淺談無人機精靈4 RTK在森林資源調(diào)查和規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用

應(yīng)啟圍 田野宏 胡衛(wèi)東 梁余發(fā) 買凱樂 蔣桂娟

(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州 545000)

近年來，隨著無人機、人工智能、深度學(xué)習(xí)、工程測繪等領(lǐng)域的高速發(fā)展，無人機及其搭載的各種多功能相機、激光雷達(dá)等性能不斷提升，正在逐漸滿足各個行業(yè)的具體需求。采用傳統(tǒng)的森林調(diào)查方法，不僅需要大量的人力物力，而且有些區(qū)域具有一定的危險性。無人機搭載相機、激光雷達(dá)進行森林調(diào)查、搭載紅外攝像頭用于森林防火、搭載多光譜成像系統(tǒng)用于森林病蟲害防治等技術(shù)正趨于成熟應(yīng)用。日常工作中林場、規(guī)劃設(shè)計院等單位最迫切需要的就是快速獲取一片林地的高清矢量影像成果，無人機結(jié)合實地抽樣調(diào)查能夠快速獲取林分各項調(diào)查因子，從而快速準(zhǔn)確完成森林資源規(guī)劃設(shè)計的基礎(chǔ)工作。目前使用無人機對單株樹木和林分因子的調(diào)查還未完全實現(xiàn)，對樹木數(shù)據(jù)模型的建立仍在完善，以無人機搭載激光雷達(dá)獲取三維點云數(shù)據(jù)，通過后期處理提取量化單株樹木的樹高和冠幅等調(diào)查數(shù)據(jù)的技術(shù)已基本成熟[1]，使用無人機進行低空遙感航測獲取高分辨率的正射影像二維圖像的技術(shù)已非常成熟且穩(wěn)定[2]，使得森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查的成果更加具有直觀性和可視性[3]。本文以深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的精靈(Phantom)4 RTK為例，介紹在廣西沙塘林場森林規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中使用該機型的具體應(yīng)用和經(jīng)驗，供各位同行參考和借鑒。

1 區(qū)域概況

廣西國有沙塘林場位于廣西東南部柳州市沙塘鎮(zhèn)(E108°17'～108°24'，N24°27'～24°30')；該地為丘陵地貌，海拔99.1～242.6m。屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，光照充足，熱量豐富，雨熱同季，夏濕冬干，干濕季節(jié)明顯，年均氣溫20.1℃，年均日照時數(shù)1558h，年均降雨量1429.7mm，年均蒸發(fā)量1599.8mm，相對濕度78%，無霜期長達(dá)356.8d[4]。土壤為砂巖發(fā)育成的紅壤，土層深厚且層次不明顯，肥力中上，呈酸性，pH值4～5[5,6]。

2 精靈4 RTK基本情況分析

2.1 選用精靈4RTK的理由

深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司對精靈4 RTK的定位是行業(yè)級應(yīng)用產(chǎn)品，屬于小型多旋翼高精度航測無人機，主要用途是面向低空攝影測量應(yīng)用。特點是具備厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，便攜易用，能夠全面提升航測效率。也就是說該機型并不是專為林業(yè)行業(yè)定制開發(fā)的，但其高精度的低空攝影測量應(yīng)用確實在自然資源的調(diào)查領(lǐng)域得到了非常廣泛的使用。

2.1.1 成本較低

無人機的使用成本不僅僅是初始購置無人機及配套相應(yīng)軟硬件的成本，還包括無人機操作人員的培訓(xùn)、無人機的保險、維修、保養(yǎng)等后期成本。如，廣西國有沙塘林場位于典型的低山丘陵地貌區(qū)域內(nèi)，地形地勢復(fù)雜。相比北方相對開闊的地貌，無論是對無人機自身的安全還是操縱無人機的飛手而言都有更高的要求。據(jù)了解，包含廣西國有沙塘林場在內(nèi)的廣西各大林場和生產(chǎn)單位，絕大多數(shù)都將精靈系列的機型作為森林資源監(jiān)測調(diào)查管理、病蟲害調(diào)查監(jiān)測的主力機型，該機型的耐用性、穩(wěn)定性、可靠性和性價比已得到行業(yè)廣泛認(rèn)可，并具備一定的改裝潛力。該產(chǎn)品也通過廣大用戶的反饋進行不斷的固件升級更新，使得系統(tǒng)功能不斷優(yōu)化，更趨于自動化和智能化。

2.1.2 操作簡單

由于林業(yè)基層單位工作人員文化水平中等，參差不齊，大部分生產(chǎn)單位的運營經(jīng)費也比較緊張，因此精靈4RTK具備的自動航線規(guī)劃、自動返航、仿地飛行等功能的優(yōu)勢就非常明顯。除相應(yīng)的培訓(xùn)外，只需自行閱讀說明書和觀看教學(xué)視頻，就可以很快掌握基本操作要領(lǐng)，完成較為簡單的航測任務(wù)。特別是自動航線規(guī)劃功能，只需在衛(wèi)星影像圖上定位出需要航測區(qū)域的外邊界點，無人機遙控器即可實現(xiàn)自動規(guī)劃航線并能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵上傳任務(wù)起飛。如果航測區(qū)域較大，還具備換電池后繼續(xù)執(zhí)行中斷的原任務(wù)的功能，大大降低了操作難度。

2.1.3 定位精準(zhǔn)度高，圖像分辨率高

該機購買RTK套餐后可以實現(xiàn)厘米級定位，配合云臺自帶的高性能成像系統(tǒng)，大幅提升了航測效率與精度，降低了作業(yè)難度和成本，航測作業(yè)不僅效率高，分辨率高，而且不需要布設(shè)像控點即可獲得帶有高精度坐標(biāo)信息的正射影像，對于非測繪行業(yè)的人來說極大地降低了獲取森林二維正射影像的難度。獲取影像后可采用該機配套使用的大疆智圖軟件拼接(需另單獨購買)，也可通過第3方軟件進行拼接影像，較為方便快捷。

2.2 精靈4RTK在林業(yè)行業(yè)應(yīng)用的不足

2.2.1 電池續(xù)航有限，受天氣影響較大

事實上，多旋翼無人機的續(xù)航確實是困擾多旋翼無人機應(yīng)用發(fā)展的普遍問題。該機型官方公布的參數(shù)是單次飛行最大作業(yè)面積約1km2(飛行高度182m，即GSD約5cm/pixel(每個像素的實際大小)，滿足1∶500規(guī)范要求)。標(biāo)配的電池最大航程約30min，但使用官方充電器充滿1塊電池需要60～90min，這意味著在林區(qū)進行大面積航測任務(wù)時更多情況下只能選擇多帶電池，無法通過車載充電器等方式進行高效的電池循環(huán)補給。考慮到林區(qū)作業(yè)面積大，多為連片集中的情況，而且每個目的地相隔都較遠(yuǎn)，中間又難免有山體、樹木等阻隔，需要多次轉(zhuǎn)場或起降，每次起降點的距離遠(yuǎn)近、風(fēng)速大小等環(huán)境條件難免會影響航測的效率和無人機的飛行續(xù)航里程。實測設(shè)置航高180m，最近航點距離起飛點約1.5km，自動規(guī)劃航線起飛，電池電量設(shè)置低于25%以下低電量警報即刻返航。經(jīng)實際測試，不計無人機起降和到達(dá)航測區(qū)域的時間，實際真正進行航測的有效時間只有22min左右，也就意味著單次理論航測作業(yè)面積為66.67hm2左右。30min的理論飛行續(xù)航時間受風(fēng)速和溫度影響，溫度過低或過高都會影響無人機的續(xù)航里程。風(fēng)速的影響則更大，在有的山區(qū)容易形成峽谷風(fēng)和風(fēng)口，對無人機來說比較危險，風(fēng)速過高會直接導(dǎo)致無人機懸停或原地降落，甚至失聯(lián)或損壞，無法完成正常作業(yè)。

2.2.2 配套的圖像處理分析軟件價格較高

目前大疆官方匹配的圖像處理軟件大疆智圖的開放性有待提高，需要單獨購買且與使用機器有綁定關(guān)系，并限制了每年解綁更換使用計算機的次數(shù)。對于林場、農(nóng)場等管轄區(qū)域很大，總場和分場距離較遠(yuǎn)的單位來說要在固定計算機上拼圖并不方便。另外，由于各地方政府采購的因素，購買軟件的經(jīng)費十分有限，單一性來源采購流程較為繁瑣，難度較大，導(dǎo)致許多基層工作人員實際只能使用第3方軟件如PIX 4D等進行圖像拼接處理。

2.2.3 原裝遙控器屏幕較小，負(fù)載相機不能變焦

精靈4 RTK自配遙控器為5.5英寸屏幕，雖然便攜但較小，不太適合苗木造林、松材線蟲病枯死木清理等工作現(xiàn)場驗收時的靈活展示。負(fù)載相機像素雖然較高，但不支持變焦，只能通過調(diào)整飛機位置來實現(xiàn)近距離觀察，在林區(qū)使用多有不便。

2.3 其它選擇

據(jù)統(tǒng)計，大疆無人機2018年時在全球市場消費級市場所占的份額已超過70%[7]，可見消費者及各行各業(yè)對于大疆無人機產(chǎn)品的認(rèn)可。對于上述精靈4 RTK的不足，同為大疆公司產(chǎn)品的經(jīng)緯M300 RTK續(xù)航提升至1h，可以搭載最新的激光雷達(dá)禪思L1和全畫幅圖像傳感器禪思P1。同樣是4軸多旋翼無人機，經(jīng)緯M300 RTK在抗風(fēng)、防水、穩(wěn)定性、作業(yè)效率、性能等方面均比精靈4 RTK有顯著提升和質(zhì)的飛躍，優(yōu)勢是非常明顯的，但其幾乎必須搭配大疆智圖軟件使用。在價格方面，經(jīng)緯M300 RTK按照負(fù)載設(shè)備的不同是精靈4 RTK的數(shù)倍，便攜性也大大降低。因此，對于基層林業(yè)工作以主要獲取高精度二維正射影像圖的需求而言，精靈4 RTK暫時是目前最優(yōu)的選擇。

3 精靈4 RTK的實際應(yīng)用

3.1 起飛前充分準(zhǔn)備

在開始林區(qū)航測作業(yè)前，建議操縱無人機的飛手參加供應(yīng)商提供的專業(yè)培訓(xùn)，有條件的單位應(yīng)組織飛手考取相應(yīng)的資格認(rèn)證證書，相關(guān)人員認(rèn)真閱讀精靈4 RTK產(chǎn)品使用說明書和保修政策，特別是保險政策中要求的事項。事前要結(jié)合已有的地形圖對航測區(qū)域進行確認(rèn)。航測任務(wù)開始前應(yīng)檢查無人機電量和狀態(tài)。SD存儲卡容量及安裝情況，注意天氣變化情況，以免空跑?？梢蕴崆霸陔娔X、遙控器上對航線進行規(guī)劃，明確航測紅線和分辨率要求，可將航測范圍紅線轉(zhuǎn)為KML格式導(dǎo)入遙控器，避免漏測重測。提前了解航測區(qū)域是否有限飛要求，預(yù)計需要起飛降落幾次，是否需要轉(zhuǎn)場更換起飛點。一般情況下，精靈4 RTK 1塊遙控器電池在非一控多機的情況下，可以支持4塊無人機電池的使用，即在額外配置遙控器和無人機電池時可以按照1∶4配比進行購買。

3.2 航測基本設(shè)置

對于不同地形地貌的林區(qū)而言，在遙控器上設(shè)置至少3個邊界點系統(tǒng)就會根據(jù)邊界點形成的閉合區(qū)域自動規(guī)劃出航線，此處邊界點的設(shè)置建議略大于實際需要的航測影像區(qū)域，特別是用于松材線蟲病的監(jiān)測調(diào)查和驗收時，可以及時發(fā)現(xiàn)管理區(qū)域周邊的松材線蟲病枯死木、林地侵占等風(fēng)險。可以根據(jù)閉合區(qū)域的形狀和當(dāng)時太陽所在位置等情況調(diào)整航線方向和起始點位置，以獲得最佳的拍攝效果和最高的作業(yè)效率。有條件可按照設(shè)想航測任務(wù)的高度試拍幾張照片，在筆記本電腦上查看實際效果(如使用大疆智圖可實時查看二維拼接效果)，防止在下午陽光強烈或陰天進行航測任務(wù)時圖像過度曝光或曝光不足，導(dǎo)致最終拼接成圖效果不佳。

根據(jù)當(dāng)次作業(yè)所在區(qū)域的地形圖，獲取該地區(qū)的地形信息，重點是獲取飛行區(qū)域中最高障礙物的高度。如對該航測區(qū)域不熟悉，建議先找到附近至高點或開闊地起飛拉高查看整個航測區(qū)域的基本情況，如果待測區(qū)域中有鐵塔、高壓電線等高出山體的障礙物，就要在自動航測高度和返航高度的設(shè)置上應(yīng)至少預(yù)留出30～50m的安全距離。特別需要注意的是，遙控器設(shè)置頁面的高度均為無人機起飛點的相對高度，實時海拔高度可以在RTK頁面中的三維坐標(biāo)下方看到。在地形圖上獲取的高度一般為海拔高度，要注意換算并考慮樹木和鐵塔等的高度，預(yù)留足夠的安全距離，以避免無人機自動返航或自動航測任務(wù)中遇到障礙物失聯(lián)或損壞。精靈4 RTK航測高度最高可以設(shè)置到500m，但作為林區(qū)航測任務(wù)，一般不建議超過365m，約GSD≤10cm/pixel，否則較難對目標(biāo)樹種、松材線蟲病等調(diào)查監(jiān)測工作進行高精度的辨析。

3.3 林區(qū)航測時注意事項

在不平整的場地，精靈4 RTK的機箱可以作為很好的起降平臺。由于山地森林植被茂密，有時選擇起飛點只能在林窗空隙中起飛，這時飛機的RTK較難連接，可以采用先關(guān)閉RTK，用GNSS模式起飛，起飛后再打開RTK即可。采用這種方式需要特別注意的是，精靈4 RTK在GNSS模式起飛的返航點記錄精度可能會有偏差，自動返航時應(yīng)通過相機圖傳等確定降落線路是否有障礙物，防止自動返航垂直降落的過程中由于無人機因記錄的起飛點與實際有偏差導(dǎo)致與樹冠等障礙物發(fā)生擦刮，如發(fā)現(xiàn)有偏移應(yīng)立即切換飛行模式為手動模式或取消自動返航，使用手機進行位置微調(diào)安全降落。

雖然精靈4 RTK與遙控器連接理論無干擾、無遮擋的有效距離是4～7km，但由于山體的遮擋和林區(qū)鐵塔等信號基站一般也建設(shè)在山頂，實際林區(qū)航測時受諸多因素的影響，特別是當(dāng)起飛點地勢較低、地形起伏較大時，建議盡可能尋找相對高度較高，地勢較開闊的地點作為起飛點，增加無人機的信號連接，避免中途信號失聯(lián)觸發(fā)自動返航，以減少轉(zhuǎn)場和起飛降落的次數(shù)，提升航測作業(yè)效率。另外，在無人機航測作業(yè)的過程中，要求機手實時關(guān)注無人機的電量、速度、高度、距離、姿態(tài)、作業(yè)完成度、信息提示等動態(tài)情況。在實施較狹長區(qū)域的航測任務(wù)時，注意讓遙控器天線的垂直切面跟隨無人機的行進方向以保持較好信號連接。在風(fēng)速過大的情況無人機需要消耗大量的電力維持自身平衡，此時應(yīng)就近利用擋風(fēng)障礙物盡快降低到安全高度并返航。航測區(qū)域高程相差較大時，應(yīng)使用仿地飛行模式進行作業(yè)，以獲得足夠重疊率的正射影像，但此法需要先使用攝影測量2D飛行1遍提取高程數(shù)據(jù)，效率有所降低。一般高程相差不大的區(qū)域，保證航測任務(wù)規(guī)劃航線高度大于或等于航測范圍內(nèi)最高物體的1.5倍，即可保證足夠的影像重疊率。

3.4 航測圖像數(shù)據(jù)成果處理

3.4.1 航測圖像的二維重建

二維重建對計算機的性能有一定要求，相同的計算機硬件配置建議使用大疆智圖軟件，與最常用的第3方軟件pix4d相比特點是安裝快捷，操作簡單，可進行航線規(guī)劃，實時二維重建，重建速度快，獲得的數(shù)據(jù)精度高，并支持影像基礎(chǔ)長度、面積、體積量測功能。另外，對于林區(qū)橫、縱重疊率分別為70%、80%的二維數(shù)據(jù)實際可以重建出3D模型，但側(cè)面因為沒有傾斜攝影的圖像作為基礎(chǔ)補充，圖像拉伸和變形嚴(yán)重。

3.4.2 二維正射影像成果的后期處理

雖然在大疆智圖內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)影像的量測功能，但林業(yè)應(yīng)用的主體還是將二維正射影像成果導(dǎo)入ARCGIS軟件中，將其與地形圖、森林二類調(diào)查成果進行配準(zhǔn)后疊加使用，用于二類調(diào)查結(jié)果的更正，結(jié)合實際情況對林班小班區(qū)劃的調(diào)整。在森林資源調(diào)查和規(guī)劃設(shè)計中經(jīng)常對目標(biāo)區(qū)域進行直接區(qū)劃和標(biāo)注，可視性好。

3.5 航測成果在森林資源調(diào)查和規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用

3.5.1 提高森林區(qū)劃精度和準(zhǔn)確度

傳統(tǒng)方法進行小班區(qū)劃時通常采用地形圖勾繪的方法，該方法需要使用者對地形圖的有關(guān)知識相當(dāng)熟悉，并具備較好的實踐經(jīng)驗。但即使是這樣，無論是使用對坡目測勾繪法還是走邊界勾繪法，傳統(tǒng)人工地形圖勾繪的誤差均顯著高于在高分辨率的二維正射影像圖和地形圖疊加后的成果圖上直接勾繪，傳統(tǒng)人工地形圖勾繪的作業(yè)效率和精度又遠(yuǎn)低于無人機的作業(yè)效率和精度。因為無人機獲取的二維正射影像分辨率高，可以直接在軟件上操作辨識山林湖田草等地類、林種、地形等細(xì)節(jié)信息，面積測算也比地形圖勾繪測算面積要精準(zhǔn)許多。對林業(yè)信息技術(shù)專業(yè)學(xué)生實訓(xùn)成果分析發(fā)現(xiàn)，采用無人機航測結(jié)果疊加地形圖結(jié)合ARCGIS軟件進行小班區(qū)劃的方法精度均符合要求，但使用傳統(tǒng)地形圖勾繪方法就有不少同學(xué)因為對地形不熟悉導(dǎo)致誤差在10%以上。

3.5.2 提高林業(yè)規(guī)劃設(shè)計等成果的可視性

無人機獲取影像成果的效率、精度和時效性是使用傳統(tǒng)衛(wèi)星高分辨率影像無法比擬的，無人機獲取的高分辨率正射影像具有很強的可視性和實時性。在營造林方面挖穴數(shù)、造林株數(shù)、成活株數(shù)的驗收，森林病蟲害枯死木的調(diào)查、定位、清理驗收，林窗分析、林相改造分析，森林資源林地征占用、林地侵占的調(diào)查核實取證，森林資源、生物多樣性保護和森林旅游宣傳片的拍攝，前后多次航測成果的疊加對比等應(yīng)用，均直接使用無人機航測成果。

4 討論

在林區(qū)無人機飛丟后非常難以找回，即使找到其所在樹冠上方的具體位置，在公益林等采伐限制區(qū)域也難以將其取回。雖然目前大疆推出的DJI CARE隨心換全方位意外保障計劃中已包含飛丟險，但購買保險的持續(xù)性投入費用和報險時需要提供的置換費用，對于國有林場等國有單位來說仍在財務(wù)制度上存在諸多不便，因此前期的培訓(xùn)投入費用實際十分有必要。由于不少未經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)的機手在林窗下起飛時仍然使用自動返航模式，在降落時如果不留意觀察及時干預(yù)轉(zhuǎn)為手動操作，就極易出現(xiàn)飛機降落在附近林冠上導(dǎo)致?lián)p失。

目前，無人機電池續(xù)航問題仍是影響無人機在各個行業(yè)領(lǐng)域深入應(yīng)用的主要限制。在當(dāng)前電池容量密度未有突破進展之前，已有學(xué)者開發(fā)并應(yīng)用精靈4系列無人機電池充電的移動充電柜，實現(xiàn)在短時間內(nèi)快速、安全地對電池進行充放電操作[8]。未來電池的問題如果得以解決，更多影響航測效率的將是圖傳和無人機遙控器信號連接的限制，期待這方面的技術(shù)問題也能夠得到突破，進一步大幅提升航測的效率。

目前，多旋翼無人機由于電池等多方面原因?qū)е鹿ぷ鳒囟鹊南拗埔?10～40℃居多，-10℃以下的多旋翼航測應(yīng)用機型很少，對于北方林區(qū)冬季應(yīng)用的市場仍然是一個較大的空白，有較大的應(yīng)用前景。