无人机航测在山杏种质信息采集中的应用与研究

楚景月，张云程

(1.喀左县林业和草原局，辽宁 喀左 122300；2.喀左县林业种苗管理站，辽宁 喀左 122300)

1 研究总体思路

研究成果利用无人机倾斜摄影技术，制作出可见光正射影像(DOM)和高程栅格数据(DEM)，通过建立分类模型对两类影像数据解析获取种质树相关信息。研究涉及无人机航摄技术、地理信息采集技术(RTK应用技术)、航摄影像制作技术、正射影像分类识别技术、高程栅格数据处理技术、相关模型建立等。该项技术的研制成功，彻底解决了高端林业项目实施中可能遇到一系列难题，让种质资源精准定位、提高调查效率和科研成果可靠性、历史数据的回溯与追踪、缩减科研周期、推行动态监测以及维护科研档案安全等成为可能，进而为全面发展数字林业铺平道路。

2 技术方案与创新成果

本着精度高、易操作、低成本的原则，进行相关设备确型、参数确定、模型建立和固定工艺流程诸方面研究，以满足山杏树体因子提取之要求。

在历时4年的时间里，主要完成了3方面研究的目标任务。即无人机航摄高精度成图，包括控制点的布局与获取、无人机航摄、Pix4D航测成图关键技术；地图矢量化方面包括种子资源库点、线面目标的绘制；种质资源信息获取研究方面包括种质树高信息获取、建立种质树叶花的RGB颜色模型、种质树树冠投影面积信息获取、山杏开花的物候期观测。在技术开发、推广及产业化过程中，攻克了种质树郁闭后树冠分割技术，解决了用低端无人机实现高精度制图的关键技术，提出了树木生长空间概念。

(1)通过控制点的布局与获取、无人机航摄、Pix4D航测成图关键技术研究，根据大疆精灵3A和大疆御2Pro 这2个型号无人机的特点，探索出基于最优航线布设方法、控制点布局与获取方式、无人机飞行方式及航摄方式，总结出Pix4D航测成图关键技术，创建了无人机种质资源信息获取的参数确定和工艺流程。

(2)制作出了山杏种质资源库矢量化地图。亦即，基于控制点、正射影像、高程影像绘制种质园边界、各分区界、分组界等面目标，绘制作业道、供水管线、供电线等线目标，标定种质树、标桩、水罐、水栓等点目标。

(3)构架山杏种质树数据库。山杏点层(SXD.shp)为地理几何数据层，在山杏点层(SXD.shp)属性表中建立要素属性信息(关系数据库)，数据库结构分隶属关系、空间关系、种质树属性因子和种质树表现因子4个方面。隶属关系包括功能区、组、小区、树号，并由此组成种质树身份编码；空间关系因子，种质树位置的空间坐标包括经度、纬度、种质树根部高程，生长空间面积；种质树属性因子包括种质树名称、谱系号、种质来源、繁殖方式、栽植年份、栽植方式、砧木等。种质树表现因子包括：树体因子、枝、叶调查因子、花器官调查因子、果、核、仁调查因子、产核量调查因子、物候期观测因子。由连接种质资源位置两邻点直线的垂直平分线组成的连续多边形组成得到树木生长空间矢量图层，即山杏面层(SXM.shp)。

(4)建立了山杏种质树叶、花RGB色彩模型。通过计算种质树叶生长期正射影像(DOM)的R、G、B这3个波段值与种质树叶的RGB颜色模型预测值的差平方和置信区间，提取出叶、花特征。

(5)实现了快速批量获取树木位置、树高、树冠投影面积等树体因子，大幅提高了工作效率和精准度，圆满完成了各项研究目标任务。

(6)编制省级地方技术标准1项，即《山杏种质资源调查及评价技术规程》(DB 21/T 2462—2015)。

3 与国内外同类研究的比较

研究始于2016年，在历时4年时间里“无人机航测在山杏种质信息采集中的应用与研究”项目取得系列重要进展。杨坤等[1]采用Pix4D软件对无人机采集的高分辨率影像进行处理，利用大类间方差法将三维点云分割为树木点云及树下地面点云两部分，由此提取树木顶端高度到地面平均高度得到树高。此方法克服了数字表面模型将会导致树木部分细节丢失造成的误差和采用单株树木立体像对提取树高导致的人为误差，但必须是在水平林地上，局限性明显较大。刘见礼等[2]设计了一种基于无人机影像点云和“单木树冠结构分析”的单木识别算法。该算法通过对识别的单木树冠的垂直结构的分析，剔除掉伪单木，从而提高单木识别的准确率。利用数学形态学方法，提出了一种基于无人机正射影像(DOM)和数字表面模型(DSM)数据的单木识别算法。该算法综合运用DOM和DSM的光谱和几何信息进行单木树冠区域的提取，针对密集林区单木树冠交错重叠的问题，实现树冠相连单木的分离与识别。但实际应用时识别率依然不高。刘清旺等[3]在凭借无人机激光雷达与摄影测量能够获取丰富的森林空间结构和类型信息。但存在问题是时有单木错识别的现象出现。

在国外，虽说目前亦有关于无人机技术应用的研究报道，但大部分研究都是把精力置于解决树木位置和地面基准问题上面，为达成目标，有的要规避地形，有的规避树种，有的采用反演，技术复杂多样，但普适性和精度都不很高。

通过对同一区域、同一地形、同一种质树木的信息在不同时期进行重复获取，故信息更精准、误差更小、操作更易，可复制、可推广性更强，具有可行性和必要性[4]。

4 经济和社会效益分析

4.1 经济效益

“无人机航测在山杏种质信息采集中的应用与研究”成果，让实现精准无误变得不再困难。粗略估算，采用本法能让这种投资上千万的项目每年至少可节省研究经费100万元，4年共400万元。在信息采集方面，沈阳农业大学派人(研究生)抽样调查山杏种质树的树高冠幅时，需要2人为1组，调查1株种质树平均用时约5 min，1天(8 h)只能调查96株树。共5组调查5天，调查种质树2400株，数据采集效率为6株/人·h。而改用本项技术采集山杏种质资源库88000株种质树的树高和冠幅信息(全部调查)仅需要1人4天即可完成，数据采集效率为2750株/人·h，是人工采集效率的458倍，每年可节省调查采集费用54万元，4年共216万元。

另外，快速选育出的林木新品种并加以推广，它带来的直接经济效益是非常巨大的，有的甚至能改变区域现状。在本项研究中，因管理能力和管理水平真正实现了现代化，在不太长的时间里，即已成功选育出具有丰产稳产特性的“山杏1号”，迄今已在本地区推广141.3 hm2，平均每亩年增收600余元，每年约可增加收入127万元，4年共508万元。

上述3项合计，应用本项目每年可节本增效281万元，4年共获经济效益1124万元。

4.2 社会效益

对广大林农来说，新品种、新技术就是致富法宝，以“山杏1号”推广为例，平均每667 m2每年可增收600余元，广大林农在获得经济收益的同时，对维护社会稳定、提升民众对林业产业的重视程度、促进和谐社会发展建设，皆有重要的附加社会效益。