羅盛萬(wàn)，藍(lán)曉丹，蘭必賽

(1.廣西桂江林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，廣西 南寧 530022；2.南寧市桂都林業(yè)有限公司，廣西 南寧 530022)

國(guó)家儲(chǔ)備林是指在自然環(huán)境條件適應(yīng)地區(qū)，按規(guī)定政策和科學(xué)措施營(yíng)造，用以生態(tài)和木材儲(chǔ)備的優(yōu)質(zhì)、高效、多功能森林，集生態(tài)建設(shè)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展為一體，融生態(tài)產(chǎn)品、林產(chǎn)品供給于一身。實(shí)施國(guó)家儲(chǔ)備林基地建設(shè)是國(guó)家重大戰(zhàn)略部署，對(duì)建設(shè)我國(guó)木材安全和生態(tài)安全具有重要意義。廣西壯族自治區(qū)國(guó)家儲(chǔ)備林基地建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃面積為186.67萬(wàn)hm2。按《全國(guó)木材戰(zhàn)略儲(chǔ)備生產(chǎn)基地建設(shè)管理辦法(試行)》要求，國(guó)家儲(chǔ)備林項(xiàng)目建設(shè)執(zhí)行全過(guò)程質(zhì)量和成效監(jiān)測(cè)，檢查驗(yàn)收是其最重要的環(huán)節(jié)，而面積又是檢查驗(yàn)收最重要的關(guān)鍵因子。

南方基本要求當(dāng)年造林當(dāng)年驗(yàn)收，其山地高分辨率衛(wèi)星影像很難當(dāng)年下載應(yīng)用于造林面積驗(yàn)收；差分GPS繞測(cè)驗(yàn)收時(shí)效強(qiáng)、面積準(zhǔn)，但大面積山地GPS繞測(cè)相當(dāng)困難；當(dāng)前南方造林面積驗(yàn)收常規(guī)采用實(shí)地對(duì)坡勾繪調(diào)查法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，勞動(dòng)強(qiáng)度大，專(zhuān)業(yè)但不直觀，急需探索一種更高效、更直觀的檢查驗(yàn)收方法。無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)以獲取高分辨率數(shù)字影像為應(yīng)用目標(biāo)，以無(wú)人駕駛飛機(jī)為飛行平臺(tái)，以高分辨率數(shù)碼相機(jī)為傳感器，通過(guò)3S技術(shù)在系統(tǒng)中集成應(yīng)用，最終獲取小面積、真彩色、大比例尺、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的航測(cè)遙感數(shù)據(jù)[1]。無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量作為地形圖與衛(wèi)星遙感攝影不可缺少的補(bǔ)充，主要有精度高、成本相對(duì)較低、操作簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性、靈活性和安全性等優(yōu)點(diǎn)，能減少外業(yè)工作時(shí)間、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，專(zhuān)業(yè)且直觀[2-4]，目前已逐漸成為林業(yè)調(diào)查單位必備輔助調(diào)查工具，可以作為提高國(guó)家儲(chǔ)備林基地建設(shè)項(xiàng)目檢查驗(yàn)收效率和準(zhǔn)確度的一個(gè)有效手段。

本文根據(jù)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的正射影像成果，結(jié)合廣西國(guó)家儲(chǔ)備林基地建設(shè)項(xiàng)目檢查驗(yàn)收的具體要求，對(duì)比典型對(duì)坡勾繪成果和使用無(wú)人機(jī)數(shù)字測(cè)繪成果在林地小班面積和位置上的誤差，分析無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)在儲(chǔ)備林基地建設(shè)面積驗(yàn)收和準(zhǔn)確定位應(yīng)用上的可行性和有效性。

1 廣西國(guó)家儲(chǔ)備林基地建設(shè)和試驗(yàn)區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)國(guó)家儲(chǔ)備林基地建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)規(guī)模為186.67萬(wàn)hm2，其中利用國(guó)家開(kāi)發(fā)銀行貸款建設(shè)140萬(wàn)hm2。廣西壯族自治區(qū)國(guó)家儲(chǔ)備林項(xiàng)目分2期實(shí)施，項(xiàng)目一期由區(qū)直國(guó)有林場(chǎng)和廣西林業(yè)集團(tuán)實(shí)施，規(guī)模50萬(wàn)hm2；項(xiàng)目二期建設(shè)規(guī)模80萬(wàn)hm2左右(調(diào)整后)，擴(kuò)展到全區(qū)14個(gè)市72個(gè)縣(市、區(qū))實(shí)施。2017年8—11月，廣西林業(yè)廳和林業(yè)集團(tuán)組織開(kāi)展國(guó)家開(kāi)發(fā)銀行貸款廣西國(guó)家儲(chǔ)備林基地建設(shè)項(xiàng)目(一期)13.33萬(wàn)hm2核查工作。廣西桂江林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司作為項(xiàng)目(一期)核查技術(shù)單位，為檢測(cè)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的面積測(cè)量精度和邊界定位情況，在高峰、七坡、良鳳江、東門(mén)、三門(mén)江、維都、黃冕、博白等廣西區(qū)直國(guó)有林場(chǎng)國(guó)儲(chǔ)林基地建設(shè)項(xiàng)目(一期)造林基地中選擇地形明顯、最容易勾繪的8個(gè)造林小班進(jìn)行地形圖勾繪和無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量，作為本文無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量精度檢驗(yàn)試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)總面積78.78 hm2，可能影響航測(cè)的相關(guān)地理因子情況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)小班可能影響航測(cè)的相關(guān)地理因子

2 儀器設(shè)備及參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)儀器為DJI大疆精靈Phantom 4 RTK多旋翼航拍無(wú)人機(jī)，其采用模塊化設(shè)計(jì)，有4個(gè)可拆卸機(jī)翼，方便攜帶和運(yùn)輸，機(jī)身28.95 cm×28.95 cm×19.6 cm，最大上升速度6 m/s，最大水平飛行速度72 km/h，續(xù)航時(shí)間30 min。飛機(jī)操控系統(tǒng)集成于飛行器機(jī)身內(nèi)，一體式云臺(tái)位于機(jī)身下部，用戶可通過(guò)無(wú)人機(jī)遙控器控制云臺(tái)及相機(jī)，可通過(guò)遙控器屏幕實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行畫(huà)面。相機(jī)能拍攝像素2000萬(wàn)靜態(tài)照片及最高60幀4K視頻?？赏ㄟ^(guò)DJI GS Pro軟件事先規(guī)劃的路線自主完成測(cè)繪，易于操控，通過(guò)簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)了解就能輕易完成。其可捕獲25～100 cm地面分辨率的相片(150 m高的時(shí)候大約為25 cm，500 m高時(shí)約為80 cm)。

3 試驗(yàn)方法

3.1 國(guó)家儲(chǔ)備林基地建設(shè)項(xiàng)目檢查驗(yàn)收的基本要求

廣西國(guó)家儲(chǔ)備林基地建設(shè)項(xiàng)目的檢查驗(yàn)收?qǐng)?zhí)行《全國(guó)木材戰(zhàn)略儲(chǔ)備生產(chǎn)基地建設(shè)檢查驗(yàn)收辦法(試行)》，該辦法對(duì)造林面積檢查要求：利用施工作業(yè)設(shè)計(jì)圖，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)，或用GPS測(cè)量。在核對(duì)實(shí)施單位自檢小班邊界的基礎(chǔ)上，重新計(jì)算小班面積。確定小班面積的原則：(1)-5%≤誤差率≤5%，以報(bào)告面積為準(zhǔn)；(2)誤差率>5%，以檢查結(jié)果為準(zhǔn)。

為滿足上述要求，無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于國(guó)家儲(chǔ)備林基地建設(shè)項(xiàng)目檢查驗(yàn)收，需要滿足條件：(1)航測(cè)任務(wù)支持施工作業(yè)設(shè)計(jì)矢量數(shù)據(jù)(shp)導(dǎo)入，便于有針對(duì)性設(shè)置航測(cè)范圍；(2)根據(jù)正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界測(cè)量精度達(dá)97.47%以上；(3)根據(jù)正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行面積測(cè)量精度達(dá)到95%以上。

3.2 試驗(yàn)方法與技術(shù)路線

在試驗(yàn)區(qū)中選擇具有明顯地形界線、易于勾繪的試驗(yàn)小班，利用地形圖到現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確地對(duì)坡勾繪小班邊界，將所得邊界、面積作為真值，利用無(wú)人機(jī)低空攝影獲取檢測(cè)小班遙感數(shù)據(jù)(航片)，采用Pix4Dmapper拼接軟件，通過(guò)構(gòu)建密集點(diǎn)云、網(wǎng)格、紋理、DEM、正射鑲嵌等步驟，導(dǎo)出正射影像圖(DOM)到ArcGIS疊加地形圖勾繪的矢量界線對(duì)照邊界，檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)低空攝影邊界位置、面積測(cè)量精度。主要技術(shù)流程如圖1。

圖1 技術(shù)路線

3.3 地形圖勾繪

在廣西區(qū)直國(guó)有林場(chǎng)國(guó)儲(chǔ)林基地建設(shè)項(xiàng)目(一期)造林基地中選擇具有明顯地形界線、容易勾繪的試驗(yàn)小班，利用地形圖到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)坡勾繪小班邊界，將所得邊界、面積作為真值，檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)低空攝影的邊界位置、面積測(cè)量精度。

3.4 無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量小班邊界

在無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量軟件的支持下，將檢測(cè)小班地形圖勾繪的邊界導(dǎo)入到無(wú)人機(jī)地面站平臺(tái)，在地面站平臺(tái)上對(duì)測(cè)量區(qū)的航線和攝影測(cè)量進(jìn)行設(shè)計(jì)(圖2)，到檢測(cè)小班實(shí)地放飛無(wú)人機(jī)按設(shè)計(jì)航線進(jìn)行攝影。航線設(shè)置時(shí)，主要采用地面站的攝影測(cè)量工具對(duì)航高、航向重疊、旁向重疊等進(jìn)行設(shè)置，以滿足航空攝影測(cè)量的基本需求[5]。飛行高度視起飛點(diǎn)到測(cè)區(qū)內(nèi)最高海拔的相對(duì)高度設(shè)計(jì)，保險(xiǎn)起見(jiàn)，飛行高度要大于相對(duì)高度150 m。重疊度設(shè)計(jì)方面，有資料分析：低空無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性易受氣流影響，為保證航測(cè)影像不出現(xiàn)漏洞，應(yīng)加大航向和旁向重疊度[6]。本次設(shè)計(jì)的航向重疊度為80%，旁向重疊度≥60%。

圖2 航線設(shè)置

將無(wú)人機(jī)低空拍攝的相片導(dǎo)入拼圖軟件Pix4D，按制作正射影像的工作流程進(jìn)行一系列操作，得到正射影像成果，利用高精分辨率正射影像成果在ArcGIS平臺(tái)根據(jù)測(cè)區(qū)小班造林地影像區(qū)別于周邊林地勾繪檢測(cè)小班，得到無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量繪制的檢驗(yàn)小班界線成果(圖3)。

左：真正射影像概略；右上：真正射影像細(xì)節(jié)；右下：細(xì)節(jié)部位勾繪圖成果

圖3 無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量應(yīng)用實(shí)例測(cè)繪成果

Fig.3 Surveying and mapping results of UAV low-altitude photogrammetry application example

3.5 精度評(píng)價(jià)方法

1)小班中心絕對(duì)位移

如圖4所示，設(shè)S和S’分別為小班空間位置地形圖對(duì)坡勾繪基準(zhǔn)圖與無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量真正射影像圖勾繪小班空間位置圖，其中心位置坐標(biāo)分別為(x1,y1)和(x2,y2)。則可定義S′的中心位置位移距離的絕對(duì)值為[7]：

(1)

圖4 小班移位

2)面積測(cè)量精度

設(shè)A和A′分別為小班空間位置基準(zhǔn)勾繪面積和無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量正射影像勾繪小班空間位置圖面積，小班面積測(cè)量精度可定義為：

(2)

4 結(jié)果與分析

本文無(wú)人機(jī)低空攝影面積測(cè)量共檢測(cè)了8個(gè)小班，被檢測(cè)小班邊界地形界線明顯，在地形圖上能夠準(zhǔn)確對(duì)坡勾繪。將地形圖上對(duì)坡勾繪所得結(jié)果及無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量結(jié)果正射影像圖通過(guò)GIS軟件進(jìn)行分析處理，結(jié)果如表2所示，表中以勾繪面積為真值，真值最小為0.96 hm2，最大為16.86 hm2。

根據(jù)表1和表2可得：(1)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量小班的邊界總體中心絕對(duì)位移較小，最大的中心絕對(duì)位移僅0.82 m，如果不是精確比較測(cè)試，以無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量成果真正射影像圖勾繪出的小班邊界結(jié)果直接作驗(yàn)收?qǐng)D的小班邊界線，不必移位操作；(2)無(wú)人機(jī)低空航測(cè)的8個(gè)小班面積測(cè)量的精度均達(dá)97%以上，通過(guò)無(wú)人機(jī)低空航測(cè)成果正射影像圖測(cè)繪小班面積的精度有一定的規(guī)律性，小班面積越大，相對(duì)精度就越高；(3)選用機(jī)型DJI大疆精靈4RTK在丘陵山地不同海拔、坡位、坡向、25°坡度以下進(jìn)行航測(cè)，小班面積測(cè)量精度均達(dá)到造林面積驗(yàn)收精度要求。

表2 無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量國(guó)儲(chǔ)林造林驗(yàn)收小班精度分析

5 結(jié)論

1)無(wú)人機(jī)航測(cè)具有越低飛行作業(yè)，航測(cè)影像成果分辨率越高的特點(diǎn)，但出于山地復(fù)雜和飛行安全考慮，航線設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)檢測(cè)小班起飛點(diǎn)到小班最高海拔的相對(duì)高度設(shè)計(jì)飛行高度，飛行高度要大于相對(duì)高度150 m,設(shè)計(jì)的航向重疊度≥80%，旁向重疊度≥60%。

2)基于本次試驗(yàn)結(jié)果和分析，面積測(cè)量和定位采用無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量能夠滿足檢查驗(yàn)收精度的要求，具有可操作性和可行性。

3)無(wú)人機(jī)影像分辨率達(dá)到了肉眼近地觀測(cè)精度，可以替代人工實(shí)地對(duì)坡勾繪調(diào)查，在保證調(diào)查準(zhǔn)確性和地類(lèi)識(shí)別精度的同時(shí)，能減輕調(diào)查人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4)無(wú)人機(jī)航攝機(jī)動(dòng)靈活、時(shí)效性高，用于國(guó)儲(chǔ)林營(yíng)造林自檢驗(yàn)收、核查，滿足調(diào)查技術(shù)要求的同時(shí)又能減少外業(yè)時(shí)間，具備很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>