无人机航测在山杏种质信息采集中的应用及推广

张云程，楚景月

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

1 研究背景

自1995年起，与沈阳农业大学林学院紧密合作，开展了山杏(Armeniacasibirica(L.) Lam.)主要分布区的种质资源调查、选优、定向育种和良种繁育等项技术研究。先后筛选出山杏优特种质资源347份，分别采自辽宁、河北、内蒙、山西、吉林、甘肃、宁夏7省区和俄罗斯外贝加尔边疆区，并于2012年将其集中引种到喀左县进行引种适应性试验。在此基础上，成功选育出丰产、稳产型的优良无性系11个，2014年有4个山杏良种通过省级审定。翌年4月份，按沈阳农业大学林学院的配置设计，将收集到的山杏种质资源全部定植到喀左山杏良种基地。

2016年7月，经国家林业局批准，决定在原山杏良种基地的基础上实施辽宁省喀左县山杏种质资源保存库建设，建设期2017～2019年。研究立足辽西，辐射我国“三北”干旱半干旱地区，以亚洲特有的生态经济型树种——山杏为研究对象，以丰富的山杏种质资源为基础，以收集、保存、评价、利用山杏种质资源为目的，建设集规范化、系统化、标准化于一体的山杏种质资源保存库，保护山杏种质资源的遗传多样性和发展的可持续性，进而为林业生产、科学研究和教学实践奠定种质基础；同时选育山杏新品种，加速山杏良种化推广进程，促进山杏产业实现可持续发展。建成后，预计可保存山杏种质资源390份以上，筛选出丰产、晚花等优特种质20个以上。建成我国山杏种质资源基因保存基因资源库，为山杏种质的持续创新、资源培育和产业发展提供充裕的遗传材料和实用技术。

优树选择首先需要有实时获取的各种质资源单株的树体因子和物候期数据，非但野外调查工作量巨大，而且工期较长，人工成本高昂，且定位不够精准。例如，测定山杏种质树的树高和冠幅时，需要每2人为1组，调查1株种质树平均用时约5 min，数据采集效率为6株/人·h。山杏种质资源库保存现有88000株种质树，全部调查需要917个人工，组织30人的调查队伍也要1个月的时间，数据时效性很差。同样的问题还出现在花期观测、放叶期、叶变色期、落叶期观测等诸方面。

近几年无人机飞行平台快速发展，无人机遥感凭借着机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广、生产周期短等的优势，正在引起不同行业部门的广泛关注。特别是随着基于计算机视觉技术的无人机影像处理技术不断发展成熟，为基于无人机影像的森林遥感研究提供了新的发展契机。

2 研究成果简介

2.1 成果主要内容

本项成果属林学-森林培育学技术领域，主要用于林木种质资源库管理。本项成果涉及3个研究方向共8个内容模块。即无人机航摄高精度成图研究方向的控制点布局与获取、无人机航摄、Pix4D航测成图关键技术；地图矢量化技术；种质资源信息获取研究方向的种质树高信息获取、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技术。

2.2 成果创新点

(1)成功建立起无人机航测法高精度成图数据处理流程和参数。采用RTK技术，对种质资源库的界桩点、水罐、水阀、部分种质树中心点位置和明显标志进行了采集，采集的位置数据误差小于0.02 m。这些数据的采集为航摄成图提供了大量的控制点、平高点和检查点，实现了对成图精度的精准控制。在航摄过程中，通过对飞行参数和相机参数的优化，减小了像点位移和色差。根据对Pix4D软件的深刻理解与实践，首次应用于图像上刺出轮廓控制点→快速处理检查→控制点刺点加密的工作流程中，从而大大提高了刺点效率和成图精度。

(2)首次引入树木生长空间的概念，解决了种质树郁闭后树冠分割之难题。树木树冠生长发育直接制约树木各项生长，影响树冠生长的主要因素是密度，也就是树木单体间位置关系。为了表示这种关系，我们引入了树木生长空间(Voronoi diagram)概念。这一概念的引入，解决了种质树郁闭后树冠分割难题，为种质树生长分析增加了维度。

(3)成功建立起种质树叶、花色彩RGB的数学模型，为航摄正射影像判读和时空二维信息获取奠定了基础。通过建立种质树叶、花色彩RGB的数学模型，解决了判读航摄正射影像种质树叶、花期，以及获得空间和时间二维种质树信息等关键难题。

(4)通过信息迭代利用，可为林木种质资源库提供系统、连续和包含丰富种质库种质树信息。高频度的多时空无人机航摄与合成影像，为种质资源库提供的系统连续包含丰富种质库种质树信息影像资料，让种质树信息回溯利用变成可能。

(5)特质信息采集应用。例如趁下过雪后立刻进行航摄，制作成的正射影像在白色背景的映衬下能清晰反映出树木枝条的分枝特性。通过雨前雨后拍摄和两次影像计算，方可制作出林地保水保墒能力图。

3 应用推广情况

自2016年迄今，在“无人机航测在山杏种质信息采集中的应用与研究”项目实际应用中，累积航摄26次，共获照片184360张，合成影像图(DEM和DOM)百余张；为资源库内88000株种质树标定了准确位置，种质树根基部高程；项目期间先后6次全面采集种质树的树高、树冠投影面积的信息；进行3次山杏花物候期测定，2次提取山杏花RGB值。本项研究为山杏种质资源库的建设，积累了带时序的数据影像资料。项目期内，先后有喀左县林业种苗技术服务中心、沈阳农业大学林学院、国有建平县白山林场、北票市林木良种繁育中心、阜新市林业种苗中心、国有绥中县水口林场等6家单位，分别在“喀左县山杏国家林木种质资源保存库”、“喀左县山杏良种基地”、“国家林业和草原局林业长期科研基地”、“喀左县大枣良种基地”、“沈阳农业大学教学科研基地”、“沈阳农业大学研究生联合培养基地”、“建平白山林场文冠果良种基地”、“北票市油松良种基地”、“阜新市五角枫、蒙古栎国家林木种质资源库”、“辽宁省绥中县水口林场核桃良种基地”等10个项目中应用本项技术，累计应用面积达860 hm2强，涉及林木种质资源数量3763份，应用成效评价皆获成功。该项目的成功推广应用，对加速可适生林业新品种的推广大有裨益，更受到了国家和省市林业主管部门的高度评价。初步统计，仅就“山杏种质资源”研究而言，业已成功选育出通过省级审定的山杏新品种4个，其中具有丰产稳产突出特性的“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。编制辽宁省地方标准1项。

4 结论

研究针对山杏种质资源调查中工作量大、工期长、成本高、精度差等问题，研究了基于无人机与航空摄影测量的山杏种质信息模型、聚类、归一化等技术，为发展数字林业提供了技术支撑。

研制了无人机航测法高精度成图数据处理流程和参数，以及树木的叶、花色彩RGB数学模型，实现种质资源精准定位、历史数据的回溯与追踪。应用RTK技术采集种质资源库的界桩点和部分种质树中心点位置和明显标志，位置数据误差小于2 cm。引入树木生长空间概念，解决了种质树郁闭后树冠分割难题。应用信息迭代，可为林木种质资源库提供系统、连续和包含丰富种质库种质树信息的影像资料。

累计应用面积860 hm2强，涉及林木种质资源数量3763份，生态效益、经济效益和社会效益显著。