基于无人机遥感的森林参数信息提取研究进展

基于无人机遥感的森林参数信息提取研究进展
李喜庆
(三和数码测绘地理信息技术有限公司,甘肃天水741000)
[摘㊀要]㊀当今时代,无人机遥感技术凭借其灵巧轻盈㊁随时可用㊁代价小等诸多优点而在很大程度上和很多领域逐渐替代了卫星和人机且日益成为森林信息监测和提取领域的新宠㊂基于对森林参数信息提取方面的分析研究,先介绍无人机提取森林参数信息的优点所在并简要阐述无人机遥感系;接着分析研究利用无人机遥感对森林的冠的大小㊁树的高低㊁生物数量以及储备数量等这些参数信息的提取的现状和进展;同时,提出并分析无人机遥感在提取森林参数信息领域上存在的不足和挑战,进而对今后利用无人机遥感来提取森林参数信息提出自己的希望和期待㊂
[关键词]㊀无人机遥感;森林参数;信息提取
中图分类号:S758.5;S771.8㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:1009-3303(2023)02-0177-03 Research Progress of Forest Parameter Information
Extraction Based on UAV Remote Sensing
Li Xiqing
(Sanhe Digital Surveying and Mapping Geographic Information Technology Co.,Ltd.,Tianshui741000,Gansu,China) Abstract:In today's era,UAV remote sensing technology has gradually replaced satellites and human-machines to a large extent and many fields due to its many advantages such as dexterity,lightness,ready availability,and low cost,and has increasingly become a new favorite in the field of forest information monitoring and extraction..Based on the analysis and research on the extraction of forest parameter information,this paper first introduces the advantages of extracting forest parameter information by UAV and briefly describes the UAV remote sensing system;The current situation and progress of the extraction of parameter information such as height,biological quantity and reserve quantity;at the same time,the deficiencies and challenges existing in the extraction of forest parameter information by UAV remote sensing are proposed and analyzed,and then the use of UAV remote sensing to extract forest parameter information in the future is proposed and analyzed.Extract forest parameter information and put forward your own hopes and expectations. Key words:UAV remote sensing;forest parameters;information extraction
森林资源信息勘察从以往的依靠纯人工手段进行地点勘测发展成为利用航空航天等多种技术手段开展调查是遥感技术手段不断进步和现代林业要求标准大大提高的结果㊂现如今,遥感数据空间的分辨率已经从千米级时代逐步突破到厘米级时代,波段信息从单波段逐渐发展成为了多光谱,数据结构从二维的平面照片升级为三维的立体点云模型㊂因此,当今时代,近地面遥感技术领域方面的诸多突破,为提取森林参数信息提供了便利条件,同时森林参数信息的提取也面临着更多的前所未有的挑战㊂作为一种新兴的数据提取方式方法,无人机遥感,在解决传统地面人工测算精度不够问题的同时也能解决航空航天等精细手段测量高成本高代价的问题,把勘测点上获取的信息的范围更精准地升级到区域范围,为森林资源勘测提供便利精准的信息,同时,还可配置多种不同性能的传感器以抓取即时匹配到的多个源头的数据信息,完全可以将无人机遥感技术称之为适用于森林参数信息提取领域的 经济实用型 选手㊂
现如今,无人机遥感为不同精准度需求下的森林参数信息提取㊁森林资源勘察㊁监控和谋划提供了有效且便利的手段和方法㊂
(1)类型多样
当今,林业应用领域普遍适用的无人机类型有多旋翼式㊁固定翼式和直升机式等㊂而,多旋翼式机型因其灵活度高㊁在森林中穿梭飞行受到的限制少而适用于小区域范围内精确细致尺度的森林资源信息提取;固定翼机型因其结构㊁行驶速度较快㊁只能在特定场景下飞起和降落而合适用于大区域范围内森林信息参数的提取㊂
(2)数据源多样
无人机配置的多种不同性能指标的传感器设
备可以较好地完成更高空间领域㊁更高时间效率㊁高光谱遥感影像数据资料㊁热红外遥感信息以及更高密度下激光雷达点云数据的抓取㊂有效的改善了卫星和航天领域高分辨率影像和传感器设备价格高昂㊁无法使用不好的天气状况㊁循环周期长㊁即时更新困难等诸多不足,为提取森林参数信息提供了高精度的保障㊂
(3)数据处理手段迅猛崛起LiMapper㊁Pix4DMapper㊁LiDAR360㊁PixelGrid,以及PhotoScan就是代表㊂这些技术软件在分析处理分析数据方面能够做到操作简易㊁处理智能㊁分析专业,能够高效㊁智能地支撑无人机应用于森林参数信息提取中㊂
1㊀无人机遥感发展
是无人驾驶航空器的缩减叫法,其和遥控感知载荷㊁信息链接以及地面控制站共同构成了无人机遥感体系㊂最早无人机遥感体系是用在军事应用领域的,随着发展的进行,逐渐被大范围地使用在农业生产管理领域㊁资源勘查以及环境检测等诸多民用生产范畴㊂随着无人机技术的发展,各种类型的无人机数量增加,使用无人机进行外部研究的人增加了㊂无人机和其能够配置的传感器有各种各样的类型,有着不同的性能和应用领域㊂因此,准确理解无人机和传感器类型将有助于森林参数信息提取研究的有效发展㊂
现如今,森林资源数据信息的获取㊁研究㊁分析过程中普遍用到的无人机感知体系有摄影测量和激光雷达这两种形式㊂依靠于拥有激光扫描仪器以及较高精确程度GNSS&IMU(全球导航卫星系统与惯性测量单元),激光雷达体系可以有效抓取地面物体的三维立体式的点云,进而利用抓取所获得的数据信息形成森林中精微细致地形情况并且反向推演出森林参数信息的构成㊂在图像地位方面,无人机摄影测量体系受限于其使用场景固定,覆盖范围有限等不足,所以其图像定位的效率和效果要远远比不上激光雷达体系㊂随着计算机视觉图像的快速发展,无人机摄影测量体系得益于如今进展迅猛的计算机视觉图像技术手段和方法,能够利用图像三维立体重新构建的方法手段形成三维立体式的点云来达成对植被表面高度数据提取的目标,此种森林构成数据信息的取得手段方法需要耗费的代价是相对较少的㊂
2㊀无人机遥感森林参数信息提取
森林有关各项参数指标数据信息能够真实有效地体现出森林的管理维护情况以及森林的质量状况㊂以往的森林资源信息勘查普遍依赖于对采样地点进行布置设置才得以开展,但是看,比较大范围尺度的勘查研究使用同样的方式来展开就显得吃力很多㊂况且,森林中情况纷繁复杂造成了现场勘查测量难度较高㊁时效性普遍较低等不能有效的适用于当今时代林业发展需求的诸多不足㊂现如今,国内和国外使用无人机遥感来获得森林参数数据信息的应用大多侧重于获得单木㊁林分意义上的树木高度和冠幅大小㊁获取林木株的数量㊁获取胸径郁闭程度㊁获取储蓄累计数量㊁生物数目和碳元素的相关储总量等等参数指标信息㊂而无人机使用上的局限性造成其不能直接度量得到数目的胸径数据指标,因此,这一信息得需要通过反向推演树的高度以及冠幅因子才能得出㊂
2.1㊀冠幅提取
树木的冠作为其光合作用的重要阵地可以多角度全方位地对森林生态进行评估㊂树木的冠的面积的数值情况在很大程度上对森林资源信息的勘查产生非常关键的影响决定了它完全可以用来估计测算树木的胸径大小㊁架构生物数量以及储蓄积累的总量林分模型;森林树木之间的相互竞争关系可以通过使用树冠的直径大小作为估算树林密度㊁株数密度的基准进行预测㊂在无人机上获得的光学遥感图像具有高分辨率,并且可以准确且直观地反映云层的纹路㊁状态㊁光谱㊁色彩等诸多数据信息,并且提供了一种有效的方法来快速和准确地提取云层宽度㊂提高㊂图像信息和提取方法主要包括视觉辨认㊁基于对象和受控制标识的水分割㊂2.2㊀树高提取
树的高度数值作为可以准确有效的体现有关生物在特定场所成长发展过程中的生产水平和能
力㊁体现树木的成长情况㊁估算预测储蓄累积数量㊁
生物总量以及碳元素相关储存总量等的一项森林
参数信息对于森林资源信息勘查研究具有十分重
要的作用㊂无人机遥感体系应用于抓取并获得树
木的高度的情形可以分为单色平面和站(地)面两
种情况㊂其中,获得单色水平的需要通过利用CHM (云高模型)㊁点群分割以及树木的高度的模型等手段方法才能得以实现㊂而站点提取则不同,它的获
得首先需要得出冠层的高度数据以及无人机激光
雷达抓取得到的预测变量因子的数值,然后通过分
析研究两者之间的相互关联性才能侧方面实现,高
度分割手段就是站点提取的 形象代言人 ㊂顺利
使用无人机来高效准备无误地获取树木的高度参
数信息的关键环节在于摄影测量体系以及激光扫
描体系㊂
2.3㊀森林生物量和蓄积量提取
生物和沉积物的探测主要分为三类:基于生物
模型或体积公式的模拟㊁野外调查和基于遥感数据
的反演㊂无人机森林生物和沉积物的提取主要基
于无人机的遥感数据㊂通过模型反演,确定提取参
数的冠幅和树高㊂
2.3.1㊀森林生物量提取
森林生物学作为完全能够表现森林生态系统
的生产力情况的研究对象是森林生态系统的重要
代表㊂利用无人机遥感体系来精准高效地测算森
林生物可以为分析森林生态系统生产力能力㊁生物
圈碳循环情况㊁世界气候变化状态等指标提供有效
的科学数据依据[1]㊂近年来,基于无人系估测森林生物的机遥感技术的森林生物估计有了新的研究倾向㊂例:何游云[2]通过在赤松广叶林和江江冷杉林的无人机测定的胸高和冠层面积的定量分析,研究了研究陆生生物的方法㊂获得了这个地区和其他地区类似的树种遥感模型的单色尺度㊂朱利亚等人,将从无人遥感图像中提取的白杨树冠宽度作为自变量,将从生物模型中获得的陆地生物作为因变量间接构建白杨㊂基于此生物模型,分析确定了不同林龄样区陆生生物的最佳估计模型㊂Ota等[3] CHM基于空中云㊁激光雷达地面标准化点云,两种方法获得的生物估计精度(R2)均高于0.7,但是,基于激光雷达的CHM精度高于中心云,R2为0.93㊂Zahawi等[4]使用多旋翼无人机遥感法ecosynth的高分辨率图像,生成了包括获得的树木高度,森林生物,其他参数的高分辨率3D点群模型㊂结果表明, ecosynth获得的生物和陆地生物的R2大于0.81㊂根据研究,中国kosynth无人机的遥感技术可以提供技术支持,以准确地描述森林中的陆地生物的小空间尺度㊂
2.3.2㊀森林蓄积量提取
森林储蓄累计的总量作为能够准确体现林地生产水平和能力以及经营管理手段方式的非常关键的参数是用来考量评估森林的关键指标项,它能够科学有效的支撑森林的经营管理和森林采伐经营,足够保障它们的顺利开展[5]㊂陈忠明[6]采用无人机遥感获得的杉木的冠幅㊁株数和林分的平均高度以及实际测量林分因子估算预测得出的储蓄累计总数分别作为研究的自变量因子和因变量因子来构建出多元线性回归㊁对数以及最小二乘回归这三种研究模型,通过三种模型的研究得出了使用无人机遥感来获得杉木林的存储累积数量是准确的且有效率的;李亚东等[7]通过采用无人机的特征点之间的相互配对而产生的原始点云数据信息对树冠开展分割,并且,使用聚类算法推演得出树木的顶点和树木的高度信息,以此为依据构建起对森林的储蓄累计总数量进行估算测量的二元材积模型,结果显示对储蓄累积总数量的估算预测精准程度即有效程度达到了82.46%;相关专家[8-10]通过无人机高分影像以及无人机自身搭载的激光雷达来实现对森林的积累储备总数量的估算预测,研究结果显示,未来无人机数字航空摄影将会为今后森林的积累储备总数量以及森林资源信息勘查研究提供可靠支撑和保障㊂
3㊀研究展望
无人机遥感在森林参数信息的取得㊁森林资源的研究和监视方面有着广阔的前景,可以成为未来森林资源研究的重要工具,但无人机在林业上的应用还不成熟㊂未来的技术架构将需要面临如下扩展才能更加地完善和被广泛应用㊂
(1)取得多源数据
提取出有效的能够有效保障森林勘查测量研究工作的顺利开展,森林参数信息的取得也是进行森林勘查测量研究工作的必要前提条件㊂无人机灵巧机动㊁能够随时升级的特性和优势能够保证其采集到的数据项目的准确度和精确程度,因此,无人机遥感可以很好地满足森林资源勘测研究工作需要同时兼顾时间和空间的需求㊂同时,无人机遥感还能够用在规模庞大的森林系统资源信息的勘察测量以及用来有效实现森林资源信息遥感数据的动态即时获取,从而有效保障森林资源的经营管理㊂
(2)数据融合
今后,通过只使用单一源头取得的数据将很难再提取到精细程度较高的森林参数,因此,通过将多个源头得到的数据有效的融合在一起来高效精准获得森林参数信息势在必行㊂如,通过有效融合无人机激光雷达这一源头渠道获得的数据信息和摄影测量这一源头渠道获得的数据信息可以得到拥有纹路和光谱等高分辨率的时间信息序列,同时,还可以得到单木和三维立体数据,进而科学高效地获得森林参数信息㊁进行森林资源的监控测量以及开展森林的经营管理㊂
(3)激光雷达传感器设备升级和推广
现如今,对光学遥感图像特别是高分辨率图像的广泛使用卓有成效地保障了在森林资源数据信息研究范畴成功施展拳脚,而无人机因激光雷达扫描传感器体系价格居高不下而需要耗费更多的使用成本和代价,因此对其的依赖小之又小㊂激光雷达系统价格昂贵,拥有许多研究小组和林业部门无法负担的大型传感器㊂因此,无人机远程感测系统可以通过降低无人机激光雷达扫描仪㊁高精度GNSS IMU㊁光学传感器和其他远程感测负载的体积和成本并保持森林参数来获得更适当的应用㊂监视森林资源㊂
(4)基层林业单位的普及推广
如今,无人机遥感在有效抓取森林参数信息㊁高效开展森林资源勘查研究等方面 称王称霸 的局面与基层林业组织对于如何使用无人机和相应数据处理系统来进行对森林各方面的管理和研究依然是一知半解形成了鲜明的对比,这种现状的存在略显讽刺,说明无人机遥感应用没有真正铺开㊂因此,急需提高基层林业工作人员的无人机遥感知识储备㊁技术应用能力和水平,以实现无人机对森林参数信息获取 红利 的全覆盖㊂
参考文献
[1]何游云.无人机遥感估测林木地上生物量的研究[D].北
京:北京林业大学,2016.
[2]朱雅丽,张绘芳,张景路,等.基于无人机遥感的胡杨地上生物量估测模型构建[J].林业资源管理,2019(2): 80-87.
[3]OTA T,OGAWA M,SHIMIZU K,et al.Aboveground bio-mass estimation using structure from motion approach with aerial photographys in a seasonal tropical forest[J].For-ests,2015,6(11):3882-3898.
[4]ZAHAWI R A,DANDOIS J P,Holl K D,et ing light-weight un-manned aerial vehicles to monitor tropical forest re-covery[J].Bio-logical Conservation,2015(186):287-295.
[5]李赟.基于UAV高分影像的林木冠幅提取与蓄积量估
测研究[D].南京:南京林业大学,2017.
[6]陈忠明.基于无人机影像的杉木蓄积量反演研究[D].
长沙:中南林业科技大学,2019.
[7]李亚东,曹明兰,李长青,等.无人机森林航摄影像三维
点云估测林分蓄积量研究[J].中南林业科技大学学报, 2019,39(3):56-60.
[8]GOODBODY T R H,COOPS N C,CRAWFORD P,et al. Updating residual stem volume estimates using ALS and UAV-acquired stereo-photo-grammetric point clouds[J]. International Journal of Remote Sens-ing,2017,38(8/9/ 10):2938-2953.
[9]王娟,陈永富,陈巧,等.基于无人机遥感的森林参数信
息提取研究进展[J].林业资源管理,2020(5):144-151.
[10]刘鹤,顾玲嘉,任瑞治.基于无人机遥感技术的森林参数获取研究进展[J].遥感技术与应用,2021,36(3): 489-501.
来稿日期:2022-07-08。