無人機遙感技術(shù)在林業(yè)資源調(diào)查中的應(yīng)用研究

韓 帥

(山西省關(guān)帝山國有林管理局林業(yè)調(diào)查設(shè)計隊,山西 呂梁 033000)

我國幅員遼闊,林業(yè)資源蘊量豐富。森林不僅發(fā)揮著水土保持、調(diào)節(jié)生態(tài)平衡等功能,而且可以為人類生存提供物質(zhì)基礎(chǔ)。因此林業(yè)資源的調(diào)查與監(jiān)測逐漸成為國際上廣泛探討的焦點話題,世界各國均為滿足林業(yè)資源的長期監(jiān)測與評估做努力,尤其是生態(tài)環(huán)境建設(shè)任務(wù)繁重的我國,加強林業(yè)資源調(diào)查力度,促進(jìn)林業(yè)資源的可持續(xù)經(jīng)營,日益成為我國生態(tài)建設(shè)方面的首要任務(wù)。由于林業(yè)資源具有可再生的特點,其空間分布情況受自然環(huán)境以及人類活動等因素的制約,所以在調(diào)查我國林業(yè)資源時,需要以維持林業(yè)資源的可持續(xù)經(jīng)營為前提條件。林業(yè)資源調(diào)查,不僅可以掌握各類植物資源的數(shù)量及分布情況,而且可以摸清各類植物的消長變化情況,是實現(xiàn)林業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的基礎(chǔ)保障。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省呂梁市,西隔黃河和榆林相望。呂梁市國土面積約為3171萬畝,其中林業(yè)資源用地面積占據(jù)66%,自然資源得天獨厚,樹種資源較為豐富,不僅具有鄉(xiāng)土樹種,而且種植很多由外地引入的新樹種。十八大以來,呂梁市大力推動生態(tài)建設(shè),開啟人與自然和諧共生的美麗新畫卷。在此期間,首先需要對呂梁市林業(yè)資源現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查,重點查清林業(yè)資源的空間分布狀況及消長情況。

2 調(diào)查方法

2.1 采集林業(yè)資源無人機遙感影像

主要利用無人機遙感技術(shù)[1]來調(diào)查研究區(qū)內(nèi)林業(yè)資源的分布及消長情況,首先需要通過無人機采集林業(yè)資源的遙感影像數(shù)據(jù)。研究采用旋轉(zhuǎn)翼無人機,該無人機可以垂直起飛并降落,具有一定懸停能力,適用于林業(yè)資源調(diào)查中。因為無人機的承重能力較差,采集林業(yè)資源遙感影像時,需要搭載質(zhì)量較輕的傳感器,綜合考慮呂梁市林業(yè)資源的實際情況,選用多光譜傳感器,其相關(guān)參數(shù)如下表所示:

表1 無人機搭載傳感器參數(shù)表

為避免水面陽光反射以及河岸陰影等因素對遙感影像數(shù)據(jù)精度的影響,每日于清晨或傍晚時刻進(jìn)行林業(yè)資源采集工作[2]?？刂茻o人機于8 m/s的航速、380 m的航高飛行在呂梁市上空,共獲得153景有效的;林業(yè)資源遙感影像,每景影像對應(yīng)的林業(yè)資源面積約為180942 m2。

2.2 精加工處理遙感影像

利用無人機采集的研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)[3],主要描述空間地理位置,所以影像上會存在一定幾何變形誤差,在利用遙感影像分析林業(yè)資源空間分布情況之前,需要通過精加工處理來糾正遙感影像的幾何變形誤差。林業(yè)資源遙感影像經(jīng)加工處理主要分為兩個步驟:將影像上各像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地圖坐標(biāo),對影像上各像素值亮度進(jìn)行重采樣。具體流程如下:首先準(zhǔn)備好本次調(diào)查所需的研究區(qū)林業(yè)資源遙感影像,將其以規(guī)定格式輸入專門的計算機中;然后利用多項式糾正法,進(jìn)行遙感影像坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,表達(dá)式如下所示:

(1)

式中,(X1,Y1)表示林業(yè)資源遙感影像上像素點坐標(biāo);(X0,Y0)表示林業(yè)資源遙感影像上同名像素點的地圖坐標(biāo);(αn、βn)為多項式系數(shù),由林業(yè)資源遙感影像的變性參數(shù)決定。每一張遙感影像的坐標(biāo)變換,都需要根據(jù)影像需求的不同來設(shè)置不同的多項式項數(shù)。最后對像素坐標(biāo)變換后林業(yè)資源遙感影像灰度進(jìn)行重采樣[4],由于原始的遙感影像陣列中不存在現(xiàn)成的灰度值,所以通過最鄰近像元采樣法將各像素點位的灰度值貢獻(xiàn)累計起來,從而形成新的灰度值,表達(dá)式如下所示:

h=C(X1,Y1)

(2)

式中:h表示林業(yè)資源遙感影像像素的采樣灰度值;C(X1,Y1)表示采樣函數(shù)。該方法可以最大限度上保留原始遙感影像的輻射值,避免造成調(diào)查誤差。然后將經(jīng)過上述步驟精加工處理后的影像輸出,即可獲得消除幾何誤差的林業(yè)資源遙感影像。

2.3 提取林業(yè)資源信息

為實現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)林業(yè)資源高效、實時的統(tǒng)計分析,基于遙感影像提取出有效的林業(yè)資源信息,突破傳統(tǒng)林業(yè)資源調(diào)查工作勞動強度大的局限性[5]。一般情況下,健康的植被表面會出現(xiàn)紅邊現(xiàn)象,主要由近紅外波段反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了紅光波段反射率所造成的,所以可以通過多波段觀測數(shù)據(jù)計算出的植被指數(shù),來描述林業(yè)資源中各植被消長情況,其計算公式如下所示:

(3)

式中:R表示林業(yè)資源中植被靈敏指示指數(shù),該指數(shù)和林業(yè)資源的生物量、葉綠素含量等參數(shù)存在直接關(guān)系,所以可以通過該指數(shù)來評價研究區(qū)內(nèi)林業(yè)資源的覆蓋度、郁閉度等;V表示林業(yè)資源中植被消長情況的最佳指示指數(shù),該指數(shù)和林業(yè)資源的植被覆蓋度等參數(shù)存在直接關(guān)系,所以可以通過該指數(shù)來評價研究區(qū)內(nèi)林業(yè)資源的生物量等;λ0表示近紅外波段的反射率參數(shù);λ1表示紅光波段的反射率參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)林業(yè)資源信息和光譜數(shù)據(jù)的時序特征之間的聯(lián)系,引入經(jīng)驗統(tǒng)計模型來提取各類林業(yè)資源信息。經(jīng)驗統(tǒng)計模型主要分單變量與多變量這兩種類型,綜合考慮研究區(qū)林業(yè)資源遙感影像的光譜指數(shù),研究選用單變量的指數(shù)模型進(jìn)行林業(yè)信息資源的提取,具體流程如下:首先通過多重回歸分析來診斷遙感影像中提取的林業(yè)資源信息植被指數(shù)之間的共線性,并確定植被指數(shù)之間的主成分表達(dá)式;然后對植被指數(shù)的主成分進(jìn)行回歸分析;最后根據(jù)林業(yè)資源信息和植被指數(shù)主成分的關(guān)系,獲得二者之間的回歸方程,也就是指數(shù)經(jīng)驗統(tǒng)計模型,使用該模型提取出遙感影像中的有效林業(yè)資源信息。

3 調(diào)查結(jié)果

3.1 林業(yè)資源空間分布狀況

在上述所得林業(yè)資源信息的基礎(chǔ)上,進(jìn)行空間分布狀況及消長情況的分析,首先使用分布指數(shù)來衡量該研究區(qū)內(nèi)林業(yè)資源的空間分布狀況,表達(dá)式如下所示:

(4)

式中:F表示林業(yè)資源空間分布指數(shù),用于描述各地形因子等級下林業(yè)資源的分布特征,式中設(shè)置了縮放系數(shù)s0/s1,可以避免林業(yè)資源空間分布特征受面積影響,也就是林業(yè)資源中分布面積較小的植被特征也可以反映出來;s0表示整個林業(yè)資源區(qū)域的占地面積參數(shù);sn表示n級地形因子下的林業(yè)資源占地面積參數(shù);sm表示n級地形因子下第i類植被占地面積參數(shù);si表示林業(yè)資源中第i類植被占地面積參數(shù)。所求林業(yè)資源空間分布指數(shù)的數(shù)值越大,代表著該類植被的占地面積越大。由于不同海拔高度下的空氣濕度以及溫度等因素各不相同,所以高程是影響林業(yè)資源空間分布狀況的關(guān)鍵指標(biāo),主要分析了不同高程下林業(yè)資源的分布情況。那么,對研究獲得林業(yè)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,獲得如下圖所示的植被類型空間分布情況:

由圖1可知,在海拔300 m以下,該研究內(nèi)的喬木林地、灌木林地、竹林地、疏林地之間分布指數(shù)差異不大,均在10～14之間,說明海拔0～300 m是林業(yè)資源空間分布的主要區(qū)域。當(dāng)海拔高度超過300 m時,喬木林地、灌木林地與疏林地分布指數(shù)均呈下降狀態(tài),直到穩(wěn)定于2～4之間,而竹林地在海拔300 m以上空間分布指數(shù)變化不大,說明海拔高程700 m以下均是竹林地分布的優(yōu)勢區(qū)域。

圖1 林業(yè)資源中各植被類型空間分布指數(shù)圖

3.2 林業(yè)資源消長情況

根據(jù)本研究所得林業(yè)資源數(shù)據(jù),統(tǒng)計并分析該研究區(qū)在2015～2020年期間,林業(yè)資源消長情況,結(jié)果如下表所示:

由表2可知,在2015～2020這6年期間,喬木地、疏林地以及竹林地的覆蓋率分別增長了10.75%、9.56%、11.19%,主要是因為呂梁市響應(yīng)國家政策,全面展開了林業(yè)資源建設(shè)項目,越來越多的農(nóng)耕地轉(zhuǎn)化為新造林地,同時嚴(yán)令禁止了違規(guī)林地的占用,降低了林業(yè)資源的流失,所以有效提升了喬木林地、疏林地以及竹林地的覆蓋率。而灌木林地的覆蓋率降低了5.88%,主要因為近些年來,呂梁市很多村鎮(zhèn)工人為適應(yīng)社會發(fā)展,選擇外出務(wù)工,導(dǎo)致鄉(xiāng)村灌木植被因無人管理而相對減少,很多灌木林地逐漸被其他類型的植被所覆蓋

表2 林業(yè)資源中各植被類型消長情況

4 結(jié)束語

林業(yè)資源對改善生態(tài)環(huán)境、維持生態(tài)平衡具有重要作用,所以對林業(yè)資源調(diào)查進(jìn)行了深入研究,引入無人機遙感技術(shù),目的在于降低傳統(tǒng)地面測量作業(yè)的勞動強度,利用無人機實現(xiàn)林業(yè)資源的大范圍、高效率采集工作。在此基礎(chǔ)上,于無人機遙感影像中提取出有效的林業(yè)資源信息,進(jìn)一步統(tǒng)計分析出林業(yè)資源的空間分布狀況及消長情況。總之,無人機遙感技術(shù),成功降低了傳統(tǒng)林業(yè)資源調(diào)查方法的作業(yè)強度,并提升了調(diào)查效率。