楚景月，張云程

(1.喀左縣林業(yè)和草原局，遼寧 喀左 122300；2.喀左縣林業(yè)種苗管理站，遼寧 喀左 122300)

1 研究總體思路

研究成果利用無人機傾斜攝影技術(shù)，制作出可見光正射影像(DOM)和高程柵格數(shù)據(jù)(DEM)，通過建立分類模型對兩類影像數(shù)據(jù)解析獲取種質(zhì)樹相關(guān)信息。研究涉及無人機航攝技術(shù)、地理信息采集技術(shù)(RTK應(yīng)用技術(shù))、航攝影像制作技術(shù)、正射影像分類識別技術(shù)、高程柵格數(shù)據(jù)處理技術(shù)、相關(guān)模型建立等。該項技術(shù)的研制成功，徹底解決了高端林業(yè)項目實施中可能遇到一系列難題，讓種質(zhì)資源精準定位、提高調(diào)查效率和科研成果可靠性、歷史數(shù)據(jù)的回溯與追蹤、縮減科研周期、推行動態(tài)監(jiān)測以及維護科研檔案安全等成為可能，進而為全面發(fā)展數(shù)字林業(yè)鋪平道路。

2 技術(shù)方案與創(chuàng)新成果

本著精度高、易操作、低成本的原則，進行相關(guān)設(shè)備確型、參數(shù)確定、模型建立和固定工藝流程諸方面研究，以滿足山杏樹體因子提取之要求。

在歷時4年的時間里，主要完成了3方面研究的目標任務(wù)。即無人機航攝高精度成圖，包括控制點的布局與獲取、無人機航攝、Pix4D航測成圖關(guān)鍵技術(shù)；地圖矢量化方面包括種子資源庫點、線面目標的繪制；種質(zhì)資源信息獲取研究方面包括種質(zhì)樹高信息獲取、建立種質(zhì)樹葉花的RGB顏色模型、種質(zhì)樹樹冠投影面積信息獲取、山杏開花的物候期觀測。在技術(shù)開發(fā)、推廣及產(chǎn)業(yè)化過程中，攻克了種質(zhì)樹郁閉后樹冠分割技術(shù)，解決了用低端無人機實現(xiàn)高精度制圖的關(guān)鍵技術(shù)，提出了樹木生長空間概念。

(1)通過控制點的布局與獲取、無人機航攝、Pix4D航測成圖關(guān)鍵技術(shù)研究，根據(jù)大疆精靈3A和大疆御2Pro 這2個型號無人機的特點，探索出基于最優(yōu)航線布設(shè)方法、控制點布局與獲取方式、無人機飛行方式及航攝方式，總結(jié)出Pix4D航測成圖關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)建了無人機種質(zhì)資源信息獲取的參數(shù)確定和工藝流程。

(2)制作出了山杏種質(zhì)資源庫矢量化地圖。亦即，基于控制點、正射影像、高程影像繪制種質(zhì)園邊界、各分區(qū)界、分組界等面目標，繪制作業(yè)道、供水管線、供電線等線目標，標定種質(zhì)樹、標樁、水罐、水栓等點目標。

(3)構(gòu)架山杏種質(zhì)樹數(shù)據(jù)庫。山杏點層(SXD.shp)為地理幾何數(shù)據(jù)層，在山杏點層(SXD.shp)屬性表中建立要素屬性信息(關(guān)系數(shù)據(jù)庫)，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)分隸屬關(guān)系、空間關(guān)系、種質(zhì)樹屬性因子和種質(zhì)樹表現(xiàn)因子4個方面。隸屬關(guān)系包括功能區(qū)、組、小區(qū)、樹號，并由此組成種質(zhì)樹身份編碼；空間關(guān)系因子，種質(zhì)樹位置的空間坐標包括經(jīng)度、緯度、種質(zhì)樹根部高程，生長空間面積；種質(zhì)樹屬性因子包括種質(zhì)樹名稱、譜系號、種質(zhì)來源、繁殖方式、栽植年份、栽植方式、砧木等。種質(zhì)樹表現(xiàn)因子包括：樹體因子、枝、葉調(diào)查因子、花器官調(diào)查因子、果、核、仁調(diào)查因子、產(chǎn)核量調(diào)查因子、物候期觀測因子。由連接種質(zhì)資源位置兩鄰點直線的垂直平分線組成的連續(xù)多邊形組成得到樹木生長空間矢量圖層，即山杏面層(SXM.shp)。

(4)建立了山杏種質(zhì)樹葉、花RGB色彩模型。通過計算種質(zhì)樹葉生長期正射影像(DOM)的R、G、B這3個波段值與種質(zhì)樹葉的RGB顏色模型預(yù)測值的差平方和置信區(qū)間，提取出葉、花特征。

(5)實現(xiàn)了快速批量獲取樹木位置、樹高、樹冠投影面積等樹體因子，大幅提高了工作效率和精準度，圓滿完成了各項研究目標任務(wù)。

(6)編制省級地方技術(shù)標準1項，即《山杏種質(zhì)資源調(diào)查及評價技術(shù)規(guī)程》(DB 21/T 2462—2015)。

3 與國內(nèi)外同類研究的比較

研究始于2016年，在歷時4年時間里“無人機航測在山杏種質(zhì)信息采集中的應(yīng)用與研究”項目取得系列重要進展。楊坤等[1]采用Pix4D軟件對無人機采集的高分辨率影像進行處理，利用大類間方差法將三維點云分割為樹木點云及樹下地面點云兩部分，由此提取樹木頂端高度到地面平均高度得到樹高。此方法克服了數(shù)字表面模型將會導(dǎo)致樹木部分細節(jié)丟失造成的誤差和采用單株樹木立體像對提取樹高導(dǎo)致的人為誤差，但必須是在水平林地上，局限性明顯較大。劉見禮等[2]設(shè)計了一種基于無人機影像點云和“單木樹冠結(jié)構(gòu)分析”的單木識別算法。該算法通過對識別的單木樹冠的垂直結(jié)構(gòu)的分析，剔除掉偽單木，從而提高單木識別的準確率。利用數(shù)學形態(tài)學方法，提出了一種基于無人機正射影像(DOM)和數(shù)字表面模型(DSM)數(shù)據(jù)的單木識別算法。該算法綜合運用DOM和DSM的光譜和幾何信息進行單木樹冠區(qū)域的提取，針對密集林區(qū)單木樹冠交錯重疊的問題，實現(xiàn)樹冠相連單木的分離與識別。但實際應(yīng)用時識別率依然不高。劉清旺等[3]在憑借無人機激光雷達與攝影測量能夠獲取豐富的森林空間結(jié)構(gòu)和類型信息。但存在問題是時有單木錯識別的現(xiàn)象出現(xiàn)。

在國外，雖說目前亦有關(guān)于無人機技術(shù)應(yīng)用的研究報道，但大部分研究都是把精力置于解決樹木位置和地面基準問題上面，為達成目標，有的要規(guī)避地形，有的規(guī)避樹種，有的采用反演，技術(shù)復(fù)雜多樣，但普適性和精度都不很高。

通過對同一區(qū)域、同一地形、同一種質(zhì)樹木的信息在不同時期進行重復(fù)獲取，故信息更精準、誤差更小、操作更易，可復(fù)制、可推廣性更強，具有可行性和必要性[4]。

4 經(jīng)濟和社會效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

“無人機航測在山杏種質(zhì)信息采集中的應(yīng)用與研究”成果，讓實現(xiàn)精準無誤變得不再困難。粗略估算，采用本法能讓這種投資上千萬的項目每年至少可節(jié)省研究經(jīng)費100萬元，4年共400萬元。在信息采集方面，沈陽農(nóng)業(yè)大學派人(研究生)抽樣調(diào)查山杏種質(zhì)樹的樹高冠幅時，需要2人為1組，調(diào)查1株種質(zhì)樹平均用時約5 min，1天(8 h)只能調(diào)查96株樹。共5組調(diào)查5天，調(diào)查種質(zhì)樹2400株，數(shù)據(jù)采集效率為6株/人·h。而改用本項技術(shù)采集山杏種質(zhì)資源庫88000株種質(zhì)樹的樹高和冠幅信息(全部調(diào)查)僅需要1人4天即可完成，數(shù)據(jù)采集效率為2750株/人·h，是人工采集效率的458倍，每年可節(jié)省調(diào)查采集費用54萬元，4年共216萬元。

另外，快速選育出的林木新品種并加以推廣，它帶來的直接經(jīng)濟效益是非常巨大的，有的甚至能改變區(qū)域現(xiàn)狀。在本項研究中，因管理能力和管理水平真正實現(xiàn)了現(xiàn)代化，在不太長的時間里，即已成功選育出具有豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)特性的“山杏1號”，迄今已在本地區(qū)推廣141.3 hm2，平均每畝年增收600余元，每年約可增加收入127萬元，4年共508萬元。

上述3項合計，應(yīng)用本項目每年可節(jié)本增效281萬元，4年共獲經(jīng)濟效益1124萬元。

4.2 社會效益

對廣大林農(nóng)來說，新品種、新技術(shù)就是致富法寶，以“山杏1號”推廣為例，平均每667 m2每年可增收600余元，廣大林農(nóng)在獲得經(jīng)濟收益的同時，對維護社會穩(wěn)定、提升民眾對林業(yè)產(chǎn)業(yè)的重視程度、促進和諧社會發(fā)展建設(shè)，皆有重要的附加社會效益。