基于无人机遥感的银杏树木株数及其树冠覆盖率估算

杨德菲 杨存建 钱可敦

摘 要：本研究通过无人机遥感技术，构建了差值黄叶指数、提取出了树冠覆盖信息，估算出了银杏苗圃地的树木株数及其覆盖率，经检验，该方法精度较高。这一高效、简便的方法对林木苗圃地中树叶呈黄色的树种以及树冠大小差异不大的树种的覆盖信息提取和株数测定有很高的推广价值。

关键词：无人机遥感;银杏株数;树冠覆盖率

0 前言

林木苗圃地的树木株数及其树冠覆盖率估算对于林木苗圃地的经营管理具有重要意义。利用常规技术进行树木株数及其树冠覆盖率的测算，比较费工、费时。探索一种快速、高效、成本低且精度达到要求的新技术具有重要的现实意义。

近年来，无人机遥感技术发展迅速，在土地整治[1，2]、土地利用规划[3]、矿山地质灾害精细探测[4]、山洪灾害调查评价[5]、建筑密度与容积率的测算[6]等方面已取得了应用研究成果。然而，在这些应用中，所使用的无人机多为价格昂贵的航测型无人机，且数据处理复杂。[7]大疆（DJI）PHANTOM2 VISION+ 无人机价格在8000元以下，其操作易学易用，起飞灵活。就利用大疆 PHANTOM2 VISION+无人机遥感估算银杏苗圃地的树木株数及其树冠覆盖率方面，至今未见有研究报道。因此，本文开展利用大疆无人机来估算树木株数及其树冠覆盖率的研究，预期为树木株数及其树冠覆盖率估算探索出一种低成本、高效率的技术，从而为园林树木管理提供科技支撑。

1 实验区与数据

该实验区为成都市郫都区的两块银杏林地。该实验区为平地。所使用的数据为大疆 （DJI）PHANTOM2 VISION+ 无人机获取的影像。其影像为鱼眼影像，对鱼眼影像进行鱼眼镜头校正和几何校正。经校正后的影像如图1所示。

从图1中可以看出，该影像获取的时间为秋季，银杏叶子呈金黄色。该影像中有3块银杏苗圃地，选区其中的2块作为试验地块。

2 方法与步骤

2.1 构建差值黄叶指数

通过影像特征和亮度值分析，通过红光波段（B3）与蓝光波段（B1）的差值组合，可以增加树木树冠的黄叶信息，为此，我们探索构建了差值黄叶指数（HYZS），其表达式如下：

HYZS=B3-B1 （1）

利用上述表达式，计算产生差值黄叶指数。

2.2 树冠覆盖信息提取

利用差值黄叶指数建立黄叶状态的银杏树冠提取模型，如下：

if  HYZS>40  then

该像元为银杏树冠像元，其取值为1：

Else （2）

该像元为银杏树冠像元，其取值为0：

Endif

利用以上模型提取银杏树冠信息，对提取结果进行综合处理，去除5个像元以下的细小区域。其结果图2所示，红色为银杏树冠。

将提取的树冠结果栅格数据进行矢量化，得到树冠覆盖的多边形图斑，选取面积在1m2以上的树冠图斑，建立树冠覆盖GIS数据库，其结果如图3所示。

2.3 林地地块树冠覆盖情况分析

通过屏幕数字化，数字化苗圃地地块的范围，该实验区有2个银杏苗圃地地块，建立其GIS数据库。将地块图层与树冠覆盖GIS数据图层进行空间连接分析，并在此基础上进行统计分析，得到统计结果数据，并计算出各地块的树冠覆盖率，如表1所示。树冠覆盖率为地块内所有树冠覆盖的总面积，占该地块面积的全部。

2.4 地块内树木株数的估算

在树冠GIS数据库中，添加株数字段。地块1：将树冠覆盖面积小于等于平均面积（3.43m2）的多边形选取出，每个多边形即为一棵数的树冠，因此，其株数赋值为1。对面积大于平均面积的多边形，用其面积除以3.43m2，并取整，并将此数作为该多边形中的树木株数。通过检查，有2个多边形的树木棵数计算有误。一个为1棵误算为2棵，另一个为3棵误算为4棵。对其进行修改后，统计得到的株棵数为79。地块2：按照以上方法，同样以平均面积（3.43m2）进行分析计算处理，得到地块2的株数为83株。

2.5 精度分析

就树冠提取而言，所提取的树冠均为黄叶状态的银杏树冠，因此，其误提率为0。有少量的银杏叶因其黄色状态不足而未被提取出来，主要位于树冠边沿部分。通过采样估算，未被提取的最多占5%，因此，其漏提率为5%。因此，其提取的总体精度较高。树冠覆盖率是相对数字，其精度取决于树冠覆盖的提取精度和地块范围的判读精度，因地块范围判读为目视判读，因此，其精度较高。

就株数的估算而言，对于林地地块1，无漏估算。在自动提取计算的株数中，多出了2株。多估算数占真实总数79的2.53%。对于地块2，自动提取计算的株数为83株，而真实的株数为89株。漏算株数为6株，占真实总数89的6.74%。因此，其株数自动提取估算的精度较高。

3 结果与讨论

通过本文的研究，探索出了利用大疆 PHANTOM2 VISION+ 无人机遥感估算银杏苗圃地的树木株数及其树冠覆盖率的技术路線和方法。该方法简单、适用、有效，且成本低。

通过本研究，提出了黄叶指数，该指数可以用于反映树冠的黄色状态，其黄色状态越强，其指数值越高。利用该黄叶指数，通过一定的阈值，可以将黄叶树冠提取出来。

利用该技术方法，估算出的银杏苗圃地的树木株数的精度较高，估算出的树冠覆盖率精度较高，能达到要求。该技术方法，适用于对叶子呈黄色状态的树冠覆盖信息的提取，而不适合用于提取呈其他颜色状态的树冠覆盖信息。对于株数的估算，适用于树冠大小差异不大的情况或者树冠明显相互分离的情况，这样，其估算精度较高。

参考文献：

[1] 任向红.基于低空无人机航空影像的土地整治项目正射影像图制作[J].测绘技术装备，2014，16（1）：48-51.

[2] 罗先权，王琰，袁小燕.农村土地整治测绘技术方法的探索与实践[J].地理空间信息，2013，11（5）：37-39.

[3] 张孝成，赵紫阳，周志跃，等. CORS和无人机遥感技术结合在村级土地利用规划中的应用——以重庆市江津区燕坝村为例[J].中国土地科学，2012，26（1）：82-85.

[4] 赵星涛，胡奎，卢晓攀，等.无人机低空航摄的矿山地质灾害精细探测方法[J].测绘科学，2014，39（6）：49-52.

[5] 刘昌军，郭良，岳冲.无人机航测技术在山洪灾害调查评价中的应用[J].中国防汛抗旱，2014，24（3）：3-7.

[6] 杨存建，李何超，许光洪，等.基于大疆无人机遥感的农村居民点建筑密度与容积率的测算[J].山地学报，2019，37（1）：144-150.

[7] 刘洋，祁琼.无人机航摄技术在国土资源领域的应用[J].地理空间信息，2014，12（1）：29-30.

作者简介：杨德菲（1998—），女，四川成都人，南京林业大学风景园林学院本科在读。

杨存建（1967—），男，四川成都人，博士，毕业于中国科学院地理科学与资源研究所，教授，研究方向：地理信息科学。

通讯作者：钱可敦（1992—），男，江苏常州人，研究生，毕业于南京林业大学，助教，研究方向：思想政治教育。