無人機遙感技術在林業資源調查中的應用研究

韓 帥

(山西省關帝山國有林管理局林業調查設計隊,山西 呂梁 033000)

我國幅員遼闊,林業資源蘊量豐富。森林不僅發揮著水土保持、調節生態平衡等功能,而且可以為人類生存提供物質基礎。因此林業資源的調查與監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資源的長期監測與評估做努力,尤其是生態環境建設任務繁重的我國,加強林業資源調查力度,促進林業資源的可持續經營,日益成為我國生態建設方面的首要任務。由于林業資源具有可再生的特點,其空間分布情況受自然環境以及人類活動等因素的制約,所以在調查我國林業資源時,需要以維持林業資源的可持續經營為前提條件。林業資源調查,不僅可以掌握各類植物資源的數量及分布情況,而且可以摸清各類植物的消長變化情況,是實現林業資源可持續發展目標的基礎保障。

1 研究區概況

研究區位于山西省呂梁市,西隔黃河和榆林相望。呂梁市國土面積約為3171萬畝,其中林業資源用地面積占據66%,自然資源得天獨厚,樹種資源較為豐富,不僅具有鄉土樹種,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建設,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資源現狀進行調查,重點查清林業資源的空間分布狀況及消長情況。

2 調查方法

2.1 采集林業資源無人機遙感影像

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

表1 無人機搭載傳感器參數表

為避免水面陽光反射以及河岸陰影等因素對遙感影像數據精度的影響,每日于清晨或傍晚時刻進行林業資源采集工作[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;林業資源遙感影像,每景影像對應的林業資源面積約為180942 m2。

2.2 精加工處理遙感影像

利用無人機采集的研究區遙感影像數據[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。林業資源遙感影像經加工處理主要分為兩個步驟:將影像上各像素坐標轉換為地圖坐標,對影像上各像素值亮度進行重采樣。具體流程如下:首先準備好本次調查所需的研究區林業資源遙感影像,將其以規定格式輸入專門的計算機中;然后利用多項式糾正法,進行遙感影像坐標的轉換,表達式如下所示:

(1)

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

h=C(X1,Y1)

(2)

式中:h表示林業資源遙感影像像素的采樣灰度值;C(X1,Y1)表示采樣函數。該方法可以最大限度上保留原始遙感影像的輻射值,避免造成調查誤差。然后將經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資源遙感影像。

2.3 提取林業資源信息

為實現研究區內林業資源高效、實時的統計分析,基于遙感影像提取出有效的林業資源信息,突破傳統林業資源調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紅邊現象,主要由近紅外波段反射率遠遠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據計算出的植被指數,來描述林業資源中各植被消長情況,其計算公式如下所示:

(3)

式中:R表示林業資源中植被靈敏指示指數,該指數和林業資源的生物量、葉綠素含量等參數存在直接關系,所以可以通過該指數來評價研究區內林業資源的覆蓋度、郁閉度等;V表示林業資源中植被消長情況的最佳指示指數,該指數和林業資源的植被覆蓋度等參數存在直接關系,所以可以通過該指數來評價研究區內林業資源的生物量等;λ0表示近紅外波段的反射率參數;λ1表示紅光波段的反射率參數。在此基礎上,根據林業資源信息和光譜數據的時序特征之間的聯系,引入經驗統計模型來提取各類林業資源信息。經驗統計模型主要分單變量與多變量這兩種類型,綜合考慮研究區林業資源遙感影像的光譜指數,研究選用單變量的指數模型進行林業信息資源的提取,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資源信息植被指數之間的共線性,并確定植被指數之間的主成分表達式;然后對植被指數的主成分進行回歸分析;最后根據林業資源信息和植被指數主成分的關系,獲得二者之間的回歸方程,也就是指數經驗統計模型,使用該模型提取出遙感影像中的有效林業資源信息。

3 調查結果

3.1 林業資源空間分布狀況

在上述所得林業資源信息的基礎上,進行空間分布狀況及消長情況的分析,首先使用分布指數來衡量該研究區內林業資源的空間分布狀況,表達式如下所示:

(4)

式中:F表示林業資源空間分布指數,用于描述各地形因子等級下林業資源的分布特征,式中設置了縮放系數s0/s1,可以避免林業資源空間分布特征受面積影響,也就是林業資源中分布面積較小的植被特征也可以反映出來;s0表示整個林業資源區域的占地面積參數;sn表示n級地形因子下的林業資源占地面積參數;sm表示n級地形因子下第i類植被占地面積參數;si表示林業資源中第i類植被占地面積參數。所求林業資源空間分布指數的數值越大,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資源空間分布狀況的關鍵指標,主要分析了不同高程下林業資源的分布情況。那么,對研究獲得林業資源數據進行統計分析,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,該研究內的喬木林地、灌木林地、竹林地、疏林地之間分布指數差異不大,均在10～14之間,說明海拔0～300 m是林業資源空間分布的主要區域。當海拔高度超過300 m時,喬木林地、灌木林地與疏林地分布指數均呈下降狀態,直到穩定于2～4之間,而竹林地在海拔300 m以上空間分布指數變化不大,說明海拔高程700 m以下均是竹林地分布的優勢區域。

圖1 林業資源中各植被類型空間分布指數圖

3.2 林業資源消長情況

根據本研究所得林業資源數據,統計并分析該研究區在2015～2020年期間,林業資源消長情況,結果如下表所示:

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國家政策,全面展開了林業資源建設項目,越來越多的農耕地轉化為新造林地,同時嚴令禁止了違規林地的占用,降低了林業資源的流失,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,呂梁市很多村鎮工人為適應社會發展,選擇外出務工,導致鄉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 林業資源中各植被類型消長情況

4 結束語

林業資源對改善生態環境、維持生態平衡具有重要作用,所以對林業資源調查進行了深入研究,引入無人機遙感技術,目的在于降低傳統地面測量作業的勞動強度,利用無人機實現林業資源的大范圍、高效率采集工作。在此基礎上,于無人機遙感影像中提取出有效的林業資源信息,進一步統計分析出林業資源的空間分布狀況及消長情況?？傊?無人機遙感技術,成功降低了傳統林業資源調查方法的作業強度,并提升了調查效率。