无人机在林业调查中的应用

徐泽鸿二〇一五年十月无人机在森林资源调查中的应用应用技术一迫切性二主要内容三四主要问题和几点建议无人机系统一、迫切性森林资源管理迫切需要更精准的数据支撑1林业调查队伍迫切需要提高装备水平2无人机应用迫切需要规范工作流程31森林资源管理迫切需要更精准的数据支撑林业调查周期要求更短，数据要求更精细。无人机遥感系统具有机动、快速、分辨率高、适用范围广等优点，适合林业调查的工作要求，能增强林业调查工作能力。2林业调查队伍迫切需要提高装备水平现地调查工作量大，爬山涉水困难多、强度高。无人机应用能够减少外业工作时间、降低劳动强度，提高工作效率。3无人机应用迫切需要规范工作流程无人机林业初步应用缺乏流程化、规范化，没有形成规模化的应用成果和体系。需要林业主管部门总结经验，建立标准规范，加强体系建设、队伍建设。无人机任务数据管理系统无人机载荷系统飞行器数据处理与分析系统无人机综合场验证系统成果报告无人机调查业务流程应用技术一迫切性二主要内容三四主要问题和几点建议无人机系统二、无人机系统航空遥感又称机载遥感，是指利用各种飞机、飞艇、气球等作为传感器运载工具在空中进行的遥感技术，是一种多功能综合性探测技术。二、无人机系统作业高度：高空（10000米-20000米）；中空（5000米-10000米）；低空（5000米）。二、无人机系统航空立体成像飞机携带相机沿飞行线（或条带）获取垂直航空像片。由于实际应用中多选用航空像片的立体像对。因而成功的飞行，航向重叠应为55%-65%，至少50%，一般为60%，旁向重叠大致30%。二、无人机系统传感器和平台：航空遥感所用的传感器多为航空摄影机、航空多谱段扫描仪和航空侧视雷达等；飞机是航空遥感的主要平台。二、无人机系统遥感方式：遥感方式除传统的航空摄影外，还有多波段摄影、彩色红外和红外摄影、多波段扫描和红外扫描、侧视雷达等成像遥感；也可进行激光测高、微波探测、地物波谱测试等非成像遥感。二、无人机系统1无人机及载荷选择种类续航飞行高度起降要求灵活性天气环境影响固定翼OO多旋翼OOO种类飞手技术作业面积照片清晰度便携程度固定翼O多旋翼OOOVS固定翼和多旋翼无人机主要指标对照1无人机及载荷组成飞机、POS、图像显示、云台、飞机遥控器、云台遥控器飞机控制系统激光雷达传感器专业相机多光谱传感器2不同调查任务的无人机选型航拍观测比较因子航拍观测测量机型8旋翼专业无人机4旋翼小型无人机8旋翼专业无人机主要载荷佳能5D3数码摄像头激光雷达载荷参数24mm定焦数码变焦云台5D3云台集成云台激光雷达专用云台电池16000毫安4420毫安22000毫安起飞重量10千克1280克15千克遥控距离5公里2公里5公里续航时间13分钟23分钟13分钟测量关键技术：•海量数据存储、管理和分发技术；•辐射纠正技术，包括系统辐射校正、大气校正、频率补偿、噪声消除等；•基本几何校正，纠正飞机和传感器以及外部因素引起的几何变形；•几何精校正，利用地面控制点进行精确的，使图像数据与地面地理坐标系精确关联；•进行图像增强，拼接，融合包括反差调整和邻域增强等；•森林主要调查因子反演技术。应用技术一迫切性二主要内容三四主要问题和几点建议无人机系统三、应用技术（一）无人机航拍（二）无人机实时现地观测（三）无人机专项调查（四）无人机林业应用展望（五）无人机试用总结1飞行方案研究航高（m）50100200300400500实地长（m）75150300450600750实地宽（m）50100200300400500成果分辨率(cm)1.52.65.27.810.413通过对不同航高所拍摄的照片与进行实地测量结果进行计算，得出分辨率与航高的关系如下表：（1）多旋翼无人机与相机性能测试1飞行方案研究（1）多旋翼无人机与相机性能测试测试了八旋翼无人机的空载和搭载相机两种情况下的续航时间，最终将安全飞行时间定在13分钟内，安全飞行电压定在21V。23.823.423.122.922.722.622.522.422.12221.921.821.721.621.421.421.321.221.12120.920.820.419.718.615.313.523.72322.522.422.322.32221.721.821.621.521.521.321.221.120.920.820.620.520.319.905101520250分1秒1分1秒2分1秒3分1秒4分1秒5分1秒6分1秒7分1秒8分1秒9分1秒10分1秒11分1秒12分1秒13分1秒14分1秒15分1秒16分1秒17分1秒18分1秒电池电压飞行时间（秒）无人机续航时间测试无相机飞行有相机飞行1飞行方案研究为达到最大限度飞行时间，对相同机型，选用16000毫安电池，进行3米/秒、4米/秒、5米/秒的上升速度测试，测试结果得到航高与最优上升速度关系：航高上升速度小于50米5米/秒50米-120米3米/秒120米-150米4米/秒150米5米/秒（1）多旋翼无人机与相机性能测试1飞行方案研究（1）多旋翼无人机与相机性能测试河北涉县实验飞行方案及结果：航高500米，航速12米/秒，一个架次飞行距离约5公里。两架次总航时约30分钟。1飞行方案研究（2）不同地形地貌起降点和航线规划设计样地类型机型选择飞行航高(米)飞行航速(米/秒)飞行架次飞行时间(分钟)影像分辨率届中样地航拍机500122-41313cm观测机不使用一类调查航拍机10041103cm观测机30-3000-12120二类调查航拍机2005-121106cm观测机30-3000-12120三类调查航拍机10041103cm观测机30-3000-12120几何纠正靶标板2CCD相机几何标定数码照片畸变示意图畸变矫正结果几何标定2CCD相机几何标定原始影像相机标定后的影像3影像地面定标在航摄区域布设0.3m×0.3m规格的白板靶标作为控制点，用差分GPS获取控制点的精确坐标值。在影像拼接时导入实际控制点坐标，用于影像拼接及校准。4影像数据处理（1）影像拼接获取影像数据航向重叠率大于70%，旁向重叠率大于30%。以像素点邻域为模板，通过跟踪相似度极值建立匹配信息并实现像素的拼接。承德371样地拼接结果（约200张照片）4影像数据处理（2）影像相对几何纠正以高分辨率资源三号数据为参考，对拼接后的无人机航片进行相对几何校正，采集30个左右特征点作为控制点，相对校正误差0.4米4影像数据处理（3）3D电子沙盘二、在森林资源监测中的试用情况（一）无人机航拍（二）无人机实时现地观测（三）无人机专项调查（四）无人机林业应用展望（五）无人机试用总结（三）无人机实时现地观测（三）无人机实时现地观测采用观测无人机能够飞越面前的山头，观测另一侧山坡资源三号卫星影像无人机实施现地观测视频截图（三）无人机实时现地观测无人机飞过山坡后掉头向后监视阴坡资源三号卫星影像无人机实施现地观测视频截图（三）无人机实时现地观测无人机飞过山坡后悬停，向正下方监视坡底资源三号卫星影像无人机实施现地观测视频截图二、在森林资源监测中的试用情况（一）无人机航拍（二）无人机实时现地观测（三）无人机专项调查（四）无人机林业应用展望（五）无人机试用总结（四）无人机专项调查在昌平、顺义、延庆、塞罕坝林场、河北涉县等地进行了十多次飞行试验验证：1森林资源调查灌木林地与非林地属性判别需调整（1）全国森林资源年度出数非林地灌木林地1森林资源调查乔木林与非林地区划边界需调整（1）全国森林资源年度出数1森林资源调查同一区域的过度地类判读差别对比精确判读过渡地类，提高判读精度灌木林地非林地（1）全国森林资源年度出数1森林资源调查（2）一类清查外业调查人员用差分GPS确认一类样地，使用感光效果良好的白板作为定位点。根据影像上白板定位点，确定样地范围，利用无人机遥感的时效性强、精度高的特点，判断非乔木林地样地的地类及地类面积。1森林资源调查（3）二类调查无人机航摄影像地类边界清晰，既可以改善资源三号卫星影像区划和判读的成果精度，又能提高二类控制抽样调查中的非乔木林地样地调查的精度。2林业行政执法（1）盗伐滥伐林木案件利用无人机快速响应的能力，当接到盗伐滥伐林木案件后，执法人员携带小型无人机迅速赶到现场附近，对盗伐滥伐林木进行航拍，精确获取盗伐滥伐的面积、株数，加强对非法采伐的监控。2林业行政执法（2）违法征占林地、毁林开荒等案件无人机可以及时采集监测信息，快速成图并发到执法监督机构，林业执法部门通过高清遥感影像，分析出森林遭破坏的地点和程度，以便及时对征占林地、毁林开荒等毁林行为进行纠正和处罚。3营造林核查利用无人机拍摄的正射影像可以计算造林的面积、株数，通过统计死亡株数和总株数得出成活率、保存率。通过正射影像能定位需要补植的植株位置。2014年3月北京十三陵水库南岸新造林4林地征占和林木采伐无人机能够高效获取林地变化区域的影像数据5枯死木调查北京十三陵柏树林航摄影像（2014年6月）病死树木6其它专项调查对变色树、异常林进行精确定位，采集有效的影像资料，辅助判断森林健康等级。清晰判别病虫害情况，获取森林病虫害面积、程度。（1）森林健康状况调查（2）灾害调查获取受自然灾害影响的森林面积和损毁程度。监测火情状况6其它专项调查灾后区划受灾区域，统计受灾面积（3）湿地和荒漠化沙化土地调查6其它专项调查快速获取湿地区域和荒漠化沙化区域高清影像数据，对各种湿地类型、荒漠化沙化类型进行准确识别并精确计算面积，同时节约人工成本。二、在森林资源监测中的试用情况（一）无人机航拍（二）无人机实时现地观测（三）无人机专项调查（四）无人机林业应用展望（五）无人机试用总结1基于光谱分析的植被类型和树种识别（五）无人机林业应用展望获取不同地类光谱曲线，建立树种光谱数据库提高识别精度。7.2m2三维建模森林蓄积估算（五）无人机林业应用展望样地原始数据单木分割效果单木分割2三维建模森林蓄积估算播放（五）无人机林业应用展望2、一类固定样地—2071号一类样地激光雷达数据分析播放（五）无人机林业应用展望冠层高度地面海拔（1）三维建模森林蓄积估算松类各高度级胸径拟合曲线图松类树高一元材积表二、试用情况（一）无人机设备选型（二）无人机航拍（三）无人机实时现地观测（四）无人机专项调查（五）无人机林业应用展望（六）无人机试用总结（六）无人机试用总结（1）无人机影像分辨率达到了肉眼近地观测精度，可以部分替代人工现地调查，在保证调查准确性和地类识别精度的同时，能减轻调查人员的劳动强度。（2）无人机可以实时获取森林资源高清航拍数据，基本具备承担届中样地调查任务的能力，能够辅助森林资源年度出数、一类清查和二类调查工作，提高调查效率和质量。（3）无人机航摄机动灵活、时效性高，用于营造林核查、荒漠化监察、林业执法、灾害评估等方面，满足调查技术要求的同时又能够减少外业时间，具备很大的发展潜力。应用技术一迫切性二主要内容三四主要问题和几点建议无人机系统1续航能力受电池重量和蓄电能力的限制，目前大部分多旋翼无人机续航时间小于30分钟，只适用于小范围的数据采集和核查。多旋翼无人机小于5KM2固定翼翼无人机小于数十KM2有人机小于数百KM2卫星全国、全球2航空管制多旋翼无人机飞行高度一般在100米-500米之间低空领域，根据《通用航空飞行管制条例》等规定，需向飞行管制部门申请划设临时飞行空域。在拟使用临时飞行空域前7个工作日向空管部门提出申请，飞行前一天向当地空管指挥中心报备次日飞行计划。执行飞行任务过程中，起降后均要向当地空管指挥中心通告，以避免与其它航空器同时在同一空域内飞行。3缺乏无人机林业应用专业队伍无人机应用专业性较强，技术要求高，流程复杂，需要林业、遥感、计算机、测绘、无人机操控等多种知识和技能的专业团队。目前专业队伍建设相对滞后，缺少具备相关资质的技术人员。4无人机及载荷价格较高无人机及载荷价格和应用成本相对较高。一套满足林业航拍要求的无人机设备约7万元，随着技术发展其应用成本将会有所降低，但短期内