楊 衛(wèi)， 劉曉陽

(1.四川中水成勘院測繪工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610072； 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝林學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

1 前言

數(shù)字表面模型(digital surface model，DSM)是很多測繪產(chǎn)品的一個(gè)很重要的中間產(chǎn)品，它基于DSM可以進(jìn)一步編輯、處理制作DEM、DOM、TDOM、DLG、三維模型等。作為地理信息系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)來源，DSM的應(yīng)用范圍很廣。近年來，在林業(yè)調(diào)查研究領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展迅速，研究人員對(duì)DSM模型數(shù)據(jù)的需求日趨增多。

傳統(tǒng)的林業(yè)調(diào)查依靠人力進(jìn)行實(shí)地定點(diǎn)監(jiān)測，效率低，加之林區(qū)地形多復(fù)雜，有許多監(jiān)測盲區(qū)，誤差較大。對(duì)森林資源調(diào)查方式的探索，將無人機(jī)應(yīng)用于林業(yè)調(diào)查中，不僅可以有效提高林業(yè)調(diào)查的效率，并且可以獲得高分辨率影像資料。為今后對(duì)森林資源的保護(hù)以及利用提供科學(xué)的數(shù)據(jù)，同時(shí)加強(qiáng)了無人機(jī)在森林調(diào)查上的應(yīng)用?；诖耍疚慕Y(jié)合實(shí)踐，闡述利用大疆無人機(jī)御MAVIC2對(duì)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)獅子山部分森林進(jìn)行調(diào)查，從而快速準(zhǔn)確獲得DSM的方法。

2 無人機(jī)及其軟件

2.1 無人機(jī)

此次調(diào)查選用的是大疆御MAVIC2無人機(jī)，搭載哈蘇L1D-20c相機(jī),像幅 5 472×3 648，等效焦距28 mm。采集時(shí)需保障相鄰航線正投影像圖重疊率在40%以上，航線方向正投影像圖重疊率在60%以上。

2.2 無人機(jī)軟件

本次無人機(jī)調(diào)查的影像數(shù)據(jù)，主要利用Pix4Dmapper軟件進(jìn)行處理，從而獲得DSM模型。Pix4Dmapper是瑞士Pix4D公司的全自動(dòng)快速無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，是目前市場上集全自動(dòng)、快速、專業(yè)精度為一體的無人機(jī)數(shù)據(jù)和航空影像處理軟件。

3 材料與方法

3.1 研究區(qū)域概況

調(diào)查區(qū)域是湖北武漢華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博園宿舍區(qū)與獅子山交接處的150 m×150 m的方形樣地，區(qū)域內(nèi)主要樹種為懸鈴木、馬尾松、樟等。

3.2 數(shù)據(jù)獲取方法

利用大疆御MAVIC2無人機(jī)，對(duì)獅子山部分森林區(qū)域進(jìn)行調(diào)查，獲得DSM模型的方法，就是通過DJI GO4軟件對(duì)所選區(qū)域進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)之后，執(zhí)行飛行航拍任務(wù)。此次航線設(shè)計(jì)采用了兩種不同的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較試驗(yàn)，分別是常規(guī)航線(圖1左)和網(wǎng)格航線(圖1右)，從而判別所獲得DSM模型的準(zhǔn)確度。

圖1 常規(guī)航線與網(wǎng)格航線

航拍結(jié)束后，將獲得照片存入PC端，利用Pix4Dmapper軟件進(jìn)行處理，生成TIF格式的DSM模型圖。這種獲取方式與傳統(tǒng)方式相比，無論是精確度還是速度都有極大的提升。

3.2.1 外業(yè)飛行

(1)選擇起飛地點(diǎn) 。起飛點(diǎn)的選擇對(duì)整個(gè)調(diào)查工作有著重要作用，宜選擇空曠、視野寬闊的地方，適宜無人機(jī)起飛和降落。其次無人機(jī)拍攝的影像要求較高的重復(fù)率，所以選擇的起飛地點(diǎn)為高海拔地區(qū)。

(2)新建飛行任務(wù)及設(shè)置參數(shù)。起飛地點(diǎn)選擇好了，利用DJI GO4軟件連接無人機(jī)，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。此次飛行高度設(shè)置為100 m；其次設(shè)置相鄰航線正投影像圖重疊率為75%，航線方向正投影像圖重疊率為85%，主航線角度隨任務(wù)區(qū)域的形狀進(jìn)行調(diào)整，垂直向下拍攝，其他參數(shù)默認(rèn)即可。

(3)執(zhí)行飛行任務(wù)。各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置好后，即可進(jìn)行飛行任務(wù)拍攝。因?yàn)榕臄z時(shí)間較長，一塊電池的電量不足以支撐整個(gè)過程，需要更換，然后才能繼續(xù)調(diào)查。任務(wù)完成后，將無人機(jī)降落在指定區(qū)域內(nèi)。

3.2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理輸出結(jié)果。本次實(shí)驗(yàn)調(diào)查，其中常規(guī)航線拍攝獲得影像圖片57張、網(wǎng)格航線拍攝獲得影像圖片94張，分別用Pix4Dmapper軟件處理這兩種航線拍攝的影像圖片。處理完畢后，即可獲得不同航線的質(zhì)量報(bào)告和TIF格式的DSM模型。

4 結(jié)果與分析

4.1 精度分析

將兩種不同的航線拍攝的影像圖片，經(jīng)過Pix4Dmapper軟件處理后，獲得了兩份質(zhì)量報(bào)告，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)格與常規(guī)航線影像處理數(shù)據(jù)比較

從表1可以看出，常規(guī)航線的平均地面采樣距離為2.19 cm，而網(wǎng)格航線為2.16 cm，均能保證所獲得DSM模型的精確度。其他參數(shù)也都從不同的方面，顯示出網(wǎng)格航線拍攝的影像數(shù)據(jù)更能準(zhǔn)確地表達(dá)調(diào)查區(qū)域的實(shí)際情況。

4.2 DSM模型結(jié)果

將獲得的兩種航線的DSM模型，用ArcMap軟件進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖2、圖3所示?？梢钥闯?，兩種航線的DSM均能詳細(xì)的表達(dá)了地形和地物信息。但是，相比較而言，常規(guī)航線在拍攝過程中，受外部因素影響(風(fēng)力、操控因素等)，易導(dǎo)致拍攝影像質(zhì)量不高，從而使后期處理時(shí)，軟件無法識(shí)別，模型部分區(qū)域有所缺失。而網(wǎng)格航線在航線設(shè)計(jì)上，提高了航向、旁向上的重復(fù)率，從而有效地避免了拍攝過程中外部因素的影響，提高了模型反映地物地表的信息準(zhǔn)確度，工作效率也提高。

圖2 常規(guī)航線DSM模型

圖3 網(wǎng)格航線DSM模型

4.3 不同覆蓋度的DSM高度信息

將利用網(wǎng)格航線拍攝所獲得DSM，用ENVI軟件處理。選取三處植被覆蓋度分別為100%、80%、60%的區(qū)域，判斷其高度信息。從DSM高度可以看出，在此次調(diào)查區(qū)域內(nèi)，覆蓋度越高，高度變化幅度較小，且地理位置也越高；反之，覆蓋度越小，高度變換幅度較大，地理位置較低，符合調(diào)查區(qū)域?qū)嵉厍闆r。

5 討論

5.1 可行性

在林業(yè)調(diào)查中，將無人機(jī)技術(shù)和遙感技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，可提高林業(yè)調(diào)查的速度和效率，且獲得高分辨率影像資料。此次試驗(yàn)結(jié)果表明，通過無人機(jī)技術(shù)能夠獲得目標(biāo)區(qū)域的地表地物信息，能夠反映調(diào)查區(qū)域的具體情況，且能生成調(diào)查區(qū)域的三維模型，能夠滿足調(diào)查的基本需求。所以，利用無人機(jī)獲取林區(qū)DSM的方法是可行的。

5.2 效率和精度

傳統(tǒng)調(diào)查的方法得到的DSM，不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，而且在精度方面有很大的誤差。主要是由于傳統(tǒng)調(diào)查的方法，受到地理因素和人為因素的影響較大。而本次利用無人機(jī)獲取林區(qū)DSM的方法，表現(xiàn)出高效、快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。其平均采樣距離達(dá)到了2.16 cm，處理時(shí)間只用了50 min 28 s，生成的數(shù)字表面模型無幾何變形，高程信息準(zhǔn)確，整體顏色均一。

5.3 航線設(shè)置

本次實(shí)驗(yàn)中，通過常規(guī)航線和網(wǎng)格航線的設(shè)置，進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)，用來判別獲取DSM的精確度。結(jié)果表明，在進(jìn)行常規(guī)航線飛行時(shí)，無人機(jī)由于風(fēng)力、操作不當(dāng)?shù)仍颍斐膳臄z影像資料質(zhì)量有所缺陷，后期處理時(shí)，DSM邊緣區(qū)域有所缺失；而通過航線的改變，使用網(wǎng)格航線進(jìn)行飛行時(shí)，由于提高了航向和旁向上的重復(fù)率，減少了無人機(jī)拍攝過程中所受的外部因素的影響，降低測量偏差，提高精準(zhǔn)度，最終達(dá)到目標(biāo)結(jié)果。

5.4 內(nèi)業(yè)處理相關(guān)問題

在內(nèi)業(yè)處理時(shí)，Pix4Dmapper軟件在進(jìn)行拼接影像時(shí)，如有影像重復(fù)率達(dá)不到要求，最終會(huì)導(dǎo)致成果影像出現(xiàn)模糊、缺失等現(xiàn)象。這也是此次常規(guī)航線生成的成果影像出現(xiàn)缺失的原因之一。

6 結(jié)語

利用無人機(jī)進(jìn)行林業(yè)調(diào)查，極大地推動(dòng)了現(xiàn)代林業(yè)的發(fā)展。本文將理論結(jié)合實(shí)踐，探索了利用無人機(jī)快速獲得林區(qū)DSM的方法，并通過兩種航線設(shè)計(jì)進(jìn)行比較分析，來論證獲得的DSM的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，無人機(jī)作為新型的調(diào)查設(shè)備，所獲取的遙感影像制作的DSM是符合測量要求的。然而，使用此方法獲取林區(qū)DSM還有待進(jìn)一步提高，例如無人機(jī)航線的設(shè)置、圖像重復(fù)率等，這些都對(duì)最后的結(jié)果產(chǎn)生影響。