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展望无人机在林业中的应用

发表时间：2020/7/2 来源：《基层建设》2020年第6期作者：张永植

[导读] 摘要：森林资源管理是林业监测工作的重要组成部分,作为现代森林资源管理的重要手段,无人机在森林资源调查、林业面积核查等方面都得到了广泛应用。

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        摘要：森林资源管理是林业监测工作的重要组成部分,作为现代森林资源管理的重要手段,无人机在森林资源调查、林业面积核查等方面都得到了广泛应用。本文从具体使用大疆 PHANTOM 4 PRO 入手，结合使用 DJI Pilot App 进行航线规划，最后用无人机影像处理软件 Pix4D mapper 生成正射影像图，提出了无人机在林业调查中的具体应用，期望对提高林业调查技术水平有所帮助。
        关键词：无人机；林业调查；应用
        引言
        林业调查是林业资源管理中的一项重要工作，在传统的林业调查工作中，以人工实地监测、航空航天遥感、卫星监测等方式为主，这些监测方式具有成本高、实时性差等弊端，难以满足基层林业部门快速实时调查的需要。随着无人机技术的发展，将消费级无人机技术应用到林业调查工作中，可实时获取高分辨率、多尺度、多时相的影像数据，提高林业调查的信息化水平。
        1 无人机技术概述
        无人机技术是一种以无人飞行器为遥感平台，搭载数字遥感设备，通过飞行监测获取目标遥感空间信息的先进技术。该技术具备机动灵活、图像分辨率高、操作灵活便捷等优势，最近几年在林业调查工作中得到了广泛应用，并取得了良好的应用效果。
        2无人机在森林资源监测中的特点
        2.1灵活度比较高
        无人机主要特征是便于控制，可以随时准备应对各类突发情况并迅速开展工作，对监测区域实施广泛监测，短时间内生成高清图像数据。此外，无人机可以及时处理和总结信息，并将收集到的信息及时、准确地回传至信息中心，有效缩短了信息传输时间。在起飞时间方面，无人机比有人机起飞更快，且不容易受外界环境影响，具有省时、省力、安全、高效、灵活的特点，有利于随时待命并开展工作[1]。
        2.2分辨率高、数据准确
        无人机以发达的科技为依托，利用分辨率较高的数字成像技术以低空航行的方式（通常距离地面不超过1km），得到的图像分辨率区间是0.1～0.5m，测量林木和其他林业资源的细节比较清晰，不管是在林业面积统计上，还是在林业资源核查上，此种分辨率均有显著的优势。实践表明，无人机测绘的分辨率已经能够满足林业资源管理日常所需。
        3无人机在林业中的应用
        3.1 无人机的选择
        目前，大疆 Phantom 4 RTK 在航测领域应用较多。Phan-tom 4 RTK 是一款小型多旋翼高精度航测无人机，面向低空摄影测量应用，具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统，是为高精度建图与精准飞行设计的行业级无人机，但价格普遍在 2 万~3 万元，对基层林业部门来说比较昂贵。消费级多旋翼无人机大疆 PHANTOM 4 PRO 搭载有效像素 2 000 万的影像传感器，标称最大飞行时间约 30 min，标称在无干扰、无遮挡情况下，最大信号距离 7 000 m。林业作为弱测绘行业，在基层通常使用 1∶10 000 地形图进行外业调查，对调查精度不要求达到厘米级。基于成本和精度要求等原因，笔者尝试利用消费级无人机大疆 PHAN-TOM 4 PRO 在河池市金城江区同干万亩核桃基地进行外业调查，弥补传统外业调查的不足[2]。
        3.2 航飞外业流程
        3.2.1 前期准备
        ① 基础设备。

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PHANTOM 4 PRO 1台，预装DJI Pilot App 飞控软件的智能机或者平板电脑1台，桨叶4 对，64 GB 的 Micro SD 卡1块，遥控器1个，数据线1根，飞机电池若干块（根据需要飞行时间定）。②选择起降地点。阅读测区的地形图及卫星影像图，选择通视条件好、交通比较便利、地形比较平坦的起降地点。因民用无人机最大升限为500 m，必须重点了解起降点和测区周围山峰的相对海拔高度，避免因飞行高度不足导致撞山事故发生。③航线规划。根据多次对 PHANTOM 4 PRO 进行的飞行试验，因山区情况比平原地区复杂，为了飞行安全必须保证有充足的电量返航，所以单次航线往返距离应＜5 km，总飞行时间＜20 min 为宜。DJI Pilot 有手动飞行和航线飞行2种模式，其中航线飞行模式中又有导入 KML和创建航线2个选项，创建航线中有航点飞行、建图飞行和倾斜摄影3个选项，由于建图飞行比较易用，外业时很方便。将同干万亩核桃基地的矢量图图层加载到 Local SpaceViewr、Arc GIS 等 GIS 软件中，选择需要调查的小班进行航线规划。如小班范围比较大，则规划多条航线并将这些航线的KML 图层导入手机或平板中待用；小班大小在1 km×1 km以内的，则可以考虑使用建图飞行方式[3]。
        3.2.2 外业航飞
        选定调查小班及规划好航线后在天气合适的情况下来到拟调查地点，如果是手动飞行，需要将无人机相机镜头设置成 90°，垂直向下拍摄；如果是按导入的 KML或建图飞行，相机在飞行过程中自动完成一切设置工作，但可以根据需要手动更改。实际航拍中，在没有添加像控点的情况下，航飞高度和速度影响成图的精度。在一个航次中，飞行高度越高，误差越大；飞行速度越快，航拍范围越大，但同时对精度有影响。同干万亩核桃基地承包给专业公司进行除草、施肥等管护工作，在外雇人员完成除草后需要调查小班范围内是否完成了管护，定位精度可以不要求太高。在 DJI Pilot App 相机选择中选择 PHANTOM 4 PRO，飞行高度设定为 500 m，航线速度设定为 10 m/s，在高级设置中将航向重叠设置 70%以上，旁向重叠设置成 60%以上，这样设置完成后航片分辨率为 13.70 cm/像素，完全满足工作需要；设置完成后，保存任务，准备起飞。将飞机置于空旷平坦的地面上，待卫星连接成功，确认周边环境和顶部环境安全后调用规划好的航线，开始执行航飞任务，接下来就是飞机自动起飞和返航的过程了。DJIPilot App 会自动计算预留返航电量，当然自动估算的结果只能作为参考，为保证飞行安全需要时刻关注飞行状态，一旦电量不足就应取消任务手动返航[4]。
        3.3 内业处理
        完成外业任务后，可以使用 Pix4D mapper 无人机数据处理软件对航飞影像进行全自动拼接生成测区正射影像。在测绘领域，无人机航测应布设像控点，保证准确、规范、合理。若不进行像控点测量，直接对无人机影像数据进行处理，也可以得到航拍区域各地物之间的相对位置关系，但是根据经验，500 m 航高拍摄的航飞影像绝对位置存在 5~10 m 的偏差。然而，在林业航拍中，山区布设像控点的难度很大，而且像控点测量要使用 GPS-RTK 进行，这个需要专业的仪器设备和测绘资质，基层林业部门通常没有这个条件。对生产出的正射影像图，可以采用 Arc GIS 里的地理配准功能依照卫星图对正射影像进行校正来提高精度。一般情况下，对于重点了解地面植被现状并有地形图和卫星图做参考的林业工作而言，利用软件进行全自动快速拼接生成的正射影像已基本满足需求。
        结语
        在林业调查中应用无人机技术，能够实现对林业火灾、林业病虫害、森林资源管理等方面的动态监测，提高林业信息的精准度，为林业部门制定相关决策提供科学依据。从无人机技术的应用趋势上来看，无人机技术必然会成为林业信息监测活动中的关键性技术，推进智慧林业建设与发展。
        参考文献
        [1]曾繁伟,郭人.浅谈无人机技术在林业调查工作中的应用[J].安徽农学通报,2019,25(19):32-33.
        [2]陶元圣.无人机在林业调查中的应用试验[J].内蒙古林业,2019(09):23-25.
        [3]荣泽山,王爱博.无人机遥感技术与GIS数据处理在林业系统中的应用[J].吉林农业,2019(17):100.
        [4]殷咸顺.无人机在林业调查中的广泛应用[J].吉林农业,2019(13):97.