无人机在林业调查设计领域的应用及发展趋势

摘 要：在林业调查设计工作中应用无人机，可实现区域内定点飞行拍摄，有助于完成森林资源调查任务，更能帮助管理者全面掌握各类植物覆盖因子，为后续营造林管理和森林资源保护奠定坚实基础。基于此，从数据收集与测绘、数据处理、数据验证等方面总结林业调查设计工作中无人机的应用方法，并分析提出进一步提高无人机在夜间和恶劣天气条件下的应用精准性等应用发展趋势，以促进智慧林业发展。

关键词：无人机；林业调查设计；森林资源保护；森林郁闭度

中图分类号：S712；S758 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2023）02-138-3

0 引言

无人机在我国的应用起步较晚。2014年之前，无人机多应用于军事领域；2016年后，无人机在工农业领域应用较广泛。搜狐网公开资料显示，2020年无人机技术在农林植保中的应用率高达42%，可有效提高林业资源调查、地面巡视、森林病虫害监测、火灾监测等作业效率。基于此，笔者以广西壮族自治区国有大桂山林场为例，分析无人机在林业调查设计工作中的具体应用方法及发展趋势，旨在创新林业生产方式，最大限度地发挥无人机在林业领域的应用潜力。

1 林业调查设计内容

林业调查设计是林业工作的重中之重［1］。林业调查设计工作包括相关技术人员到现场查看林木生长状况，判定当地水文地质条件，对森林进行分类区划界定，对野生动植物资源进行调查与监测评价，编制占用征收林地可行性研究报告，编制林业数表等。做好林业调查设计工作可以将林业生产内容具体化、规范化，使管理者可以总体把握林业资源状况，科学调整林业产业结构，尤其在二类调查和三类调查中，可以更全面地掌握各类植物覆盖因子，为后续营造林管理和森林资源保护奠定坚实基础。

2 无人机应用于林业调查设计工作的优势

林业人员在开展林业调查设计工作时，多利用卫星遥感系统监测森林生长情况，但受分辨率限制，无法获得某一区域高清影像。此时，无人机就成为卫星遥感系统的补充。无人机通常机型较小，且可通过无线通信技术传递信息。与人工驾驶小型飞机相比，无人机机动性更强，操作简单，经济成本低；与卫星遥感系统相比，无人机拍摄图像更高清，定位更准确。即使林场内部地形地貌复杂多变，采用新兴低空遥感技术+无人机技术，也可以实现区域内定点飞行拍摄，最终完成森林资源调查任务，最大限度地提升森林资源调查规划设计效率。加之林场内部森林资源调查周期要求较短，应用无人机技术可有效保证森林资源调查数据的实效性［2］。此外，无人机搭载数码相机后可在定点地区完成倾斜成像与垂直成像，满足森林资源调查与监测工作要求，为林分调查因子测量、林业规划设计提供依据。

3 林业调查设计工作中无人机应用方法

笔者以广西壮族自治区国有大桂山林场为例，总结无人机在林业调查设计工作中的应用方法。截至2021年12月底，该林场经营总面积7.9万hm2，森林覆盖率高达91.2%，主要经营商品木材林，同时兼顾林下种养、花卉苗木繁育、林产品贸易等多项业务，活立木总蓄积量超过630万m3。在生态文明发展理念下，该林场深入贯彻习近平总书记的“两山论”，以林场高质量发展为主线，重点部署生态保护修复、林业科技创新等工作任务，以此不断开创林场高质量发展新格局。其中，无人机应用就作为一项创新技术，在林场森林资源调查、林业规划设计中起到重要作用。基于此，笔者以国有大桂山林场森林郁闭度调查为例，总结无人机在其中的应用方法。

3.1 数据收集与测绘

郁闭度是指树冠在阳光直射下冠幅与林分总面积之比，是反映森林结构和生长环境的重要因子，可反映地表植物生长状况。开展郁闭度调查可估测林木生活空间利用程度，对今后营林规划、造林任务安排、森林资源经营管理等工作具有重要指导作用。在应用无人机开展森林郁闭度调查过程中，林业人员首先应收集数据。广西壮族自治区国有大桂山林场土壤以红壤、砂壤、黄红壤为主，林木以桉树、松树、樟树为主，地面植被分布不均，多数地块地势平坦。笔者选择70 m×50 m的地块作为样地，利用Altizure规划拍摄间隔、拍摄速度、拍摄高度、飞行路径等参数，使用大疆悟Inspire无人机，以30 m和40 m为拍摄高度进行上空拍摄；设置IOS速度为IOS-100，曝光时间为1/160 s，光圈值f/3.5；设定拍摄间隔为5 m和2 m。拍摄时，无人机数码相机镜头垂直向下，不同距离拍摄4组图像；无人机共飞行4次，每次拍完照片制作成正射影像图。倾斜部分使用替换方法纠正，图像变花时利用手动镶嵌方式纠正，之后筛选出理想图像。笔者通过多次拍摄得出样地照片，供后续处理。在航拍测绘中，由于很多区域地形地势非常复杂，无法全方位进行勘测，此时无人机航拍测绘就能派上用场。无人机航拍测绘能减少地面测绘的限制和盲点，提升测绘的效率和精度，并且能够大幅减少测绘人员的工作量。其中，航线设计是制作高质量影像图的关键，也是航拍测绘必学技术之一。林业人员首先可以参照奥维互动地图、谷歌卫星、外业精灵等影像软件，在DJI Pilot中规划航线。林业人员需要根据测区的地形地貌设计航线，为正影像图的制作提供足够的重叠率。在实际作业中，重叠度一般设定为航向80%、旁向70%，但可以根据不同环境下的实际情况，适当增大或减小。同时，林业人员需要综合考虑各方面因素设计无人机航线，如天气、航线高度、航线速度等，以保障飞行安全和获取影像满足要求。

3.2 数据处理

3.2.1 影像合成。利用Agisoft PhotoScan Professional（64bit）合成无人机航行中正摄所拍得的照片，具体分割步骤：①在工作流程中添加照片或添加文件夹；②在航拍正摄照片添加完毕后，将杂乱无序的照片对齐；③生成网格，形成地形影像；④将其保存后选择Build Orthomosaic，产生地域坐标；⑤最后导出Export Orthomosaic JPEG/TIFF/PNG/BMP格式，即可获得在ArcMap10.2.2软件上测绘面积的影像图。

3.2.2 树冠分割。依据Altizure显示实际面积，在制作好的正射影像图中利用分水岭算法分割树冠，实际面积为（50×70）m2，具体分割步骤：①为得到初步处理图像，应去掉原图像噪点，减少干扰，将原始图像灰度化后得到正射影像图；②判断灰度直方图是否有双峰；③计算梯度图像；④对分水岭变换取出相邻区域，将该背景作为背景标记，对前景区域极大值做出前景标记；⑤对分割后图像在连通区域合并。

3.2.3 分水岭算法应用。在分水岭算法中，将每一个局部极小值称为集水盆（包括极小值影响区域），以模拟浸水现象为具体算法过程；在两个集水盆汇合处形成分水岭，每一个极小值向外扩展，将图像低海拔汇水盆地分离，每一点像素灰度值表示该点海拔，最终呈现分割效果。

3.2.4 结果提取。降噪处理之后，以待处理像素为中心，寻求像素值与最接近邻点（K个邻点）。将K个像素灰度均值替换掉原来像素值，避免边界平滑处理，以方便后续分水岭变换。该种方法在抑制噪声的同时，可降低图像边缘的模糊感。对预处理后的图像进行梯度幅值计算，沿物体边缘较高像素值区分图像边界，通过横向和纵向矩阵，得出亮度差分近似值，利用阈值法进行初步分割。若灰度直方图有双峰，选取阈值时双峰对应前景和背景像素极大值，否则采用迭代法计算阈值，初始阈值可随机生成。然后根据G1（背景灰度数据）、G2（前景灰度数据）测算新的阈值，公式为［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。由于树冠灰度值比地面其他物体更高（灰度值越大，物体颜色越明亮），因此可利用树冠局部最大值提取作为标记符。为避免提取时出现严重误差，林业人员应对阴影、空隙、树冠内暗斑、噪声等部分进行平滑处理，去除非树冠亮细节噪点，保留轮廓信息，将黑白图像膨胀部分移植到灰度图像上。工作人员再将得到的内部标记符和外部标记符进行梯度图像改进，剔除不相干极小值点，避开原先噪声极小值区域，以有效提高标记结果精准性，对极值区域精准分割，以免在树冠分割时连带地面部分，从而缩小结果偏差。

3.3 数据验证

在此次测量中，将无人机测量的森林郁闭度与实际测定结果相对比，差异如表1所示。

由表1可知，利用无人机测量森林郁闭度的误差集中在2%以下。无人机在上空拍摄时，树木高度会造成误差。技术人员要想将上层树冠拍摄得更为清楚，必须清除树冠直接遮挡部位和阴影部位，否则会直接当作背景处理，图层也会被认为是地块；疏林地部分林木分布不均，导致实际测量值偏大或偏小，加之地面植生长旺盛，前景、背景分割难度加大，上层树冠易遮挡植被，因此产生误差。此外，无人机拍摄时，要想确保照片光线均匀，最好避免阳光直射，但由于现实因素影响，拍摄天气选择具有局限性。但是，常规情况下，用无人机测量森林郁闭度的误差较小，与其他测量方式相比精准度较高，可以为后续营林规划、造林管理、资源调查、林业设计等工作提供数据支撑，应用效果良好。

3.4 注意事项

“十三五”以来，无人机在广西壮族自治区国有大桂山林场林业资源调查、林业资源规划设计等方面的应用越来越普遍。但在使用过程中，林业人员要想提高工作效率，提升调查精度，还应该注意以下几点。

林业人员应合理选择起飞点和作业高度［4］。通常情况下，工作人员应在无人机飞行之前确定最高山峰和起飞点之间的高度差，尽量选择山顶（最好不超过500 m）、山脊等位置，避免信号微弱、撞机等问题发生。如果作业位置过高，可能导致重叠率不高，后期出现合成图缺角问题。此时，林业人员应调低重叠率，节省飞行时间，在较高位置进行补飞；在任务完成后，手动进行飞行拍照，增加重叠率，确保合成图完整。无法确定规划范围时，林业人员可参考航线宽度对作业区域进行拍照。通常情况下，作业范围与飞行高度成正比，即飞行高度越高，作业范围设置越大。

4 林业调查设计工作中无人应用机发展方向

当前，无人机已被广泛应用于森林病虫害监测与防控、森林火灾预警、野生动植物监测等工作。该技术的应用可帮助调查人员对无法到达或艰难到达的地方进行勘探与调查，实现森林图斑精确核查，为森林资源二类调查设计等工作提供数据支撑。但就目前无人机技术在林业调查设计中的应用来看，无人机难以全方位、全天候满足实际工作需要［5］。因此，相关部门和技术研究人员应该着重研究并扩大无人机应用范围，尤其在夜晚、降雨环境下，避免无人机拍摄受不良环境影响，提高目标定位准确性；应不断创新研究图像匹配算法，以保证无人机在恶劣环境下实现航拍，满足实际工作需求。

斯威普水手4防水无人机是无人机的新标杆，支持在快速运动过程中拍摄流畅的视频和清晰的照片，支持全天候工作，在夜间、雨天也可满足应用需求，自带高亮度LED灯，让夜间搜救、夜间执法、夜间调查、雨天监测变得更加简单有效。同时，该无人机小巧精致、经济实用、性价比高，配备优秀防水结构，防水、耐腐蚀性强，可支持水面翻转、水面漂浮，拥有强大图传系统，通过无线数字图传技术可保障数据传输稳定性。该无人机飞行器尺寸为379.2 mm×379.2 mm×230 mm，轴距为450 mm，ATTI最大飞行速度为22 m/s，GPS最大飞行速度为10 m/s，最大上升速度为4 m/s，ATTI慢档最大倾斜角度为12.5°，ATTI快档最大倾斜角度为25.0°，最大可承受风速为72 km/h|20 m/s|39 knot，最大飞行距离为5.0 km，最大飞行时间为30 min（无任何搭载配件），工作频率为5 180～5 875 MHz，垂直、水平悬停精度均为±0.5 m。在传统无人机拍摄过程中，异源图像存在纹理差异和灰度差异，在红外图像下夜间环境难以实现精准目标定位，图像间视角差异过大，而应用以上无人机技术，从理论上来讲可有效降低视角差异，针对图像异源问题提高匹配正确率。但要想进一步判定无人机技术在阴雨天和夜间的应用效果，在未来还需要长时间实践论证。

5 结语

笔者主要以广西壮族自治区国有大桂山林场为例，分析当前无人机技术在森林资源郁闭度调查中的应用方法和应用效果。无人机在森林资源调查和监测中，拍摄图像更高清，定位更准确，应用效果更好。同时，笔者提出无人机技术在未来林业建设中的改善方向，以期对相关从业人员提供可借鉴的经验。

参考文献：

［1］张健，张超，陈青，等.环境风速对六旋翼无人机下洗气流和雾滴沉积影响研究［J］.农业机械学报，2022（8）：74-81.

［2］王越，何诚，刘柏良，等.基于无人机倾斜摄影技术的单木参数提取及胸径模型构建［J］.西南林业大学学报（自然科学），2022（1）：166-173.

［3］凌成星，刘华，纪平，等.基于无人机影像VDVI指数的植被覆盖度估算：以陕西神木防护林工程研究区为例［J］.森林工程，2021（2）：57-66.

［4］徐恩恩，郭颖，陈尔学，等.基于无人机LiDAR和高空间分辨率卫星遥感数据的区域森林郁闭度估测模型［J］.武汉大学学报（信息科学版），2022（8）：1298-1308.

［5］张永永，税伟，冯洁，等.基于无人机的喀斯特退化天坑地下森林树高特征研究［J］.遥感技术与应用，2022（3）：681-691.