无人机测量技术在使用林地外业调查中的实践探索

黄 哲,刘寅学,彭泰来,梁曾飞

(国家林业和草原局中南调查规划设计院， 长沙 410014)

1 无人机测量技术

无人机测量技术是随着计算机、自动化、无人机制造等行业的高速发展,而产生的一门综合性强的高新技术。近年来，无人机测量技术快速发展，在全球范围内引起广泛关注, 很多组织机构或个人开始研制、集成多种形式的无人机测量系统,用于快速地形测量、地表化监测等业务。无人机测量设备主要由无人机平台和遥感测量器两部分组成。无人机摄影测量平台可以选择固定翼、多旋翼或直升机，固定翼飞行速度快，适合于较大区域测量任务；多旋翼或直升机飞行速度慢，转弯半径小，适合于小区域精细测量任务。遥感测量器由遥感器、遥感平台、传播和接受设备组成。根据遥感装置的不同，可以分为可见光遥感、红外光遥感和微波遥感等，将无人机与遥感技术相结合，可以将二者的作用最大限度的发挥。

无人机测量具有高时效性，即拍摄与成果输出过程都相对迅速。使用无人机测量可以以单人单机的最小规模编组，快速完成中小尺度的外业测量任务，并生成高分辨率影像数据，填补了测量领域从传统航空摄影测量(如卫星遥感、航空摄影)到地面工程测量之间的空白。如果用无人机搭载极光雷达等其他类型的传感器，还可为特定的设计或科研提供所需的数据[1]。由于无人机性能的逐步提升，目前大部分无人机测量任务仅需使用消费级的无人机、手机与电脑，即可满足无人机测量工作对设备的需求。因此已被广泛运用于航拍测绘、精准农业、应急救援、考古测量、城市规划、景观设计等领域[2-6]。与卫星影像相比，无人机测量技术具有清晰度更高、时效性更强等特点；而与人工调查相比，无人机测量技术具有性价比高、危险性程度低、速度更快等特点。

2 在林业资源调查与监测中的运用现状

无人机通过搭载传感器获取环境数据，获取的数据以二维或三维形式进行存储和加工，作为后续分析和可视化表达的基础。通过摄像头、多光谱相机等光谱类传感器获得的数据以二维图像文件的形式存储，可以通过矫正和拼接加工为正射投影图，也可以通过三维重建技术形成三维点云，构建三维模型[7]，尤其是加入激光雷达遥感监测技术的运用，它能穿透森林冠层，直接测量森林三维结构，并将数据映射到模型表面；而对旋翼无人机定点环绕拍摄的图像进行拼接及“补空”可生成高空720°全景影像，用于屏幕浏览及虚拟现实(VR)体验[8]，在林业资源调查与监测中具有更广泛的应用前景。也有学者利用激光雷达能够穿透森林冠层的特性，来直接测量森林的三维结构或者提取林下的三维地形，并对森林变化进行动态监测。目前，由于图像重建点云的几何特征无法与参考数据几何特征进行精确匹配，因此，校正精度一般为亚米级或米级[9]。

在林业资源调查与监测领域，通过无人机拍摄的图片及视频可直接传输至地面站，用于现场人工判读，也可进行加工后再使用。通过对图像进行矫正和拼接可获得正射投影图，用作设计平面底图，是无人机测量技术在林业方面应用最为广泛也是最为成熟的方式。目前，该技术已广泛运用到林政执法、森林巡护、森林病虫害、森林火灾监测及灾后调查评估、营造林成效检查与动态监测等领域[10-12]，其技术特征都是利用无人机航拍得到的影像，通过计算机校正和拼接加工为正射投影图，通过与前期的影像图对比，从而分析出林地资源破坏、火灾情形、由森林树叶颜色推断森林病虫害发病区域及面积情况、新造林株数成活率或林分郁闭度情况等。

3 在使用林地外业调查中的运用

建设项目使用林地可行性报告既是用地单位填报使用林地数据的必备材料，也是各级林业主管部门审核审批重要依据，在使用林地审核审批中发挥着基础、积极而重要的作用[13]。由于林地的现状以及林地上的林木生长是一个动态变化的过程，涉及林木采伐、林木进阶、森林火灾、森林病虫害等，沿海地区还涉及台风侵袭等各种因素影响，对建设项目特别是铁路、高速公路、国道、省道、油气管道等线状工程建设项目开展外业调查，实时掌握林地和林木实际情况，显得尤为重要。因此，在编制可行性报告过程中，不能过度依赖森林资源二类调查档案数据、林地保护利用规划林地落界数据或遥感数据，一定要认真组织外业调查，深入现场开展调查，确保调查精度。

目前林地外业调查使用的数据基本以森林资源二类调查档案数据或森林资源年度更新数据为基础，同时配合卫星遥感影像数据，根据项目占地红线图对拟使用林地小班进行初步区划，形成外业调查图，再按照森林资源二类调查技术规范开展深入的外业调查工作。实践证明，外业调查小班底图制作方式为快速确定用地范围、区划用地小班、初步判断各小班基本情况提供了重要的基础数据，但也存在由于遥感影像清晰度有限，时效性不强，导致的小班区划边界误差较大，不能识别已变化林地等不足。本研究旨在将无人机测量技术时效性强、图像清晰度高的特点，引入使用林地外业调查底图制作阶段，以弥补卫星影像时效性和分辨率方面不足所引起的问题。

笔者团队先后两次在森林经营强度较高的林地和林相较复杂的林地两种情况下试验了无人机测量技术在使用林地外业调查中的技术运用，取得了非常不错的使用体验和效果。

3.1 案例实践

1)在森林经营强度较高林地使用案例剖析

位于广东省湛江市廉江县的国电发电项目使用林地面积达220 hm2，为典型的块状区域，涉及的森林植被类型以人工桉树林为主，商品材轮伐期短，经营强度较高，虽然项目组收集的二类调查数据为上一年度的调查成果，但根据历年来该森林植被类型的变化情况所总结的经验判断，该区域林相可能因为轮伐或更新造林等原因发生较大的变化，决定采用无人机测量技术进行初步测量。

本次无人机航测采用的是大疆精灵4专业版(Phantom4 pro)无人机平台，遥感测量设备为CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)数码相机。在将收集到的卫星影像和地形图数据配准基础上，将项目用地红线图配准到ArcGIS地图数据中，确定无人机测量区域。随后将航测区域数据输入无人机遥感器，并按遥感设备软件程序设定无人机飞行路线、飞行高度、摄影像素精度等技术指标，数据传输完成后，无人机前往预设区域，按照既定的航线对预设地块进行拍摄。飞行测量完成后，将获取的影像数据通过摄影测量建模软件(Agisoft PhotoScan Pr)利用多视图三维重建技术进行建模，形成高清的正射影像图。从正射影像图与上期二调卫星影像图对比分析结果来看，该区域确实存在多处明显的森林经营活动，许多地块已进行商品性采伐，也有部分二调结果为未成林造林地的地块也已明显郁闭成林。依据此影像图，结合前期二调数据结果开展外业调查小班初步区划工作，预填写了外业调查小班基本因子，并以此套图表为基础开展用地项目具体的外业调查工作。调查结果显示，该无人机测量的正射影像图分辨率极高，清晰度可以达到亚米级水平；区划的小班边界极为准确，几乎不需要在外业阶段予以修正；判读的采伐小班、造林郁闭小班结果准确无误；同时，高清影像还为外业调查线路设计提供了高清影像参考。总之，本次无人机测量所产生的成果为后续的人工调查工作提供极大的便利，提高了工作效率。

2) 在林相复杂林地使用案例剖析

位于海南三亚南岛国家森林康养基地的森林防火道路线路长度约8.2 km，为典型的线性公路项目，区域森林植被以天然次生林为主，森林郁闭度达0.8以上，林下灌丛、草本发育良好，植被覆盖度达90%以上，林下视野通透性差。在收集到该区域林地变更、卫星影像、二类调查、用地红线等数据后，对项目地进行了初步踏查，决定在该区域首先开展无人机测量工作，通过高清影像准确判断外业踏查的最合理的线路安排，以及探明新修防火道路与外部道路间联系情况。测量工作的技术准备、使用设备型号、无人机实测等与前一案例相同，外业测量工作仅半天时间即完成。在利用航拍建模获取的正射影像图，结合项目用地红线和二类调查数据对外业小班进行区划时发现，有部分线路穿越的林分郁闭度明显高于周边50 m左右的林分郁闭度，因此在外业调查阶段，同时对郁闭度较低区域进行了同步踏查，发现新选线路在地形走向上同样能满足防火道路设计要求，并能降低对更好林分森林资源的破坏。由于本次使用林地外业调查与防火林道初步设计同步进行，初设单位听取了项目组意见对项目选线部分路段进行了调整，使得线路选线更加科学合理。在项目使用林地可行报告审查阶段，采用了基于无人机测量所得的正射影像图为底图，将新建防火道线路及周边交通现状图叠加，更清晰明了的展现出新建防火道总体布局情况、与外部交通线路连接情况，以及线路穿越森林资源概况，为行政审批者提供了更清晰直观的审查依据。

3.2 使用价值探讨

从两次实践来看，局部区域的无人机测量耗时短，不到1天时间即可单机完成外业测量任务，整理形成的正射影像图清晰度极高，在参照物选择及参数配准前提下，测量精度也能达到亚米级[14]，基于正射影像图开展的小班区划准确度也明显提高，总体而言，无人机测量具有三方面优势。

1)测量精度高，速度快。利用遥感技术可以对林地数据进行快速采集，并将最终结果以图片的形式准确的传给工作者，其所带来极高的分辨率为数据处理带来了便利，比以往采取GPS人工定位收集数据和区划小班效率明显提升。一般情况下，无人机每天可以完成数十平方公里的测量任务，任务完成量是人工方式的十倍以上。本研究仅利用了无人机航测的二维技术，有研究将无人机航测用于三维数据测量方面，如苏州某研究院创造的 DPGrid 使得无人机在数据测量方面的速度达到普通技术的 8 倍左右，相当于普通技术需要半年才能够完成工程量，而无人机测量技术可以在二十几天就能完成，还能够有效保障成果的精度。

2)测量范围广，操作简便。相比载人机，无人机需要考虑的因素较少，体积较小并且更加灵活，飞行成本也大大降低。无人机的机身轻巧灵活，行驶速度较快，一旦确定目标就可以快速到达，并且采取设定航线后无人机即可进入自动巡航测量状态，无需人为干预，操作极为简便。相比人工测量，无人机受场地条件限制更少，测量范围将不会成为约束，在茂密林相监测中还能克服测量者视线受限的影响，拓展监测范围和区域。

3) 性价比高，安全可靠。大部分无人机测量任务仅需使用消费级的无人机、手机与电脑就可以完成，无需配备额外的专业地面站设备。本研究所采用的无人机测量设备仅为万元级，其输出成果已能充分满足使用林地调查工作对航测数据的精度和清晰度要求。与载人飞行器航测相比成本更低，而与人工调查测量相比，则大大降低了人力资源成本，提高了工作效率。无人机的适用环境条件较为宽泛，用于测量的无人机多在低空飞行，受云层影响相对较小，且对净空环境要求较低。此外，对于地势陡峭、沟壑纵横、或存在地势塌陷的区域，均可采用无人机测量技术进行地形的初步识别，降低外业工作的危险性。将来，随着传感器尺寸的缩小、机载飞行控制系统的完善及电池密度的提升，无人机的尺寸将进一步缩小，未来有望支持在树林间等更为复杂的环境中自动飞行。

4 结语

使用林地项目用地范围往往不到1 km2，而无人机测量技术在林业中的普及程度并不高，因此，很少有技术人员将无人机测量技术用于使用林地外业调查中。笔者团队开展的相关研究证实，无人机测量技术所生成的正射影像图分辨率高、清晰度好、时效性强，在调查区域整体情况初判、外业踏查线路选择、外业小班区划、乃至项目用地范围的合理性分析等方面，与卫星遥感数据或直接人工调查相比，能显著提高小班区划的准确性、提高外业调查小班范围确界的效率、更科学指导制定外业踏查线路、提高对外业高风险区域的预判能力、提供高清影像指导的便利，具有良好的技术推广运用价值。同时，高清正射影像还为使用林地行政审批决策者提供了更直观的拟使用林地现状图像资料，方便决策。因此，无人机测量技术在使用林地外业调查中具有良好的推广使用价值。当然，我们也应清晰的认识到，无人机测量技术存在的不足，比如恶劣天气的情况下，无人机不具备较强的抗性。在对森林资源进行调查的过程中，许多具体指标的测量不能够通过无人机技术获取，无人机技术的应用并不能够完全取代人工调查。