无人机航空摄影技术在林区测绘中的应用研究

2023-05-30冉勇

乡村科技 2023年5期

冉勇

甘肃洮河国家级自然保护区管护中心林业调查规划队，甘肃卓尼 747600

0 引言

林区测绘工作是推动林业建设发展的基础［1］。无人机航空摄影技术具有使用成本低、高分辨率数据采集、机动灵活等特点，是可满足林区测绘工作要求的先进技术之一。与传统林区测绘方法相比，无人机航空摄影技术不仅能有效提高林区测绘工作效率和水平，还能大大减少工作量，节约大量的人力和物力。因此，将无人机航空摄影技术应用于林区测绘具有重要的现实意义［2］。基于此，笔者对无人机航空摄影技术在林区测绘工作中的主要应用方法进行介绍，并利用无人机航空摄影技术进行实地测绘实践，以期为无人机航空摄影技术在林区测绘工作中的应用提供参考。

1 无人机航空摄影技术概述

在当前的林区测绘工作中，工作人员常采用无人机航空摄影技术，同时以ArcGIS和密集点云成像技术辅助处理无人机航摄采集的影像数据。ArcGIS 是一种地理信息系统，可在计算机软硬件支持下对有关地理信息数据进行采集、储存、管理、运算、分析及显示。工作人员可利用此系统处理影像数据，用于观察、监测调查区域内林业资源的变化范围和趋势，以达到全面准确掌握林区基本情况的目的。

无人机航空摄影技术的优势在于可利用无人机等设备在监测区域获得高分辨率的影像数据，可获得覆盖全区域的详细林业地块信息，同时可利用软件将图像识别技术和ArcGIS相结合，将各个地物所在影像拼接成图，从而为森林资源的监管提供有效辅助。在利用无人机进行飞行测绘时，有时会出现体积较大的地物覆盖体积较小地物的情况。此时，工作人员可利用无人机航空摄影技术对此类地物进行多角度航测，再分析计算该坐标下地物的覆盖面积和角度，以获取同一方位地物全面的数据信息，起到纠正地物数据信息偏差的作用。

2 无人机航空摄影技术在林区测绘中的应用方式

无人机航空摄影技术应用于林区测绘的关键点有3 个。第一，工作人员需要根据调查规划的要求设计合理的无人机飞行航线，以此保证无人机航空摄影所采集的图像信息准确无误；第二，工作人员利用Arc‐GIS 对无人机飞行过程中拍摄的高分辨率影像数据进行处理；第三，工作人员对处理过的影像数据利用密集点云成像自动提取技术提取出监测区域内植被变化范围，参照以往同地域数据对比出变化趋势并形成分析报告［3］。

2.1 规划无人机调查航线

无人机航线设计的合理性对于获取影像数据的质量具有直接影响［4］。为解决无人机航空摄影时出现林区影像不完整问题，笔者采用无人机航行曲线覆盖方法，实现航摄区域为多边形的精准化航线设计。通过此方法，无人机可无视监测地形的高度差，按照一定高程进行飞行拍摄（根据航线拍摄的照片会存在一定重合度），从而实现监测区域影像数据无遗漏采集。为确保无人机在飞行过程中采集的影像数据达到要求，工作人员需要在飞行前分析设计相片分辨率、影像比例尺及相片重叠度，并提前预设飞行航高、航带间距及拍摄时间等参数。工作人员应根据监测区域的地形特点选择无人机搭载的相机类型。为获取要素全面的数据，通常选用1∶500 高精度比例尺。在确定像元大小后，设定的飞行航高H计算公式为

式（1）中：H为无人机飞行航高，f为无人机携带相机的摄像头焦距，b为像元尺寸，R为拍摄地面分辨率。无人机在飞行过程中，机身搭载的GPS 定位系统会记录飞行实际位置，但由于存在天线信号干扰、风速及机体震动等外界因素影响，会使飞行航线存在较大误差，导致拍摄影像覆盖内容脱离预设区域。因此，为保证无人机影像拍摄准确，笔者对航线设置旁向重叠（见图1）。

图1 影像重叠度示意图

相邻的两条航带中，航向重叠度设置为65%，旁向重叠度设置为35%。相对于传统航线设计方法而言，在天气晴朗、风力较小的环境条件下，采用该航线设计方法可获取精度更高的航摄相片，对林区测绘具有显著的应用价值。无人机飞行时会受到电池和负载能力的限制，若航线出现偏差，不仅会导致无人机无法在限制的时间内完成飞行任务，而且会采集大量没有参考价值的航摄影像。例如，以往在无人机飞行拍摄期间，飞机在航线出现转点时会停止拍摄并进行转弯，这个过程会占用无人机能源和时间，造成浪费［5］。因此，尽量减少无人机飞行航线转弯次数是提高工作效率的重点之一。对于一些形状不规则的监测区域，工作人员可设计以内部最小宽度对应的平行线作为无人机飞行方向进行航摄工作，将转弯次数减至最少。为保证无人机进行航摄任务的区域在影像采集上达到足够的重叠度，飞行的起始航线与航摄区域边缘应保持一个航带间距的宽度；为保证航摄区域边线不超出结束航线飞行区域范围，预设结束航线与任务区域边线距离应至少大于50 m。相关工作人员可通过以上设计完成无人机调查航线的规划。

2.2 无人机调查影像数据预处理

无人机飞行航线确定后，工作人员通过无人机航摄技术对监测区域进行数据采集，再用ArcGIS对无人机采集的相片数据进行预处理。ArcGIS 可通过前期布设的无人机飞行区域控制点进行像控点联测，并将采集的影像数据进行初步人工审核筛选，对无人机航空拍摄的相片进行规划整理。其作用是可以将监测区域的地理位置和相关的各项数据信息进行整合，并与其他技术进行结合，建立对应的地质区域数据信息库，为查询规划提供便捷

2.3 无人机调查影像数据处理

得到预处理完成的相片数据后，工作人员先采用密集点云成像技术对相片进行影像畸变矫正；之后利用PS软件对矫正后的相片进行单影像制作，对影像照片根据信息坐标进行拼接处理，整合监测区域整体影像的完整影像图，再对监测区域的完整影像图进行校正和几何纠正，避免因区域地形起伏造成影像内相同地物相对位置出现偏差的现象；最后对监测区域的影像图进行画面修饰、地物镶嵌等处理，减少不同相片因光线角度不同在拼接时产生的色差。

影像图生成后，工作人员通过计算机图像自动解译和影像处理软件DACRS 识别正射影像中的变化范围，参照以往相同区域的林区状况，对比标记出明显变化区域。之后，工作人员再利用ArcGIS的空间分析功能获取监测区域范围内的林木、沼泽、水域、草地等自然资源基础数据，并对所有数据建立坐标，通过投影形成一个完整的自然资源林区信息数据库。

工作人员将通过计算提取出的变化范围数据与自然资源基础数据进行空间覆盖对比，使用不同色块重叠分析相同地理区域自然资源类型的变化面积，将产生的成果数据进行整理形成最终的成果报告，主要以出现变化坐标数据、自然资源类型覆盖面积增减的分析统计表及从监测区域采集的高分辨率航空摄影数据作为最终监测成果，统计监测区域植被覆盖率，分析林业资源变化情况；将分析后的结果在影像图上进行标注，从而使监测分析结果更直观展示，最终将整理好的成果提交给相关部门工作人员，为林业资源保护与管理提供有效参考。

3 无人机航空摄影技术在林区测绘中的实际应用

3.1 试验准备

试验于2023 年2 月10 日进行。笔者在洮河国家级自然保护区选择一林区地块作为试验区域，进行无人机航空摄影技术在林区测绘中的应用试验。试验区域为长方形，面积约为2 700 m2。为尽量降低环境因素对无人机飞行的影响，试验于当天10:30 进行，试验期间风力2 级，试验区域无高耸障碍物。无人机型号为大疆Maic2 专业版，搭载高分辨率摄像头、GPS 定位系统、飞行自主控制系统等，可在降低飞行控制难度的同时获取高清影像数据。根据试验区域地形环境，笔者设定无人机航行高度为70 m，于试验区域上方循环飞行5次，采集60张航片，分两个航带。

3.2 实时航测情况

经过对应数据记录采集，无人机实时航测结情况如表1所示。

表1 航测信息展示表

由表1 可知，在5 次实时航测中，无人机拍摄影像的准确率最高为99.2%，最低为97.8%，可见通过无人机航摄技术可准确获取试验区域的地物信息；采集影像时间最长为31 ms，最短28 为ms，可见无人机航摄技术能满足在极短时间内获取对应影像资料，与后续拍摄影像工作可紧密衔接；无人机航测一次飞行时间最长为35 min，最短为28 min，表明无人机可在较短时间内对大面积监测区域完成数据采集工作，可大幅度减少传统测绘方式所需的人力、物力；每张相片的重叠率最高为40%，最低为35%，满足相片旁向重叠率的需求，即利用无人机航测不存在对监测区域信息采集的遗漏问题，通过所有相片的拼接可形成完整的监测区域影像图。

3.3 试验区域测绘结果

笔者利用无人机航空摄影技术对试验区域信息采集完成后，利用软件对影像资料进行整合处理，通过点位坐标计算得出试验区域测绘结果（见表2）。

表2 试验区域测绘结果

如表2 所示，5 次测绘结果中，试验区域周长最长为2 166 m，最短为2 097 m，误差为69 m；试验区域面积最大为2 670.5 m2，最小为2 657.9 m2，误差为12.6 m2；平均树高最高为4.65 m，最低为4.18 m，误差为0.47 m；林区占比最高为81%，最低为73%，误差为8%。试验区域周长、面积、平均树高、林区占比的误差均在理想范围内，证明无人机航空摄影技术在林区测绘工作中可以起到显著的辅助作用。