浅谈无人机在林业实际测绘中的应用优势

黄文明，周宇，陈海

（海口市林业服务中心，海南海口 571101）

1 引言

1.1 无人机定义

无人机全称“无人驾驶飞行器”，（Unmanned Aerial Vehicle）英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。它涉及传感器技术、通信技术、信息处理技术、智能控制技术以及航空动力推进技术等，是信息时代高技术含量的产物。

1.2 无人机在林业中的应用发展

近十年来，随着电子与无线电控制技术的不断进步，GPS卫星定位系统的成熟以及轻型复合材料的广泛应用，无人机行业进入快速发展阶段。

目前，无人机在各个领域得到了广泛应用，除军事用途外，还包括农业植保、电力巡检、警用执法、地质勘探、环境监测、森林防火以及影视航拍等民用领域，且其适用领域还在迅速拓展。

在森林资源调查、面积测绘、森林防火、生态环境、森林病虫害防治等方面，无人机具有方便、快捷、安全、高效等特点，即通过其携带中低空实时电视成像和红外成像快速获取系统进行实时、不间断地监测。相比无人机，传统的卫星、有人机等在遥感测绘等应用方面，其不仅仅成本高、时效性差，而且施工复杂。

鉴于无人机在林业领域应用上的巨大优势，全国各省区纷纷加大资金投入，建设相关的森林资源无人机监控体系，以充分发挥无人机技术在森林资源调查和动态监测中优势作用。

2 数据获取与处理

2.1 样地选择

图1 各地块示意图

地块 A 位于 19°53′20.22″N，110°18′29.4″E，羊山地区林中空地内，周围林木树种为荔枝，平均高度8m；

地块 B 位于 19°43′41.11″N，110°22′14.83″E，为南渡江边防护林带，周边分别是水泥道路及草地；

地块 C 为 19°44′48.16″N，110°23′22.84″E，属农地，周围亦农地，地势平坦，无任何植被覆盖；

地块 D 位于 19°45′26.49″N，110°24′54.73″E，为用材林，周围为村庄道路及农田，地势平坦。

2.2 设备材料

2.2.1 无人机

大疆精灵4P V2.0四轴飞行器；飞行载重：1380g；悬停精度：垂直±0.1m（超声波工作范围内）；水平±0.3m（视觉传感器工作范围内）；升降速度：1.5m；控制距离：6000m；飞行高度：500m；飞行时间：约28min；云台：Phantom4一体化云台相机；可控转动范围：俯仰-900±300；相机镜头：FOV940 20mm（35mm格式等效）F/2.8焦点无穷远；传感器：1/2.3英寸COMS，有效像素1240万（总像素1276万）；照片分辨率 4000×3000；图片格式：JPEG、DNG（RAW)。

2018年8月，全国发行地方政府债券8830亿元。其中，一般债券3564亿元，专项债券5266亿元；按用途划分，新增债券5127亿元，置换债券和再融资债券（用于偿还部分到期地方政府债券本金，下同）3703亿元。

2.2.2 T1000无人机航测系统

T1000一款基于旋翼无人机平台的一体化智能航测系统；系统基于无人机航测管家 iPad版，支持正射、条带、倾斜、环绕、全景多种作业模式的专业航线设计与全自动飞行控制功能；整合无人机管家专业版软件，在其稳健的空三解算、控制点测量、一键成图等支持下，针对旋翼相机优化算法，实现大比例尺精度应用，并提供 DSM、真正射、三维模型等多种成果。

主要功能：一键快拼成图，交互式的控制点量测，支持用户自定义坐标系下的正射影像生成；勾绘面积，方便快捷可快速导入到第三方 GIS系统，可以快速的勾绘面积和图形。

2.2.3 GPS

Trimble天宝GeoXH 3000亚米级GPS接收机；尺寸：23.4cm×9.9cm×5.6cm；重量 963g；操作系统Windows Mobile6.5专业版.

2.3 研究方法

2.3.1 采用GPS现地实测

手持GPS，沿小班边界实测，现场获取图斑面积。

2.3.2 无人机航拍测量

通过T1000无人机航测系统和ArcGIS等软件求算得到图斑面积等信息。然后内业数据处理，通过ArcGIS软件，导入无人机现场拍摄的遥感图片，电脑上直接勾绘小班边界，然后自动生成小班面积。

图2 无人机测绘

图3 GPS测绘

3 结果与分析

表1 无人机航拍与常规测量时间和面积对比Tab.1 The comparison of time and area between UVA and general measure

首先，从横向对比方面上看，表1中的四块小班完成航拍用时分别为：0.2378h、0.241h、0.245h、0.4096h，无人机在完成四个小班的航拍总用时为1.1334h；而常规测量用时则分别为 0.5833h、0.666h、0.333h、1.0833h，总用时是 2.6665h。四块小班总共节省1.5331h，从时间效率上计算平均每块小班提高2.3529倍。

从测量面积上看，四块小班的常规测量面积分别比航拍面积少了 0.201、0.2206、0.188、0.1976hm2，面积比分别为 6.12%，6.66%，5.52%，3.42%，平均面积比为5.43%。

结合现地地形可以发现，此次测试四块小班，地势平缓，无坡度、无高度差，地块边界无杂草灌木，无需绕弯等，常规测量所需时间较少。如遇山坡地、谷地等，边界杂草丛生，河沟林立等恶劣的地形地貌等，常规测量所需的时间更多，花费时间可能是航测的10～20倍，甚至更久都有可能。因此，无人机航测优势更明显，效率更高。

表2 不同航拍高度照片与实际长度对比Tab.2 Comparisons between aerial photographs of different altitudes and actual lengths

在纵向对比方面，可以看出，无人机不同的飞行高度与地面的呈像范围有所不同（如表2）：

在50m飞行高度，云台呈像范围对应的实地长和宽分别是75m、50m，观测面积0.3748hm2，分辨率约0.015m；

在200m飞行高度，云台呈像范围对应的的实地长和宽分别是 300m、200m，观测面积 5.997hm2，分辨率约0.052m；

在500m飞行高度，云台呈像范围对应的实地长和宽分别是 750m、500m，观测面积 37.4812hm2，分辨率约0.13m；

以上数据可以得出，无人机飞行高度与呈像范围成正比，与分辨率成反比。即飞行高度越高，云台呈像范围越大，对应的分辨率也越低。同一块地块，不同的航测高度，所需的时间有所不同。因此，不同的遥感范围及分辨率要求可以调整不同的飞行高度。

4 结论与讨论

4.1 结论

传统的使用手持式GPS测量仪测量林地的方式已经不能满足日常的工作需要，一是地面的GPS信号受到环境、地理位置等因素的影响，导致传统的GPS测量仪搜索到的可用卫星信号不多，从而影响测量的精度；二是对于地形复杂、山路陡峭的林区来说，手持式GPS测量不仅精度难以把握，而且还有可能对测量人员带来身体伤害等。

无人机航拍测量具有效率高、精度高和安全性高的“三高”的特点，在常规的外业小班测绘中，调查效率比常规方法提高2～10倍，在极端地下条件下甚至更高。在效率提高的同时，也能确保人员的安全性等。现地调查工作量大，爬山涉水困难多，强度高；无人机调查能够减少外业调查时间，降低劳动强度，提高工作效率等等诸多优势。

4.2 讨论

无人机影像分辨率达到了肉眼近地观测精度，不仅仅在测绘方面得到应用，在林地相关类别的判别上，也拥有无可比拟的优势，如：

森林资源调查中，在全国森林资源年度出数，灌木林地与非林地属性的判别、乔木林与非林地区划边界的调整、同一区域的过度地类判读等；在一类清查中，外业调查人员用差分GPS确认一类样地，使用感光效果良好的白板作为定位点，确认样地范围，利用无人机遥感的时效性强、精度高的特点，判断非乔木林地样地的地类及地类面积；在二类调查中，无人机航摄影像地类边界清晰，既可以改善卫星影像区划和判读的成果精度，又能提高二类控制抽样调查中的非乔木林地样地调查的精度。

此外，林业行政执法中，利用无人机快速响应能力，对盗伐滥伐林木进行航拍，精确获取盗伐滥伐的面积、株数等；在违法征占林地、毁林开荒等案件中，无人机可快速成图，林业执法部门通过高清遥感影像，分析出森林遭破坏的地点和程度，及时进行纠正和处罚。

营造林核查方面，在林地征占和林木采伐、枯死木调查、森林健康状况调查、灾害调查、湿地和荒漠化沙化土地调查等，无人机均可发挥巨大的优势作用。

5 总结

当前，随着科技的不断进步，林业的发展趋势已经由传统的生产作业不断向自动化、信息化以及实效化方向不断发展。无人机作为一种监测手段以及获取相关信息的重要工具，在林业发展中扮演着越来越重要的作用。但是因为各方面因素，当前我国无人机技术存在很多不足：如对无人机管理还存在政策法规和行业标准不完善、管理较严；其次是无人机应用程序较多，但不精、不全、不够专业性等；此外在无人机行业应用上、操作人员培训等，很多相关部门还不够重视等，还需要不断研究完善。