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無人機與GIS應用
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無人機與GIS應用

作者:    發布時間:2022-10-08 

無人機遙感技術是當前的前沿測繪技術,相對于傳統的手工勾圖、GPS軌跡測量、衛星地圖軟件有較大的優勢[1]。林業測繪工作的準

確性與全面性得到了保障,這不僅推動了林業測繪行業的發展,并且加快了無人機技術的推廣應用。

1 無人機遙感技術測繪的優勢

測繪圖像的獲取與處理:通常在使用無人機測繪時,需要明確測繪林業區的路線,并且在開闊的環境進行試飛。試飛無誤后,工作人員應一時間做好像控工作,這樣無人機在林區測繪工作就可以得到保障。無人機遙感技術在測繪時,借助GPS定位系統可實現定位,產生坐標系統與高程系統,并且可以自動改變測繪圖像的比例尺與分辨率,確保了在空中測繪時,借助三維模型以及高像素,確保測繪攝像較高的清晰度與辨識度,可以幫助工作人員快速獲取工程測繪影像。在林業區測繪時,因為無人機遙感技術的像控點靜度與DOM精度高,可實現林業區死角以及較為隱蔽的地方測繪。

2 無人機應用于林業測繪的技術路線

2.1無人機系統及作業過程

使用大疆精靈4P無人機,系統由無人機飛行平臺、飛行控制系統、微型單反相機系統和地面控制APP:DJI GS PRO組成。無人機飛行平臺軸距350 mm,起飛重量1 388 g,衛星定位系統為GPS/GLONASS雙模。飛行控制系統主要控制和穩定無人機的起飛/著陸、飛行高度、航向和姿態。所配備微單相機為1英寸CMOS、有效像素2 000萬像素,大可以拍攝分辨率5 474×3 648的RGB照片。地面控制APP:DJI GSPRO的主要功能有飛行速度、航線規劃與上傳、圖像重疊率、拍照角度等多個參數設置。多旋翼無人機具有續航時間長、飛行速度快、飛行效率高、穩定安全、飛行靈活等優勢,適合復雜山地環境的航拍作業。航攝在2018年3月8日進行,試驗當天晴天,風速較小,適合無人機航拍作業。規劃飛行航線時,設置航向重疊率為80%,旁向重疊率為80%,保證后期數據處理精度。將預設航線導入飛行器,以55 km·h-1的速度飛行90 min(五個架次),拍攝高度約490 m。獲取JPEG格式的真彩色影像1 300張,空間分辨率為0.1 m,有紅、綠、藍3個波段,2 000萬像素。

2.3 影像處理

采用俄羅斯無人機數據處理軟件AgiSoft PhotoScan進行影像處理。它根的多視圖三維重建技術,基于影像自動生成高分辨率正射影像及帶精細色彩紋理的數字高程模型。帶有空間參考坐標的數據產品可直接測量,為研究者帶來了極大的便利,目前已廣泛應用于林業調查、考古等行業。主要處理流程為:檢查無人機影像,篩選掉航線拐角處重疊度過大、姿態角過大、成像效果較差的影像;輸入影像及姿態數據,自動空三,正射校正,圖像拼接。完成處理后,裁剪影像獲取研究區的高分辨率正射影像

2.4 GIS界線勾繪并計算面積

把帶有坐標的正射影像圖加載至美國公司ESRI專業地理信息系統軟件ArcGIS中,進行林地范圍內有林界線勾繪。由于無人機高分辨率影像有著豐富的空間結構信息和清晰的紋理細節信息,能準確表達對象的表面紋理、內部結構、形狀面積和空間關系等,可以準確地勾繪出林權界線范圍內的實際有林范圍,并在ArcGIS屬性里面計算出面積。

3 傳統林業測繪方法介紹

3.1 手工勾圖

手工勾圖是一種早期的林業測繪方法,在測繪過程中,需要測繪員進入林業區,觀察真實地形,以特定的要求以及比例尺,在方格子畫出界限,通過比例尺,大概計算出所測繪林業區的面積[2]。手工勾圖所得到的測繪結果通常與實際值具有較大的差距,主要是因為a以下兩點。1)人為操作導致的誤差。測繪人員在具體操作過程中,因為自身工作經驗與個人職業素質會導致誤差,并且在測繪過程中通常是測繪人員按照自身主觀經驗判斷分析,數據的準確性無法保障。手工勾繪,測繪人員需要足夠責任心,對全面山林進行觀察,憑借自身長期積累的經驗,才畫出準確的界線。2)客觀因素。測繪獲得的地形圖在經過復印之后,會發生一定程度的變形,從而導致尺寸發生變化。手

工勾繪測量面積,存在部分山溝未觀察到位,存在誤差。專業技術人員對該林地進行兩天的實地勾圖,外業總共花費兩天時間,內業花費一天時間來對比照片與地形圖偏差。

3.2 GPS軌跡測繪

GPS軌跡測繪需要測繪人員攜帶GPS在林區邊界走一圈,但在行走的過程中,可能會出現行走困難。在行走的過程中,要求測繪人員對地形邊界有一定的了解,否則會走出界限或者不到位。在行走的過程中,測量至部分山溝處,GPS會短時間失去定位信號,而造成定位誤差。GPS信號容易受到外界因素的干擾,在林區通常信號不強,此時GPS定位功能無法有效發揮,從而導致出現較大的誤差[3]。試驗區面積廣闊,地形復雜。林地有4年沒有經過撫育,植被茂密,雜草叢生,林地的界線經過山脊、山溝,使用手持GPS環繞林地外圍界線測量,難度大,花費時間多,操作人員也容易受傷。由于試驗區的林地面積較大,只安排兩個技術人員手持GPS,繞部分林地行走,繞測了大概27 hm2,需要兩個人行走一整天。

3.3 在線衛星地圖軟件測繪

在線衛星地圖是一種融合多個地圖軟件功能為一體的軟件,目前人們經常使用的奧維衛星地圖就是把谷歌、百度、搜狗等地圖融為一體。這些地圖軟件的更新需要衛星影像供應商去修改,而地圖更新慢會對林業測繪產生一些誤差。此外,在使用的過程中還會遇到無法出圖的現象。通過該林地的KML數據,在國外的衛星照片網站查詢歷史存檔數據,該林地的新衛星照片是在2018年1月17日,分辨率只有0.5 m。購買存檔衛星圖片,每張少5 km2,RGB衛片,單價550元/km2,購買衛片需要2 750元。衛片的網站同時提供即時衛片編程拍照、購買服務,可以對特定林地進行拍照,數據提供需要90天時間,并且編程拍攝一次少需要訂購100 km2。

4 傳統測繪與無人機遙感技術對比

從效率來看,GPS軌跡測量低,測量200 hm2林地,需要兩個工人輪流手持GPS行走5天時間;傳統手工勾圖需3天時間、衛星圖片勾圖只需要1天時間、無人機航測需要2天時間。從技術角度分析,手工勾圖與無人機技術要求高,其次為GPS軌跡測量,后是衛星圖片勾圖。從成本角度分析,手工勾圖與無人機遙感技術成本高,其次為衛星圖片勾圖、后為GPS軌跡測量。

5 結語

無人機作為一種高效的檢測技術,特別是在林業區測繪時,不僅提高了工作效率,并且降低了測繪誤差,解決了林業區測量行走困難、信號干擾等問題,確保了林業區測量工作高效完成。希望通過對無人機遙感技術在林業測繪工程的應用分析與介紹,可以促進無人機遙感技術的發展。


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