，每一個極小值向外擴展，將圖像低海拔匯水盆地分離，每一點像素灰度值表示該點海拔，最終呈現分割效果。

3.2.4 結果提取。降噪處理之后，以待處理像素為中心，尋求像素值與最接近鄰點（K個鄰點）。將K個像素灰度均值替換掉原來像素值，避免邊界平滑處理，以方便后續分水嶺變換。該種方法在抑制噪聲的同時，可降低圖像邊緣的模糊感。對預處理后的圖像進行梯度幅值計算，沿物體邊緣較高像素值區分圖像邊界，通過橫向和縱向矩陣，得出亮度差分近似值，利用閾值法進行初步分割。若灰度直方圖有雙峰，選取閾值時雙峰對應前景和背景像素極大值，否則采用迭代法計算閾值，初始閾值可隨機生成。然后根據G1（背景灰度數據）、G2（前景灰度數據）測算新的閾值，公式為［m1（G1均值）+m2（G2均值）］/2［3］。背景像素用黑色代替，前景像素用原始灰度值代替。由于樹冠灰度值比地面其他物體更高（灰度值越大，物體顏色越明亮），因此可利用樹冠局部最大值提取作為標記符。為避免提取時出現嚴重誤差，林業人員應對陰影、空隙、樹冠內暗斑、噪聲等部分進行平滑處理，去除非樹冠亮細節噪點，保留輪廓信息，將黑白圖像膨脹部分移植到灰度圖像上。工作人員再將得到的內部標記符和外部標記符進行梯度圖像改進，剔除不相干極小值點，避開原先噪聲極小值區域，以有效提高標記結果精準性，對極值區域精準分割，以免在樹冠分割時連帶地面部分，從而縮小結果偏差。

3.3 數據驗證

在此次測量中，將無人機測量的森林郁閉度與實際測定結果相對比，差異如表1所示。

由表1可知，利用無人機測量森林郁閉度的誤差集中在2%以下。無人機在上空拍攝時，樹木高度會造成誤差。技術人員要想將上層樹冠拍攝得更為清楚，必須清除樹冠直接遮擋部位和陰影部位，否則會直接當作背景處理，圖層也會被認為是地塊；疏林地部分林木分布不均，導致實際測量值偏大或偏小，加之地面植生長旺盛，前景、背景分割難度加大，上層樹冠易遮擋植被，因此產生誤差。此外，無人機拍攝時，要想確保照片光線均勻，最好避免陽光直射，但由于現實因素影響，拍攝天氣選擇具有局限性。但是，常規情況下，用無人機測量森林郁閉度的誤差較小，與其他測量方式相比精準度較高，可以為后續營林規劃、造林管理、資源調查、林業設計等工作提供數據支撐，應用效果良好。

3.4 注意事項

“十三五”以來，無人機在廣西壯族自治區國有大桂山林場林業資源調查、林業資源規劃設計等方面的應用越來越普遍。但在使用過程中，林業人員要想提高工作效率，提升調查精度，還應該注意以下幾點。

林業人員應合理選擇起飛點和作業高度［4］。通常情況下，工作人員應在無人機飛行之前確定最高山峰和起飛點之間的高度差，盡量選擇山頂（最好不超過500 m）、山脊等位置，避免信號微弱、撞機等問題發生。如果作業位置過高，可能導致重疊率不高，后期出現合成圖缺角問題。此時，林業人員應調低重疊率，節省飛行時間，在較高位置進行補飛；在任務完成后，手動進行飛行拍照，增加重疊率，確保合成圖完整。無法確定規劃范圍時，林業人員可參考航線寬度對作業區域進行拍照。通常情況下，作業范圍與飛行高度成正比，即飛行高度越高，作業范圍設置越大。

4 林業調查設計工作中無人應用機發展方向

當前，無人機已被廣泛應用于森林病蟲害監測與防控、森林火災預警、野生動植物監測等工作。該技術的應用可幫助調查人員對無法到達或艱難到達的地方進行勘探與調查，實現森林圖斑精確核查，為森林資源二類調查設計等工作提供數據支撐。但就目前無人機技術在林業調查設計中的應用來看，無人機難以全方位、全天候滿足實際工作需要［5］。因此，相關部門和技術研究人員應該著重研究并擴大無人機應用范圍，尤其在夜晚、降雨環境下，避免無人機拍攝受不良環境影響，提高目標定位準確性；應不斷創新研究圖像匹配算法，以保證無人機在惡劣環境下實現航拍，滿足實際工作需求。

斯威普水手4防水無人機是無人機的新標桿，支持在快速運動過程中拍攝流暢的視頻和清晰的照片，支持全天候工作，在夜間、雨天也可滿足應用需求，自帶高亮度LED燈，讓夜間搜救、夜間執法、夜間調查、雨天監測變得更加簡單有效。同時，該無人機小巧精致、經濟實用、性價比高，配備優秀防水結構，防水、耐腐蝕性強，可支持水面翻轉、水面漂浮，擁有強大圖傳系統，通過無線數字圖傳技術可保障數據傳輸穩定性。該無人機飛行器尺寸為379.2 mm×379.2 mm×230 mm，軸距為450 mm，ATTI最大飛行速度為22 m/s，GPS最大飛行速度為10 m/s，最大上升速度為4 m/s，ATTI慢檔最大傾斜角度為12.5°，ATTI快檔最大傾斜角度為25.0°，最大可承受風速為72 km/h|20 m/s|39 knot，最大飛行距離為5.0 km，最大飛行時間為30 min（無任何搭載配件），工作頻率為5 180～5 875 MHz，垂直、水平懸停精度均為±0.5 m。在傳統無人機拍攝過程中，異源圖像存在紋理差異和灰度差異，在紅外圖像下夜間環境難以實現精準目標定位，圖像間視角差異過大，而應用以上無人機技術，從理論上來講可有效降低視角差異，針對圖像異源問題提高匹配正確率。但要想進一步判定無人機技術在陰雨天和夜間的應用效果，在未來還需要長時間實踐論證。

5 結語

筆者主要以廣西壯族自治區國有大桂山林場為例，分析當前無人機技術在森林資源郁閉度調查中的應用方法和應用效果。無人機在森林資源調查和監測中，拍攝圖像更高清，定位更準確，應用效果更好。同時，筆者提出無人機技術在未來林業建設中的改善方向，以期對相關從業人員提供可借鑒的經驗。

參考文獻：

［1］張健，張超，陳青，等.環境風速對六旋翼無人機下洗氣流和霧滴沉積影響研究［J］.農業機械學報，2022（8）：74-81.

［2］王越，何誠，劉柏良，等.基于無人機傾斜攝影技術的單木參數提取及胸徑模型構建［J］.西南林業大學學報（自然科學），2022（1）：166-173.

［3］凌成星，劉華，紀平，等.基于無人機影像VDVI指數的植被覆蓋度估算：以陜西神木防護林工程研究區為例［J］.森林工程，2021（2）：57-66.

［4］徐恩恩，郭穎，陳爾學，等.基于無人機LiDAR和高空間分辨率衛星遙感數據的區域森林郁閉度估測模型［J］.武漢大學學報（信息科學版），2022（8）：1298-1308.

［5］張永永，稅偉，馮潔，等.基于無人機的喀斯特退化天坑地下森林樹高特征研究［J］.遙感技術與應用，2022（3）：681-691.