無人機耕地作物調(diào)查方案探析

孫 耀

(陜西省林業(yè)科學院，陜西 西安 710082)

1 無人機耕地作物調(diào)查技術路線

1.1 無人機及其他硬件選型

根據(jù)作業(yè)需求，筆者采用大疆創(chuàng)新Phantom 4Pro機型，此款機型體積較小，攜帶較方便，配備1英寸2000萬像素CMOS影像傳感器以及7組8片全玻璃鏡片組成的高解析度鏡頭，在120米高度飛行拍攝，可生產(chǎn)出空間分辨率為5cm的正射影像。

大疆創(chuàng)新系列機型遙控器需要配合移動設備運行飛行控制App，根據(jù)實測經(jīng)驗，蘋果IOS設備的App用戶體驗和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于安卓設備，因此筆者選用iPad mini 3作為顯示設備。

圖形工作站配置：CPU：優(yōu)于4核；內(nèi)存：不小于4G；硬盤：不小于500G；顯卡：根據(jù)傾斜攝影軟件的運算特點而定，使用GPU計算的傾斜攝影軟件，使用性能優(yōu)異的顯卡。

1.2 軟件選型

完整技術路線先后用到3種專業(yè)軟件：無人機航跡規(guī)劃軟件、拼接高清正射影像軟件、地理信息系統(tǒng)。

采集樣方地影像建議使用無人機航跡規(guī)劃軟件飛行拍照，優(yōu)點是無人機能按照飛手預先設置好的飛行高度、速度、影像重疊率等參數(shù)自動規(guī)劃出飛行航跡，并按照設定時間間隔自動拍照，可有效降低采集影像過程中的飛行風險，節(jié)省電池電量，提高照片質(zhì)量。筆者選用的無人機航跡規(guī)劃軟件是Altizure。拼接高清正射影像軟件選用Drone2map，Drone2Map是一款輕型無人機數(shù)據(jù)處理軟件，主要功能是將無人機拍攝的影像拼接成高清正射影像，具有多線程、簡單易用、成果類型豐富、便于發(fā)布等特點。地理信息系統(tǒng)選用ArcGIS軟件，該軟件是一個可伸縮的，全面的GIS平臺，可將正攝影像、樣方地塊、參照樣片等多種數(shù)據(jù)整合到一張地圖中，并進行專業(yè)的配圖，形成特定格式的統(tǒng)計報表。

2 采集與生產(chǎn)流程

2.1 起飛點選擇

飛行前應進行實地勘查，為保證飛行安全，起飛點應選擇沒有民房、鐵塔、高壓線等障礙，視野開闊的小塊平整空地。

2.2 影像獲取

啟動Altizure軟件進行航線規(guī)劃，首先創(chuàng)建一個新任務，然后在地圖中設置好飛行區(qū)域，以及飛行高度、飛行速度、自動拍照間隔時間、影像重疊率等參數(shù)，一般航向和旁向重疊度設置為60%即可，軟件根據(jù)設置好的參數(shù)會自動規(guī)劃出飛行軌跡，設置完成保存后，Altizure將保存的任務上傳到無人機，無人機自動起飛執(zhí)行任務，并按設定的時間間隔自動拍照。飛行中當電池電量下降至30%時，系統(tǒng)提示自動返航，更換電池后，繼續(xù)執(zhí)行至任務完成。任務完成后無人機會自動返航并降落在起飛點附近。自動返航的降落點一般會偏離起飛點20cm左右，降落時應根據(jù)周邊情況手動微調(diào)，確保無人機安全降落。

2.3 整理航片

將無人機拍攝的照片進行整理，使用Drone2map軟件生產(chǎn)正射影像。步驟如下：

第1步輸入工程名稱。第2步點擊“Browse…”選擇工程文件夾的存儲路徑。第3步點擊“Add Folder”按鈕，選擇航片文件夾，軟件自動讀取照片中的元數(shù)據(jù)信息填入列表，再根據(jù)元數(shù)據(jù)定位到拍攝的點位上，并連成航跡。點擊“Processing Options”按鈕彈出“處理選項”對話框。勾選“Initial Processing”選項卡并使用默認設置，再勾選“Orthomosaic and DSM”并確保只勾選“Create Orthomosaic”選項(使用默認方法和精度，成果類型為只輸出正射影像，不輸出DSM)，點擊“Start”啟動多線程計算。計算之后即生成高清正射影像。

將生成的正攝影像加載到ArcMap中，如因分辨率較低不能看清植物葉片，無法分辨植物種類，可以用無人機超低空拍攝作物葉片作為參照樣片，輔助識別。手動操作無人機飛行到地塊正上方后將飛行高度下降到15～20m處，垂直向下拍照獲取一至兩張照片作為參照樣片，然后將無人機再次拉高飛行到下一

個作物上空下降拍攝，以此類推。為保證飛行安全，無人機飛行到作物上空懸停向下仔細觀察，確認無障礙后再下降高度，避免碰撞到電線、電桿等。

2.4 生成參照樣片

任意一張參照樣片的“屬性”之“詳細信息”選項卡都有“GPS經(jīng)緯度信息”，利用該信息可將每張照片批量地定位到地圖上。

用ArcMap的Toolbox的“GeoTagged Photos To Points”工具，自動批量將參照樣片中的GPS信息寫入一個點圖層中，并將照片作為該點的附件存入數(shù)據(jù)庫。具體設置步驟如下：

選擇參照樣片所在的文件夾。

設置一個File GDB類型的樣本點圖層路徑。

勾選“Add Photos As Attachments”選項將照片作為每個點的附件。注：如果選項2中輸出路徑不是GDB，而是Shape File，則選項3無法勾選，因為Shape格式不能將照片作為附件。

輸出成果加入ArcMap中，就得到了參照樣片點圖層。

2.5 解譯

將拍攝的參照樣片添加到Arcmap軟件中，點擊Arcmap中“HTML Popup”工具的解譯樣本點彈出信息窗，在信息窗的縮略圖中打開低空拍攝的高分辨率的參照樣片原片，根據(jù)參照樣片中作物形態(tài)就可區(qū)分作物種類，將識別的作物種類輸入到對應地塊的屬性中。用此方法即可將樣方中所有地塊的作物類型清晰識別。

2.6 統(tǒng)計

通過ArcMap自帶的統(tǒng)計工具，可以對更大的調(diào)查區(qū)域如縣、市甚至省內(nèi)的所有地塊進行統(tǒng)計，獲取不同種類作物的種植面積總和以及分布規(guī)律等多種統(tǒng)計信息，并導出對應報表。

3 成果管理

隨著無人機影像成果逐漸累積，一個城市或省級調(diào)查單位，一次普查所生成的無人機正射影像成果可能會多至成千上萬幅，想要快速查找到某一時段、某一空間范圍、某一分辨率的影像成果將變得異常艱難。運用Portal for ArcGIS影像管理解決方案可解決此類問題，該軟件通過影像成果的元數(shù)據(jù)信息對影像進行自動化管理，根據(jù)用戶輸入的查詢條件快速獲取所需的無人機影像，便于分發(fā)、處理、共享等后續(xù)應用。

4 效益對比

經(jīng)實測，一個5000m2的樣方地，若用傳統(tǒng)技術流程，一個7人團隊每天只能采集并錄入一個樣方地。而使用無人機耕地作物調(diào)查技術，一個2人內(nèi)外業(yè)團隊每天可完成3個樣方，后者工作效率約為前者的10倍。