无人机航拍正射影像与ArcGIS分析在造林管理中的应用

张威伦

紫金县林业技术推广站，广东 紫金 517400

0 引言

2023 年，广东省大力推动绿美广东生态建设，重点建设林分优化、林相提升下的森林质量精准提升造林工程，森林质量精准提升的关键就是造林管理的提质增效。目前，广东省主要采取人工现地管理调查方式进行造林管理，这种方式依赖传统等高线地形图和卫星遥感图［1］。但由于生成年份较早，地形图中的部分地形地貌与实际差别较大，已不适应于新形势下的造林管理工作；卫星遥感图存在遥感影像更新不及时、影像分辨率低，且在复杂地形、云层遮挡下存在遥感影像成像效果差等问题，尤其考量使用者的看图功底。

利用无人机航拍进行造林外业数据采集，具有成本低、时效性强、分辨率高等优点［2］。将外业采集回来的正射影像数据通过DJI Terra 处理与ArcGIS 平台分析，可对造林种植边界、种植面积完成率、造林树种符合性及造林成活率等实现科学分析，特别是可对复杂地形的外业数据进行采集与分析，不仅让外业管理调查工作者安全风险大为降低，更是实现了数据采集与分析的高质高效，切实提升了造林管理成效。

此次试验以紫金县2023 年森林质量精准提升造林工程为样地，探究使用无人机低空遥感技术与Arc-GIS平台开展造林管理工作的可行性和实用性。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 设备

此次试验所使用的无人机型号为大疆DJI Mavic 3E 行业版。Mavic 3E 的机械快门最快可实现0.7 s 间隔连拍，配合15 m/s 的高速飞行，可大幅提升作业效率。此外，相机单像元尺寸大，在暗光环境下作业依旧能保证作业质量，可延长单日作业时间。Mavic 3E 不仅支持实时动态（Real-Time Kinematic，RTK）厘米级定位，且相机出厂时均会进行内参标定，即每张照片都会写入准确的内参，确保数据处理环节的成果精度。

1.1.2 软件

此次试验所使用的软件有大疆DJI Pilot 2、大疆DJI Terra、ArcGIS10.8。大疆DJI Pilot 2 用于无人机航线规划，大疆DJI Terra 用于外业采集数据二维重建生成整图，地理信息处理平台软件ArcGIS10.8 用于造林种植边界、种植面积完成率、造林成活率及造林树种符合性分析。

1.1.3 试验样地概况

紫金县（东经114°40′～115°30′、北纬23°10′～23°45′）位于广东省东中部、河源市东南部，地形以山地、丘陵为主，其中山地、丘陵面积占全县总面积的84.0%（其中山地占79.9%，丘陵占4.1%），河谷、盆地、水域占16.0%。紫金县地势东高西低，南北两面山峦重叠、地势较高，中部较低并向东西两翼倾斜，形成不太对称的马鞍形。根据广东省森林资源更新管理“一张图”数据更新汇总结果，截至2021 年，紫金县森林覆盖率为76.71%。

紫金县2023 年森林质量精准提升造林工程设计总面积为2 402.0 hm2，包括紫城镇433.7 hm2、中坝镇249.7 hm2、敬梓镇115.0 hm2、水墩镇122.5 hm2、龙窝镇192.9 hm2、瓦溪镇286.7 hm2、九和镇26.7 hm2、蓝塘镇449.5 hm2、凤安镇124.9 hm2、好义镇114.2 hm2、上义镇128.8 hm2、黄塘镇66.7 hm2及义容镇90.7 hm2。此次研究选取瓦溪镇286.7 hm2的正射影像图进行研究分析。

1.2 外业数据采集

1.2.1 大疆DJI Pilot 2参数调校

此试验使用的航拍软件为大疆DJI Pilot 2。拍摄前，开启大疆DJI Pilot 2 安全返航和避障功能（保证无人机执行飞行任务时出现意外情况能够安全返航），航线规划选择相对飞行高度模式。航线高度设置根据拍摄造林地图斑及拍摄者所站位置而定，如在图斑山脚则根据图斑最高海拔加高50 m 进行拍摄，如在山顶则根据最高障碍物高度加高30 m 进行拍摄。被摄面相对起飞点高度根据航线高度设置和被拍摄造林地的精度而定，两者设置距离越近则精度越高，但所需时间也越长。造林地图斑拍摄面相对起飞点高度距航线高度在90 m 以内，可达到此次试验精度要求。航线规划距离根据地形情况进行调校，在地形复杂且干扰障碍较多情况下最远直线距离不宜超过1.0 km，在地形相对简单且干扰障碍较少情况下最远直线距离不宜超过1.5 km。重叠率是影响后期模型重建效果的关键因素之一，大疆DJI Pilot 2 默认的航向重叠率为80%，旁向重叠率为70%，此重叠率适用于大部分地形测绘场景。如果测绘地形平坦或地势起伏波动不大，可适当降低大疆DJI Pilot 2 的重叠率，如设置航向重叠率为70%，旁向重叠率60%，以提高外业数据采集效率。如果测绘地形复杂，起伏较大，则需提高大疆DJI Pilot 2重叠率，如设置航向重叠率为90%，旁向重叠率为90%，以保证二维重建效果。

笔者在规划航线前，根据紫金县2023 年森林质量精准提升造林工程作业设计图纸分析试验地瓦溪镇造林图斑地形情况，最终选取4个相对居中的山顶进行拍摄，以减少无人机图传信号干扰，缩短数据采集时间。为实现瓦溪镇286.73 hm2造林试验地航拍数据采集，共飞行6 个架次，飞行时间为一个架次30 min，加上路程耗时共计4 h完成外业数据采集工作。

1.2.2 外业数据处理

使用大疆DJI Terra软件对外业采集数据进行二维重建生成整图，二维重建时选取测绘场景生成，坐标系选择CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_38 投影坐标，二维重建电脑最低配置为16 G 内存、4 G 显存（必须是计算能力在3.0 及以上的NVi5dia 显卡）。笔者推荐的电脑配置为内存32 G 及以上，显卡为NVidia1050Ti 及以上。在满足配置的情况下，电脑内存每增加10 G 能多处理1 000 张4K 照片。电脑配置越高，重建可处理的照片数量越多，重建速度也越快，但是不同的硬件配置对生成的模型结果不会有影响。生成整图后，利用ArcGIS 平台构建金字塔叠加造林图斑矢量数据［3］，裁剪多余的图像或者对图像进行纠正，最后选取1∶5 000的比例导出，形成试验样地成果图（见图1）。

图1 瓦溪试验样地航拍影像局部

2 成果数据ArcGIS分析

图1 试验样地成果红线范围内作业设计面积为16.66 hm2。下面使用ArcGIS 10.8 对图1 试验样地成果数据进行造林质量分析。

2.1 造林种植边界分析

处理完成的图1 试验样地正射影像图叠加作业设计矢量数据，在ArcGIS 平台中把比例设置在1∶5 000，采用目视化分析可直观看到种植边界是否超出作业设计范围，以及种植边界是否达到作业设计范围。经过分析，图1 成果图斑存在小部分实际种植边界范围超出作业设计范围边界的情况，实际种植边界已达到作业设计边界要求。

2.2 种植面积完成率分析

通过ArcGIS 平台对处理过的高精度航拍影像数据放大到1∶1 000 比例，使用目视化分析和ArcGIs 平台的测量工具箱对林地清理、穴位、苗木种植密度进行观测计算，根据作业设计要求和成果图像进行合格性分析；用ArcGIs 平台矢量数据编辑器中的裁剪面分割工具，划分合格地块和不合格地块，对划分区域图斑在ArcGIS 平台属性表中添加字符串字段进行标记，把划分出的合格地块面积跟作业设计面积相比较，即可得出小班的种植面积完成率［4］。经过计算，图1 成果图斑红线范围内的林地清理宽度约为1.3 m，穴位长度约45 cm，穴位宽度约42 cm，均达到作业设计要求，得出合格地块面积为16.66 hm2，作业设计面积为16.66 hm2，种植面积完成率为100%。

2.3 造林成活率分析

通过ArcGIS 平台对处理过的高精度航拍影像数据放大到1∶100 比例，创建一个Shapefile 线矢量和一个Shapefile 点矢量，在试验样地成果图斑边界内使用线矢量构造3 个半径为6.51 m 的圆形样地，使用点矢量对圆形样地内种植的苗木进行打点标记，统计标记的苗木株（穴）数和成活株数（见图2）。经统计，圆形样地1种植株数为13株，成活株树为12株；圆形样地2种植株数为12 株，成活株树为12 株；圆形样地3 种植株数为11株，成活株树为11株。根据《造林技术规程》（GB/T 15776—2023）内的成活率公式［即成活株（穴）数与设计株数的百分比］，把公式嵌入到ArcGIS 字符计算器中，即可计算得到3 个圆形样地的苗木成活率、综合成活率。经过计算，3 个圆形样地综合平均成活株数为11.66株，作业设计株数为11.20株，得出综合平均成活率为100%，符合作业设计要求。

图2 局部圆形样地苗木

2.4 造林树种符合性分析

利用ArcGIS平台对处理过的高精度航拍影像数据放大到1∶50 比例，使用目视化分析对造林成活率分析的3 个试验圆形样地进行打点统计种植树种名称及数量［5］，统计结果为红锥（Castanopsis hystrix Hook. f. &Thomson ex A. D）13 株、火力楠（Michelia macclurei Dandy）9 株、木荷（Schima superba Gardner& Champ.）8 株、黑木相思（Acacia melanoxylon R.Br.）5 株，合计35株。3个试验圆形样地内种植的珍贵树种红锥（13株）占样地内种植树木总数的37.14%，达到作业设计中珍贵树种占比须在30%以上的要求；种植树种分布为4个树种随机株间混交，同样符合作业设计要求。

3 结果与讨论

3.1 管理效率提升

假定车辆、计算机等设备不受限制，对采用传统造林管理调查方式和无人机航拍正射影像与ArcGIS分析进行效率比较，完成瓦溪镇286.73 hm2试验造林地外业数据采集及造林种植边界分析、种植面积完成率分析、造林成活率分析。测算结果表明，采用无人机航拍正射影像与ArcGIS分析调查方法所用工时仅约6 h，而采用传统造林管理调查方法所用工时约103 h，对比提升效率约17 倍；并且因生成后的成果图附带了坐标位置，还可节约后续档案管理和造林绿化落地上图时间。

3.2 管理质量提升

采用传统造林管理调查方法进行造林边界勘查，存在调查人员安全问题、面对复杂地形困难系数飙升导致调查时间大为增加、调查难以全方位覆盖调查图斑等难题。采用无人机航拍正射影像与ArcGIS 分析调查方法，调查人员的安全性得到了较大提升，也适应复杂地形的调查，更是能对调查图斑全方位无死角覆盖，可极大减少施工方的偷工减料，从而切实提升造林工程质量。

3.3 可行性和实用性分析

使用无人机航拍正射影像与ArcGIS分析调查方法进行造林质量管理的主要成本为一次性购买设备，成本约为5万元，具有使用成本低、操作相对简单、外业数据采集快、风险性低、实用性强等应用优势。无人机具备机动、灵活等特点，可快速到达作业区域，受地形、天气等环境影响较小，可实时获取造林图斑高分辨率的正射影像数据，应用其进行造林管理可有效减少管理者的外业工作时间，降低其劳动强度，具有良好的实用性，同时适应于新形势下的造林管理调查工作。

3.4 使用方向拓展

此次试验研究了无人机航拍正射影像与ArcGIS分析在造林种植边界、造林种植面积完成率、造林成活率及造林树种符合性等分析中的应用，该技术可延伸拓展至造林穴位规格分析、造林施肥量分析等，也可应用于抚育边界分析、抚育松土扩土规格分析、抚育保存率分析等。该技术还可以拓展应用于造林地块三维重建分析，形成更直观的造林成效展示。