浅谈无人机精灵4 RTK在森林资源调查和规划设计中的应用

应启围 田野宏 胡卫东 梁余发 买凯乐 蒋桂娟

(广西生态工程职业技术学院,广西 柳州 545000)

近年来，随着无人机、人工智能、深度学习、工程测绘等领域的高速发展，无人机及其搭载的各种多功能相机、激光雷达等性能不断提升，正在逐渐满足各个行业的具体需求。采用传统的森林调查方法，不仅需要大量的人力物力，而且有些区域具有一定的危险性。无人机搭载相机、激光雷达进行森林调查、搭载红外摄像头用于森林防火、搭载多光谱成像系统用于森林病虫害防治等技术正趋于成熟应用。日常工作中林场、规划设计院等单位最迫切需要的就是快速获取一片林地的高清矢量影像成果，无人机结合实地抽样调查能够快速获取林分各项调查因子，从而快速准确完成森林资源规划设计的基础工作。目前使用无人机对单株树木和林分因子的调查还未完全实现，对树木数据模型的建立仍在完善，以无人机搭载激光雷达获取三维点云数据，通过后期处理提取量化单株树木的树高和冠幅等调查数据的技术已基本成熟[1]，使用无人机进行低空遥感航测获取高分辨率的正射影像二维图像的技术已非常成熟且稳定[2]，使得森林资源规划设计调查的成果更加具有直观性和可视性[3]。本文以深圳市大疆创新科技有限公司生产的精灵(Phantom)4 RTK为例，介绍在广西沙塘林场森林规划设计调查中使用该机型的具体应用和经验，供各位同行参考和借鉴。

1 区域概况

广西国有沙塘林场位于广西东南部柳州市沙塘镇(E108°17'～108°24'，N24°27'～24°30')；该地为丘陵地貌，海拔99.1～242.6m。属南亚热带季风气候区，光照充足，热量丰富，雨热同季，夏湿冬干，干湿季节明显，年均气温20.1℃，年均日照时数1558h，年均降雨量1429.7mm，年均蒸发量1599.8mm，相对湿度78%，无霜期长达356.8d[4]。土壤为砂岩发育成的红壤，土层深厚且层次不明显，肥力中上，呈酸性，pH值4～5[5,6]。

2 精灵4 RTK基本情况分析

2.1 选用精灵4RTK的理由

深圳市大疆创新科技有限公司对精灵4 RTK的定位是行业级应用产品，属于小型多旋翼高精度航测无人机，主要用途是面向低空摄影测量应用。特点是具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统，便携易用，能够全面提升航测效率。也就是说该机型并不是专为林业行业定制开发的，但其高精度的低空摄影测量应用确实在自然资源的调查领域得到了非常广泛的使用。

2.1.1 成本较低

无人机的使用成本不仅仅是初始购置无人机及配套相应软硬件的成本，还包括无人机操作人员的培训、无人机的保险、维修、保养等后期成本。如，广西国有沙塘林场位于典型的低山丘陵地貌区域内，地形地势复杂。相比北方相对开阔的地貌，无论是对无人机自身的安全还是操纵无人机的飞手而言都有更高的要求。据了解，包含广西国有沙塘林场在内的广西各大林场和生产单位，绝大多数都将精灵系列的机型作为森林资源监测调查管理、病虫害调查监测的主力机型，该机型的耐用性、稳定性、可靠性和性价比已得到行业广泛认可，并具备一定的改装潜力。该产品也通过广大用户的反馈进行不断的固件升级更新，使得系统功能不断优化，更趋于自动化和智能化。

2.1.2 操作简单

由于林业基层单位工作人员文化水平中等，参差不齐，大部分生产单位的运营经费也比较紧张，因此精灵4RTK具备的自动航线规划、自动返航、仿地飞行等功能的优势就非常明显。除相应的培训外，只需自行阅读说明书和观看教学视频，就可以很快掌握基本操作要领，完成较为简单的航测任务。特别是自动航线规划功能，只需在卫星影像图上定位出需要航测区域的外边界点，无人机遥控器即可实现自动规划航线并能够实现一键上传任务起飞。如果航测区域较大，还具备换电池后继续执行中断的原任务的功能，大大降低了操作难度。

2.1.3 定位精准度高，图像分辨率高

该机购买RTK套餐后可以实现厘米级定位，配合云台自带的高性能成像系统，大幅提升了航测效率与精度，降低了作业难度和成本，航测作业不仅效率高，分辨率高，而且不需要布设像控点即可获得带有高精度坐标信息的正射影像，对于非测绘行业的人来说极大地降低了获取森林二维正射影像的难度。获取影像后可采用该机配套使用的大疆智图软件拼接(需另单独购买)，也可通过第3方软件进行拼接影像，较为方便快捷。

2.2 精灵4RTK在林业行业应用的不足

2.2.1 电池续航有限，受天气影响较大

事实上，多旋翼无人机的续航确实是困扰多旋翼无人机应用发展的普遍问题。该机型官方公布的参数是单次飞行最大作业面积约1km2(飞行高度182m，即GSD约5cm/pixel(每个像素的实际大小)，满足1∶500规范要求)。标配的电池最大航程约30min，但使用官方充电器充满1块电池需要60～90min，这意味着在林区进行大面积航测任务时更多情况下只能选择多带电池，无法通过车载充电器等方式进行高效的电池循环补给。考虑到林区作业面积大，多为连片集中的情况，而且每个目的地相隔都较远，中间又难免有山体、树木等阻隔，需要多次转场或起降，每次起降点的距离远近、风速大小等环境条件难免会影响航测的效率和无人机的飞行续航里程。实测设置航高180m，最近航点距离起飞点约1.5km，自动规划航线起飞，电池电量设置低于25%以下低电量警报即刻返航。经实际测试，不计无人机起降和到达航测区域的时间，实际真正进行航测的有效时间只有22min左右，也就意味着单次理论航测作业面积为66.67hm2左右。30min的理论飞行续航时间受风速和温度影响，温度过低或过高都会影响无人机的续航里程。风速的影响则更大，在有的山区容易形成峡谷风和风口，对无人机来说比较危险，风速过高会直接导致无人机悬停或原地降落，甚至失联或损坏，无法完成正常作业。

2.2.2 配套的图像处理分析软件价格较高

目前大疆官方匹配的图像处理软件大疆智图的开放性有待提高，需要单独购买且与使用机器有绑定关系，并限制了每年解绑更换使用计算机的次数。对于林场、农场等管辖区域很大，总场和分场距离较远的单位来说要在固定计算机上拼图并不方便。另外，由于各地方政府采购的因素，购买软件的经费十分有限，单一性来源采购流程较为繁琐，难度较大，导致许多基层工作人员实际只能使用第3方软件如PIX 4D等进行图像拼接处理。

2.2.3 原装遥控器屏幕较小，负载相机不能变焦

精灵4 RTK自配遥控器为5.5英寸屏幕，虽然便携但较小，不太适合苗木造林、松材线虫病枯死木清理等工作现场验收时的灵活展示。负载相机像素虽然较高，但不支持变焦，只能通过调整飞机位置来实现近距离观察，在林区使用多有不便。

2.3 其它选择

据统计，大疆无人机2018年时在全球市场消费级市场所占的份额已超过70%[7]，可见消费者及各行各业对于大疆无人机产品的认可。对于上述精灵4 RTK的不足，同为大疆公司产品的经纬M300 RTK续航提升至1h，可以搭载最新的激光雷达禅思L1和全画幅图像传感器禅思P1。同样是4轴多旋翼无人机，经纬M300 RTK在抗风、防水、稳定性、作业效率、性能等方面均比精灵4 RTK有显著提升和质的飞跃，优势是非常明显的，但其几乎必须搭配大疆智图软件使用。在价格方面，经纬M300 RTK按照负载设备的不同是精灵4 RTK的数倍，便携性也大大降低。因此，对于基层林业工作以主要获取高精度二维正射影像图的需求而言，精灵4 RTK暂时是目前最优的选择。

3 精灵4 RTK的实际应用

3.1 起飞前充分准备

在开始林区航测作业前，建议操纵无人机的飞手参加供应商提供的专业培训，有条件的单位应组织飞手考取相应的资格认证证书，相关人员认真阅读精灵4 RTK产品使用说明书和保修政策，特别是保险政策中要求的事项。事前要结合已有的地形图对航测区域进行确认。航测任务开始前应检查无人机电量和状态。SD存储卡容量及安装情况，注意天气变化情况，以免空跑。可以提前在电脑、遥控器上对航线进行规划，明确航测红线和分辨率要求，可将航测范围红线转为KML格式导入遥控器，避免漏测重测。提前了解航测区域是否有限飞要求，预计需要起飞降落几次，是否需要转场更换起飞点。一般情况下，精灵4 RTK 1块遥控器电池在非一控多机的情况下，可以支持4块无人机电池的使用，即在额外配置遥控器和无人机电池时可以按照1∶4配比进行购买。

3.2 航测基本设置

对于不同地形地貌的林区而言，在遥控器上设置至少3个边界点系统就会根据边界点形成的闭合区域自动规划出航线，此处边界点的设置建议略大于实际需要的航测影像区域，特别是用于松材线虫病的监测调查和验收时，可以及时发现管理区域周边的松材线虫病枯死木、林地侵占等风险。可以根据闭合区域的形状和当时太阳所在位置等情况调整航线方向和起始点位置，以获得最佳的拍摄效果和最高的作业效率。有条件可按照设想航测任务的高度试拍几张照片，在笔记本电脑上查看实际效果(如使用大疆智图可实时查看二维拼接效果)，防止在下午阳光强烈或阴天进行航测任务时图像过度曝光或曝光不足，导致最终拼接成图效果不佳。

根据当次作业所在区域的地形图，获取该地区的地形信息，重点是获取飞行区域中最高障碍物的高度。如对该航测区域不熟悉，建议先找到附近至高点或开阔地起飞拉高查看整个航测区域的基本情况，如果待测区域中有铁塔、高压电线等高出山体的障碍物，就要在自动航测高度和返航高度的设置上应至少预留出30～50m的安全距离。特别需要注意的是，遥控器设置页面的高度均为无人机起飞点的相对高度，实时海拔高度可以在RTK页面中的三维坐标下方看到。在地形图上获取的高度一般为海拔高度，要注意换算并考虑树木和铁塔等的高度，预留足够的安全距离，以避免无人机自动返航或自动航测任务中遇到障碍物失联或损坏。精灵4 RTK航测高度最高可以设置到500m，但作为林区航测任务，一般不建议超过365m，约GSD≤10cm/pixel，否则较难对目标树种、松材线虫病等调查监测工作进行高精度的辨析。

3.3 林区航测时注意事项

在不平整的场地，精灵4 RTK的机箱可以作为很好的起降平台。由于山地森林植被茂密，有时选择起飞点只能在林窗空隙中起飞，这时飞机的RTK较难连接，可以采用先关闭RTK，用GNSS模式起飞，起飞后再打开RTK即可。采用这种方式需要特别注意的是，精灵4 RTK在GNSS模式起飞的返航点记录精度可能会有偏差，自动返航时应通过相机图传等确定降落线路是否有障碍物，防止自动返航垂直降落的过程中由于无人机因记录的起飞点与实际有偏差导致与树冠等障碍物发生擦刮，如发现有偏移应立即切换飞行模式为手动模式或取消自动返航，使用手机进行位置微调安全降落。

虽然精灵4 RTK与遥控器连接理论无干扰、无遮挡的有效距离是4～7km，但由于山体的遮挡和林区铁塔等信号基站一般也建设在山顶，实际林区航测时受诸多因素的影响，特别是当起飞点地势较低、地形起伏较大时，建议尽可能寻找相对高度较高，地势较开阔的地点作为起飞点，增加无人机的信号连接，避免中途信号失联触发自动返航，以减少转场和起飞降落的次数，提升航测作业效率。另外，在无人机航测作业的过程中，要求机手实时关注无人机的电量、速度、高度、距离、姿态、作业完成度、信息提示等动态情况。在实施较狭长区域的航测任务时，注意让遥控器天线的垂直切面跟随无人机的行进方向以保持较好信号连接。在风速过大的情况无人机需要消耗大量的电力维持自身平衡，此时应就近利用挡风障碍物尽快降低到安全高度并返航。航测区域高程相差较大时，应使用仿地飞行模式进行作业，以获得足够重叠率的正射影像，但此法需要先使用摄影测量2D飞行1遍提取高程数据，效率有所降低。一般高程相差不大的区域，保证航测任务规划航线高度大于或等于航测范围内最高物体的1.5倍，即可保证足够的影像重叠率。

3.4 航测图像数据成果处理

3.4.1 航测图像的二维重建

二维重建对计算机的性能有一定要求，相同的计算机硬件配置建议使用大疆智图软件，与最常用的第3方软件pix4d相比特点是安装快捷，操作简单，可进行航线规划，实时二维重建，重建速度快，获得的数据精度高，并支持影像基础长度、面积、体积量测功能。另外，对于林区横、纵重叠率分别为70%、80%的二维数据实际可以重建出3D模型，但侧面因为没有倾斜摄影的图像作为基础补充，图像拉伸和变形严重。

3.4.2 二维正射影像成果的后期处理

虽然在大疆智图内能够实现影像的量测功能，但林业应用的主体还是将二维正射影像成果导入ARCGIS软件中，将其与地形图、森林二类调查成果进行配准后叠加使用，用于二类调查结果的更正，结合实际情况对林班小班区划的调整。在森林资源调查和规划设计中经常对目标区域进行直接区划和标注，可视性好。

3.5 航测成果在森林资源调查和规划设计中的应用

3.5.1 提高森林区划精度和准确度

传统方法进行小班区划时通常采用地形图勾绘的方法，该方法需要使用者对地形图的有关知识相当熟悉，并具备较好的实践经验。但即使是这样，无论是使用对坡目测勾绘法还是走边界勾绘法，传统人工地形图勾绘的误差均显著高于在高分辨率的二维正射影像图和地形图叠加后的成果图上直接勾绘，传统人工地形图勾绘的作业效率和精度又远低于无人机的作业效率和精度。因为无人机获取的二维正射影像分辨率高，可以直接在软件上操作辨识山林湖田草等地类、林种、地形等细节信息，面积测算也比地形图勾绘测算面积要精准许多。对林业信息技术专业学生实训成果分析发现，采用无人机航测结果叠加地形图结合ARCGIS软件进行小班区划的方法精度均符合要求，但使用传统地形图勾绘方法就有不少同学因为对地形不熟悉导致误差在10%以上。

3.5.2 提高林业规划设计等成果的可视性

无人机获取影像成果的效率、精度和时效性是使用传统卫星高分辨率影像无法比拟的，无人机获取的高分辨率正射影像具有很强的可视性和实时性。在营造林方面挖穴数、造林株数、成活株数的验收，森林病虫害枯死木的调查、定位、清理验收，林窗分析、林相改造分析，森林资源林地征占用、林地侵占的调查核实取证，森林资源、生物多样性保护和森林旅游宣传片的拍摄，前后多次航测成果的叠加对比等应用，均直接使用无人机航测成果。

4 讨论

在林区无人机飞丢后非常难以找回，即使找到其所在树冠上方的具体位置，在公益林等采伐限制区域也难以将其取回。虽然目前大疆推出的DJI CARE随心换全方位意外保障计划中已包含飞丢险，但购买保险的持续性投入费用和报险时需要提供的置换费用，对于国有林场等国有单位来说仍在财务制度上存在诸多不便，因此前期的培训投入费用实际十分有必要。由于不少未经过系统培训的机手在林窗下起飞时仍然使用自动返航模式，在降落时如果不留意观察及时干预转为手动操作，就极易出现飞机降落在附近林冠上导致损失。

目前，无人机电池续航问题仍是影响无人机在各个行业领域深入应用的主要限制。在当前电池容量密度未有突破进展之前，已有学者开发并应用精灵4系列无人机电池充电的移动充电柜，实现在短时间内快速、安全地对电池进行充放电操作[8]。未来电池的问题如果得以解决，更多影响航测效率的将是图传和无人机遥控器信号连接的限制，期待这方面的技术问题也能够得到突破，进一步大幅提升航测的效率。

目前，多旋翼无人机由于电池等多方面原因导致工作温度的限制以-10～40℃居多，-10℃以下的多旋翼航测应用机型很少，对于北方林区冬季应用的市场仍然是一个较大的空白，有较大的应用前景。