CN101008676A - 无人机航空摄影遥感森林计测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机航空摄影遥感森林计测方法。它采用无人机低空飞行器作为遥感平台，集数码相机、差分GPS和陀螺平台于一体，利用数字摄影技术，获取高地面分辨率，大比例尺的低空无人机遥感影像，充分利用了无人机具有较高的灵活性，起飞降落不需要专门的飞机场，并可在云下飞行的特点，实现获取的影像资料时效性强，分辨率高。通过计算机数字影像处理系统，面向林场根据地物构象规律和影像特点，将林分调查因子的数量和质量在影像上识别和量测出来，并以影像上判读的测树因子：郁闭度、树高、树冠直径和株数等因子为地面上实测材积的函数，编制航空立木材积表和航空林分材积表，大大提高了森林资源调查的质量和工作效率，可大大降低成本。

Description

无人机航空摄影遥感森林计测方法

一、技术领域

本发明涉及一种森林资源调查中的森林计测技术，特别是一种无人机航空摄影遥感森林计测方法。

二、技术背景

传统的森林资源调查方法，是在设置地面样地进行定期进行实测的同时普遍利用航空遥感和航天卫星遥感进行森林资源调查，但上述种种技术都有其明显的缺点和不足：

①设置地面样地进行定期实测时行动缓慢，劳动量大、需要大量的人工投入，成本高，周期长；

②利用普通的载人航空遥感由于需要转场等诸多环节，费用比较高，难以经常性开展，安全性差；

③采用航天卫星遥感监测时，其时空分辨率较低，飞行高度在云层之上，影像清晰度受云层影响较大，而且森林多分布在山区、地形复杂，所以精度较低，而高分辨率的遥感影像价格昂贵，还受到重访周期的限制和云的影响。

所以在森林资源调查过程中采用传统的设置地面样地、载人航空遥感和航天卫星遥感等方法时，不可避免地带来很多麻烦且效率低下。因此，现有技术存在成本高，周期长，受云层影响大，安全性差等缺点，怎样在不影响航测精度的情况下，降低成本，缩短影像更新周期，提高影像清晰度，增大安全性成为本领域科技人员急待解决的问题。

三、发明内容

为了克服现有的森林计测技术在森林资源调查中不可避免地带来的很多麻烦，提高工作效率，本发明的目的是提供一种无人机航空摄影遥感森林计测方法，它在保证航测精度的前提下，显著降低了成本，并可以在云层下飞行，保证了影像的清晰程度，保障了安全性，同时更新周期短，克服了现有技术存在的缺点。

本发明的目的是这样实现的：采用无人机低空飞行器作为遥感平台，集数码相机、差分GPS和陀螺平台于一体，利用数字摄影技术，获取高地面分辨率、大比例尺的低空无人机遥感影像；通过计算机数字影像处理系统，面向林场根据地物构象规律和影像特点，将林分调查因子的数量和质量在影像上识别和量测出来，并以影像上判读的测树因子：郁闭度、树高、树冠直径和株数等因子为地面上实测材积的函数，编制航空立木材积表和航空林分材积表。

编制航空材积表的方法如下：根据影像上判读的测树因子，包括郁闭度、树高、树冠直径和株数等因子为地面上实测材积的函数编制以下材积表：①根据地面实测胸径与树冠直径、判读的树高分别建立回归关系，用地面一元材积表导出，编制一元航空立木材积表；②由于树高和树冠因子与材积有密切的关系，因此利用影像上判读的树高、树冠直径和地面实测材积建立回归关系计算编制二元航空立木材积表；③根据一个与实测材积有密切关系的林分判读因子与实测材积建立回归方程编制一元航空林分材积表；④根据现地观测和室内判读的两个与实测材积有密切关系的林分判读因子建立一个二元一次线性回归方程编制二元航空林分材积表。

其中量测树高的方法如下：通过测定树木顶点与树木底点之间的高差来确定树高，设树木AB的高度为h，H_a为树木底点A点的真航高，H_b为树木顶点B点的真航高，由H_a与H_b相减得树木的高度h＝H_a-H_b。

其中量测树冠直径的方法如下：①影像基线定向后，在立体观察中仔细地观察树木的立体影像，量测与辐射线成垂直方向的树冠直径；②影像上树冠影像的比例尺随着所测树的航高的不同而变化，因此判读的树冠直径应以影像上量测的树冠直径乘以影像局部比例尺分母而求得。

其中的林分郁闭度的判读方法如下：①在立体观察下目估树冠投影面积占林地面积的百分数，以确定郁闭度；②用郁闭度判读模板或已知郁闭度的立体判读样片与判读的林分进行比较，以确定郁闭度；③用透明网点板在立体观察下查数落在树冠下的点数，与判读林分的网点总数比的比值，用来确定郁闭度；④在影像上先将判读的样地或小班的对角线划出，量测对角线上所截割的树冠总长度与对角线长度之比即为所确定的郁闭度。

其中的林木株数的测定方法如下：用样地面积模板置于影像上，在立体观察中点数样地内的树冠数，确定林木株数。

本项发明与现有技术相比具有以下优点：

①机动快速的响应能力

无人机系统运输便利、升空准备时间短、操作简单，可快速到达监测区域，机载高精度遥感设备可以在短时间内快速获取遥感监测结果；

②性能优异

无人机可按预定飞行航线自主飞行、拍摄，航线控制精度高，飞行姿态平稳；飞行高度从50m至4000m，可以在云下飞行，能有效避免云的影响，高度控制精度10m；速度范围从70km/h至160km/h，均可平稳飞行，适应不同的遥感任务；

③操作简单可靠

飞行操作自动化、智能化程度高，操作简单，便于掌握和培训；一旦遥控失灵或其他故障，由地面人员操作，若故障解除，则按地面人员控制继续飞行，否则自动开伞回收；

④高分辨率遥感影像数据获取能力

无人机搭载的高精度数码成像设备，具备面积覆盖、垂直或倾斜成像的技术能力，获取图像的空间分辨率达到分米级，适于1∶1万或更大比例尺遥感应用的需求，可根据需要搭载普通数据相机；

⑤使用成本低

无人机系统的运营成本较低，飞行操作员的培训时间短，系统的存放、维护简便，还可免去了调机和停机的费用。

四、具体实施方式：

无人机航空摄影遥感森林计测技术与现有技术不同，作了很大改进，具体是：

采用无人机低空飞行器作为遥感平台，集普通数码相机、差分GPS和陀螺平台于一体，利用数字摄影技术，获取高地面分辨率、大比例尺的低空无人机遥感影像；通过计算机数字影像处理系统，面向林场根据地物构象规律和影像特点，将林分调查因子的数量和质量在影像上识别和量测出来，并以影像上判读的测树因子：郁闭度、树高、树冠直径和株数等因子为地面上实测材积的函数，编制航空立木材积表和航空林分材积表。

1.通过安置在无人机上的数码相机，在空中从同一高度不同的摄影站，连续取得有足够高度的相邻两张影像，其中这两张影像的航向重叠应达到60％以上，旁向重叠应达到20％以上，得到一个立体像对。

2.航空材积表的编制方法：根据影像上判读的的测树因子：郁闭度、树高、树冠直径和株数等因子为地面上实测材积的函数编制以下航空材积表：

①一元航空立木材积表的编制：根据地面实测胸径与树冠直径、判读的树高分别建立回归关系，用地面一元材积表导出，常用的回归方程是：

D_1.3＝a₀+a₁D_K

D_1.3＝b₀+b₁HA_K

式中：D_1.3为实测胸径，D_K为判读可见的树冠直径，H为判读树高，A_K为判读树冠面积，a₀、a₁和b₀、b₁为参数

根据实测和判读数据在方格纸上，横轴表示D_K或HA_K，纵轴表示D_1.3绘出散点图，看哪些因子与胸径相关紧密，用以确定哪种回归方程；用最小二乘法求出参数，用不同D_K或HA_K代入方程，就可得出相应的胸径，根据方程式中求得的胸径，查相应树种的一元材积表，得出不同D_K值相应的单株材积，依D_K值不同把材积排列成表即成一元航空立木材积表。

②二元航空立木材积表的编制：由于树高和树冠因子与材积有密切的关系，因此利用影像上判读的树高、树冠直径和地面实测材积建立回归关系计算来编制；常用的回归方程式有以下几种：

V＝a₀+a₁D_K+a₂H

V＝D_K(a₀H-a₁)+a₂

V＝D_K(a₀H-a₁)

式中：V为地面实测单株材积，H为判读的可见树高，D_K为判读的可见树冠直径，a₀、a₁、a₂为参数，在编表前通过在坐标方格纸上点出样地材积与各因子的关系散点图，观察其相关密切程度选定相关紧密的测树因子编表，并根据散点的线形趋势，选择最合适的回归方程；根据地面量测的单株材积与其相应的判读可见树高和可见树冠直径，用最小二乘法求出方程中的参数；将D_K和H的不同值代入方程中，就可求得单株材积；按判读的可见树高和可见树冠直径，将材积排列即得二元航空立木材积表。

③一元航空林分材积表的编制：根据一个与实测材积有密切关系的林分判读因子与实测材积建立回归方程编制；首先进行树种归类、龄组归类和郁闭度归类，即将所有现地测量和室内判读的影像材积表样地分别树种归为一类，同一树种所包括的样地分别龄组归为一类，属于同一郁闭度级的样地归在一起；其次绘制郁闭度与实测材积的散点图，横轴为判读郁闭度，纵轴为实测材积，以确定回归方程；然后计算回归方程的参数和相关系数，用郁闭度与实测材积建立回归方程；最后将判读的郁闭度代入建立的回归方程，利用计算出的蓄积可得一元航空林分材积表。

④二元航空林分材积表的编制：根据现地观测和室内判读的两个与实测材积有密切关系的林分判读因子建立一个二元一次线性回归方程：

$\hat{y}=b_0+b_1{x}_1+b_2{x}_2$

式中：

为根据判读因子x₁和x₂求得的材积；x₁为选定制表用的第一判读因子，x₂为选定制表用的第二判读因子，b₀为回归常数，b₁为y对x₁的回归系数，b₂为y对x₂的回归系数；b₀、b₁、b₂用最小二乘法确定，建立二元一次线性回归方程，即得二元航空林分材积的材积式，给予不同的x₁和x₂代入材积式，就可以求得相应的材积

，展开得二元航空林分材积表。

3其中量测树高的方法：设树木AB的高度为h，H_a为树木底点A点的真航高，H_b为树木顶点B点的真航高，f为航摄焦距，B为摄影基线，即摄影站s₁和s₂间的距离，P_a、P_b为树木底点A和树木顶点B的同名像点视差，则由公式 $H_a=\frac{f}{p_a}B$ 和 $H_b=\frac{f}{p_b}B$ 求得树木底点A和顶点B的真航高H_a和H_b；由H_a与H_b相减得树木的高度 $h=H_a-H_b=\frac{\mathrm{fB}}{p_a}-\frac{\mathrm{fB}}{p_b}=\mathrm{fB}\left(\frac{p_a-p_b}{p_a{p}_b}\right)=H_a\frac{\mathrm{\Δp}}{p_b}$ ，因为P_b＝ΔP+P_a，故树高 $h=\frac{H_a}{\mathrm{\Δp}+p_a}\mathrm{\Δp}$ ，ΔP

为所测树木顶点和树木底点的视差较。

4其中量测树冠直径的方法：树冠直径的量测在影像的使用面积内，按下列步骤进行：①影像基线定向后，在立体观察中仔细地观察树木的立体影像，采用影像处理系统的测距功能量测与辐射线成垂直方向的树冠直径；②影像上树冠影像的比例尺随着所测树的航高的不同而变化，因此判读的树冠直径应以象片上量测的树冠直径乘以象片局部比例尺分母而求得。

5其中的林分郁闭度的判读方法：①目测法：在计算机屏幕上，通过立体观察目估树冠投影面积占林地面积的百分数，以确定郁闭度；②比较法：利用影像处理系统调用郁闭度判读模板或已知郁闭度的立体判读样片与判读的林分进行比较，以确定郁闭度；③网点法：在影像处理系统中调用透明网点板在立体观察下查数落在树冠下的点数，与判读林分的网点总数比的比值，用来确定郁闭度；④对角线截距法：在影像上先将判读的样地或小班的对角线划出，然后调用影像处理系统的量距工具量测对角线上所截割的树冠总长度与对角线长度之比即为所确定的郁闭度。

6其中的林木株数的测定方法：用样地面积模板置于影像上，在计算机屏幕上通过立体观察点数样地内的树冠数，确定林木株数，样地边界上株数其取舍原则如下：①点数圆形样地内立木株数时，当树冠恰好在样地周界上，若树冠一半以上进入圆形样地之内，就给以计数，当树冠一半以上在圆形样地之外则不计数；当树冠是否过半难以判定时，对这类树冠可每二株计数一株。②点数方形样地内林木株数时，在边线上可将一半以上树冠进入样地者计算株数，当难以判断是否过半者，可将西面、南面二边界上这一类的立木算入，将北面和东南二边界上的舍去。

Claims (6)

1.一种无人机航空摄影遥感森林计测方法，其特征是：采用无人机低空飞行器作为遥感平台，集数码相机、差分GPS和陀螺平台于一体，利用数字摄影技术，获取高地面分辨率、大比例尺的低空无人机遥感影像；通过计算机数字影像处理系统，面向林场根据地物构象规律和影像特点，将林分调查因子的数量和质量在影像上识别和量测出来，并以影像上判读的测树因子：郁闭度、树高、树冠直径和株数等因子为地面上实测材积的函数，编制航空立木材积表和航空林分材积表。

2.根据权利要求1所述的无人机航空摄影遥感森林计测方法，其特征是：其中编制航空材积表的方法如下：根据影像上判读的测树因子，包括郁闭度、树高、树冠直径和株数等因子为地面上实测材积的函数编制以下材积表：①根据地面实测胸径与树冠直径、判读的树高分别建立回归关系，用地面一元材积表导出，编制一元航空立木材积表；②由于树高和树冠因子与材积有密切的关系，因此利用影像上判读的树高、树冠直径和地面实测材积建立回归关系计算编制二元航空立木材积表；③根据一个与实测材积有密切关系的林分判读因子与实测材积建立回归方程编制一元航空林分材积表；④根据现地观测和室内判读的两个与实测材积有密切关系的林分判读因子建立一个二元一次线性回归方程编制二元航空林分材积表。

3.根据权利要求2所述的无人机航空摄影遥感森林计测方法，其特征是：其中量测树高的方法如下：通过测定树木顶点与树木底点之间的高差来确定树高，设树木AB的高度为h，H_a为树木底点A点的真航高，H_b为树木顶点B点的真航高，由H_a与H_b相减得树木的高度h＝H_a-H_b。

4.根据权利要求2所述的无人机航空摄影遥感森林计测方法，其特征是：其中量测树冠直径的方法如下：①影像基线定向后，在立体观察中仔细地观察树木的立体影像，量测与辐射线成垂直方向的树冠直径；②影像上树冠影像的比例尺随着所测树的航高的不同而变化，因此判读的树冠直径应以影像上量测的树冠直径乘以影像局部比例尺分母而求得。

5.根据权利要求2所述的无人机航空摄影遥感森林计测方法，其特征是：其中的林分郁闭度的判读方法如下：①在立体观察下目估树冠投影面积占林地面积的百分数，以确定郁闭度；②用郁闭度判读模板或已知郁闭度的立体判读样片与判读的林分进行比较，以确定郁闭度；③用透明网点板在立体观察下查数落在树冠下的点数，与判读林分的网点总数比的比值，用来确定郁闭度；④在影像上先将判读的样地或小班的对角线划出，量测对角线上所截割的树冠总长度与对角线长度之比即为所确定的郁闭度。

6.根据权利要求2所述的无人机航空摄影遥感森林计测方法，其特征是：其中的林木株数的测定方法如下：用样地面积模板置于影像上，在立体观察中点数样地内的树冠数，确定林木株数。