摘要:林業外業工作由于其工作量大，費時費力的特點，在信息技術飛速發展的今天，迫切需要引進當代的先進科技，其中無人機遙感就是近年來在林業工作中逐漸被重視起來的技術之一。本文介紹了利用無人機遙感進行林業面積核查的方法，并對其關鍵技術的研究現狀進行了分析與論述，最后提出利用無人機遙感進行林業面積核查的研究應從相機標定與圖像區域提取兩個方面著手，改進算法，以提高精度。

　　關鍵詞:無人機遙感;相機標定;區域提取

　　無人駕駛飛機(unmannedaerialvehicle，UAV)，簡稱無人機，是一種有動力、可控制，能攜帶多種傳感器，并能重復使用的無人駕駛航空器。具有靈活性高、成本耗費低、可重復使用且風險小等諸多優勢。面積量測是森林資源調查與核查中的一項基礎性工作，使用怎樣的工具、方法進行面積量測，量測的結果等直接影響著森林資源調查、監測工作所采用的手段、方法及其功效。同樣地，面積量測的精度又直接與森林資源調查監測結果的精確性和可靠性密切相關。傳統的林地面積的核查，可以根據實地條件選擇一定的應用設計方法，對此可探討分述如下。

　　(1)GPS現地測定法。

　　在林地現場使用全球定位系統(GPS)對小班進行相關數據采集，通過獲得的特征點地理坐標計算小班面積的一種技術方法。這種方法能夠較準確地獲得地塊的實際面積，測量儀器便于攜帶，工作效率高，價格方便。但該種方法面臨的主要就是GPS系統的誤差，因此選用不同型號與精度的GPS，其測量精度會有較大的差別。

　　(2)利用地形圖目視勾繪法。以林地現場的“地性線”和明顯的地物地標作為控制，與資產清單中所附的森林資源調查基本圖或林相圖進行對比核驗，判斷實際地塊與地圖上的小班線是否吻合。如發現錯誤，則標記在原基本圖或林相圖上，并在原圖上做出正確的修改，劃出實際的小班界線。對外業調查得到的相關數據進行內業處理與求解，通常是使用求積儀或網點板來運算得出小班的核查面積。此方法是傳統的林業數據調查最常用的方法，其精度容易受到調查者判斷的主觀因素影響，且操作繁復，內業工作量大。

　　(3)利用羅盤儀測量法。核查時，在沒有適合的地形圖或者GPS等儀器設備的情況下，則采用傳統的羅盤儀導線測量方法。此方法取得的精度較高，且理論上不受人為因素的影響，比較適用于小面積的地塊測量。上述的傳統林地面積核查方法均需要外業工作者親身去到林地現場，對一些地形比較復雜，危險性比較大的林地，傳統的核查方法往往存在著較大的局限性。而大多數的航天遙感數據，其空間分辨率不能滿足高精度調查的要求，有的高分辨率圖像受天氣影響也不容易獲取;有人駕駛航空遙感對小區域來說又不經濟。

　　而由于無人機遙感具有的靈活性高、成本低、風險小等優勢，正好能夠彌補上述核查方法所存在的缺點，且已成為當前學界的潮流研究方向。利用先進的無人機遙感技術對指定地塊進行面積測量，旨在達到面積核查的目的，并且可以方便地根據飛行任務的需要設計區域、航線、高度等。為了幫助林業工作者更快、更準確地完成林業資源地塊面積核查工作，研究探索一種基于無人機相機標定照片，對指定地塊進行面積測量和定位的方法具有一定的實際意義，這種方法可以減少林業核查工作的工作量，降低成本，減少內業處理時間，同時也消減了林業核查工作可能出現的危險性，在一定程度上保障林業工作者的安全。該方法主要通過使用相機標定方法對無人機照片進行畸變校正，運用圖像邊緣識別的處理方法分割提取圖像區域，最后通過圖像分辨率與無人機航高、傳感器像元尺寸間的比例換算計算結果。

　　1無人機遙感在林業中的應用

　　近年來，無人機技術越來越迅速地發展起來，原本僅在政府重要部門得到應用的無人機越來越多地擴展到市場中，由于其所具有的各項優勢，如何更好地利用無人機，使其作為數據和信息快速準確的獲取工具這一問題也逐漸地在各個行業中得到重視。目前，隨著國內現代科技的迅猛發展，無人機和無人機技術在日常林業工作中的涉足領域也在增加，這一先進技術的普及對于林業工作者的工作效率的提升，成果精度的提高，人力物力的節約上，起到高效積極的推進作用，同時這也表明無人機在林業工作中的應用具有長足的優勢和廣闊應用前景。

　　無人機遙感技術主要通過航空攝影測量來獲取測繪所需要的空間數據，通常使用無人機在待測量區域上空，按照航測任務的要求設定航高和航向、旁向重疊率進行軌跡飛行，對采集到的航空相片進行處理，生成正射影像圖，再進一步結合內業處理以得到面積、矢量圖等相關信息。無人機航測具有靈活性高、適應高危地區的探測、成本較低、獲取圖像細節豐富等鮮明優勢，是衛星遙感與有人機航空遙感的有力補充。國內方面，許多學者針對無人機在林業調查、大比例尺作圖等林業工作中的應用進行了深入研究。

　　馬瑞升等人[1]分析遙感影像的幾何變形特點后，在拍攝時使用了垂直攝影法，將獲取的無人機影像用于相機標定并建立了誤差糾正模型;使用大比例尺地形圖作為底圖，通過同名點配準糾正航攝影像，全過程不使用外方位元素，最終影像經實際檢驗，單點定位平均誤差為1.0m左右，且基本沒有角度變形。李宇昊[2]借助無人機遙感技術成功實現造林地面積獲取、造林成活率計算、樹種辨認、株樹密度計算、林齡的確定以及對造林地進行定位等，大大提高了林業調查技術水平。

　　李克等人[3]使用無人機進行了地塊面積量算的實驗，對比傳統的航測方法和不使用正射影像，直接對普通影像進行矢量化的計算方法，結果表明前者具有雖然更高的精度，但往往需要更多的時間和更高的技術要求;后者在耗時更短、操作更容易的基礎上，也能夠達到5%以內的相對誤差，但只適用于區域較小，獨立成塊的面積估算，并且依然需要對實地進行測量以獲取矢量化圖像的比例尺大小。國外方面，無人機遙感在林業中的應用研究，其聚焦點主要在于通過無人機影像進行樹冠識別和樹高測定等方面。

　　Zarco-tejada等人[4]使用無人機搭載RGB三色彩通道數碼相機，采用三維自動重建方法生成DSM估測出樹高值。Paris等人[5]使用低密度機載LiDAR結合高光譜影像，基于三維模型的方法，將2種數據結合易于檢測、且可直接確定單木樹冠，通過改進K最近鄰域法檢測剩余的樹冠，最終估測出樹高值。Jing等人[6]改進了一種多尺度分割影像的方法，首先確定樹冠區域的大小，然后將經高斯濾波器過濾后的灰度影像，使用分水嶺算法分割樹冠，驗證結果表明該方法可以得到高質量的樹冠圖。Mathews[7]使用搭載數碼相機的無人機，采集葡萄園的影像數據來生成正射影像，分割樹冠提取面積，采用NDVI反演得出郁閉度。

　　2相機標定方法

　　相機標定實質上是將相機內部的參數計算出來的過程，在過往的研究當中，將相機標定分成傳統相機標定方法、主動視覺相機標定法與自標定的方法三種。其中，傳統相機標定方法適用于大多數情況，標定精度較高，但缺點是過程比較復雜，而且要求獲取高精度的標定物結構信息;主動視覺的標定方法可以通過線性的數學方程進行求解，魯棒性高，但其缺點是要求獲取相機的角度、移動距離、方向變化等具體的運動信息，而且當相機運動的相關數據不能被精確掌握時存在劣勢;自標定方法通過將拍攝的各個圖像之間進行點對點的對應來實現參數的計算，具有很強的靈活性，但缺點是相對于前兩種方法來講魯棒性比較低。

　　何海清等人[8]利用穩健估計平差法參與標定過程，將由線性成像模型計算出的旋轉、平移矩陣代入畸變模型當中，消弱鏡頭畸變，引入穩健抗差估計算法，從驗后方差中迭代選權求解其它參數，削弱角點檢測算法帶來的粗差。陳啟晟等人[9]使用特殊的紅綠點編碼板，通過自檢校光束法進行平差，不需要進行角點識別，可直接利用已經編碼的控制點進行坐標變換，計算參數。劉陽等人[10]根據仿射變換，找到圖像之間的若干個對應的點，通過最小二乘法估算得到內參與外參。

　　張正友相機標定法[11]通過標定棋盤格平面數據和圖像數據計算圖像與標定板間的單應性矩陣來約束相機的內部參數，求解單應性矩陣得到內、外參矩陣。解決了傳統標定法對標定物精度的要求比較高的問題，在標定時僅需使用一個打印出來的棋盤格，同時相對于自標定而言，提高了精度，便于操作。許多學者在張正友標定法的基礎上進行了深入的研究。

　　劉艷等人[12]為了對畸變較大的魚眼鏡頭進行校正，將張正友標定法進行了改進，變成了一種兩步標定法，在原來方法的基礎上引入了非線性的最小二乘法，提高了魯棒性。劉楊豪等人[13]則提出一種適用于單目標定，基于共面點進行非線性計算的方法，用以獲得相關參數，最終不僅提高了標定精度，而且增加了標定速率。鄒建成等人[14]簡化了張正友標定方法，將其改進成為一種更為簡單的5點標定算法，同時也提高了標定精度。

　　3圖像區域提取

　　圖像區域提取是指通過一定的圖像處理方法，將圖像中某個連續的具有顯著特征的目標區域完整單獨地提取出來，以便于后續的進一步計算。這一整個提取的過程中包含圖像的邊緣識別和分割兩個具體的步驟。Matlab中對于邊緣的檢測算法有很多，例如Roberts、Sobel、Laplace、LOG等算子，這些算子簡單、易于實現，但卻對影像中的噪聲非常敏感，實際應用中效果并不理想。

　　與上述的邊緣檢測算子比起來，Canny算子的運算結果信噪比大、檢測精度高，從而在一般的圖像邊緣檢測與識別算法中被普遍使用。圖像分割方面的大多數算法都是將相似或者連續的灰度值作為分割基準的。基于灰度值連續性的算法檢測灰度值發生突變的區域，并以這些區域為基礎分割一幅圖像，如圖像邊緣分割。

　　基于灰度值相似性的算法是根據事先定義的準則將一幅圖像分割為各個相似區域，如閾值處理、區域生長、區域分裂和區域聚合都是基于這種方法形成的。現階段，圖像的邊緣識別與分割技術已經非常成熟，許多國內外學者都已經做了深入的研究。李二森等人[15]在Canny邊緣檢測過程中提出一種在像素8鄰域內計算x方向和y方向一階偏導數有限差分的方法，兼顧了梯度幅值計算過程中邊緣定位和抑制噪聲的要求。

　　王靜等人[16]分別基于遙感圖像區域的形狀輪廓和紋理特征對遙感圖像進行了區域提取分析，比較發現2種方法各有優劣，兩者之間可以互相補充。國外對于圖像區域提取的研究起步很早，早在20世紀60年代中期，Prewitt就提出了基于雙峰直方圖的閾值區域分割法，將2個峰值之間的谷值設置為分割閾值，以此分割圖像，該方法計算簡單、且抗噪聲性能較好。Angulo等人[17]最早通過分裂合并的方法實現圖像區域分割，此方法能夠適用于復雜的圖像，但計算量比較大。

　　4結束語

　　本文對日常的林業工作中面積核查的傳統方法與無人機測量方法進行了比較，發現無人機遙感在林業中的應用具有較高的推廣和普及價值，對于未來林業現代化的發展進程有著重大的意義。探討了基于無人機相機標定的地塊面積測量方法，對該方法的關鍵技術研究進展做了分析與論述。研究認為利用無人機進行地塊面積核查的方法具有現實意義，其中相機標定與圖像區域提取兩方面是該方法的核心內容，為了使該方法的測量結果能夠更趨精確，需要針對相機標定方法與圖像區域提取方法進行設計改進。相機標定方法的研究應以高靈活性和高魯棒性為目標，而圖像區域提取方法的研究應以高精度和高效性為目標。

　　參考文獻

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　　相關刊物推薦：《價值工程》創刊于1982年，是經國家新聞出版總署批準公開發行的經濟綜合性專業學術期刊，具有國際國內雙刊號，國際刊號ISSN1006-4311國內刊號CN13-1085/N)，郵發代號：18—2，主管單位：河北省科學技術協會，主辦單位：中國技術經濟研究會價值工程專業委員會、河北省技術經濟管理現代化研究會。