小型无人机非测量相机在林业调查中的应用研究
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2017 年 4 月 第2 期
林业资源管理 FOＲEST ＲESOUＲCES MANAGEMENT
April 2017 No. 2
小型无人机非测量相机在林业调查中的来自用研究孙志超1 ，杨雪清1 ，李 超2
（ 1. 国家林业局调查规划设计院，北京 100714； 2. 北京大学 城市与环境学院，北京 100871）
十三陵林场位于北京市昌平区境内，距离市区 约 40 km。林区范围东至半壁店，南接昌平城区，西 至四桥子，北至上口，平均海拔 400 m，最高峰为沟 崖中峰顶，海拔 954. 2 m。山地坡向以阳坡、半阳坡 为主，土层厚度一般在 20 ～ 40 cm 之间。主要树种 有侧柏（ Platycladus orientalis） 、油松（ Pinus tabuliformis） 、黄栌（ Cotinus coggygria） 、元宝枫（ Acer truncatum） 等。林区范围内不仅有明十三陵和居庸关长 城两处世界文化遗产，还有沟崖自然风景区、蟒山国
Application of Small Unmanned Aerial Vehicle with Non-measuring Camera in Forestry Investigation
SUN Zhichao1 ，YANG Xueqing1 ，LI Chao2
（ 1. Academy of Forest Inventory and Planning，State Forestry Administration，Beijing 10074，China； 2. Department of Ecology，College of Urban and Environmental Sciences，Peking University，Beijing 100871，China）
摘要： 为提升林业调查的技术水平，研究小型无人机搭载非测量相机在林业调查中的应用技术。选择北京十三陵 林场开展低空航拍试验，针对非测量相机的镜头畸变和小型无人机相机云台外方位元素误差较大的特点，分别 通过相机检校算法和外方位元素逆向求解，进行内外方位元素定向，生成立体像对和正射影像； 用地面控制点 对相片整体进行几何精校正，采用 3D 量测工具测量立体区域树高，用地面控制点测量图像拼接区域面积和周 长，用现地实测树高、面积和周长对图测结果进行检验和模型拟合。结果表明，通过适当的校正和调整，小型 无人机搭载非测量相机基本能够满足林业调查对树高、面积及周长等的量测精度要求，应用前景广阔。 关键词： 无人机； 林业调查； 非量测相机； 树高； 面积 中图分类号： P231； S757； TP302. 1 文献标识码： A 文章编号： 1002 － 6622（ 2017） 02 － 0103 － 07 DOI： 10． 13466 / j． cnki． lyzygl． 2017． 02． 018
Email： xqyangok@ 126． com
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林业资源管理
第2 期
如何优化动态监测技术方法，随时获取大量、清 晰的森林资源信息，一直是林业管理部门和生产单位 考虑的问题。航天遥感和航空遥感虽然具有信息量 大、波段丰富等优点，但存在着成本高、更新慢、分辨 率低、需要大量人工校正等问题。无人机遥感系统具 有低成本、高出勤、高分辨率、易携带等优点，填补了 航空遥感和航天遥感的空白，非常适合林业调查的工 作要求，是未来林业资源管理实现动态监测的有效工 具［1］。目前针对非测量相机体积小、像素高及便于携 带等优点，在测绘行业的应用研究较多，结论趋于一 致，基本能够满足非精确测量的实际需求［2］。在林业 调查方面也有部分研究者开展了相关研究，但因搭载 平台、处理方法及研究应用目的的不同得到不太一致 的结论［3 －4］。本文基于小型无人机搭载非测量相机 的航拍试验，通过相机镜头畸变纠正和相机平台外方 位元素逆向求解及地面控制点精确几何纠正来建立 立体像对和区域正射影像，进行林业调查的主要因 子，如树高、面积及周长等的量测结果对比及模型拟 合，得到了较好的结果，基本能满足林业调查对树高、 面积及周长等的量测精度要求，应用前景广阔。
收稿日期： 2017 － 01 － 13； 修回日期： 2017 － 03 － 15 作者简介： 孙志超（ 1986 － ） ，女，山东人，硕士，主要从事林业遥感技术的研究与应用工作。Email： sunzhichaook@ foxmail． com 通讯作者： 杨雪清（ 1967 － ） ，女，山西人，教授级高工，博士，主要从事森林资源调查评估及 3S 技术的应用工作。
Abstract： To enhance the technology for forestry investigation，our study focused on the application of small unmanned aerial vehicle （ UAV） equipped with non-measuring camera in forestry investigation. In the study，we selected the Shisanling Forest Farm in Beijing as the study area to implement the test of airborne photographing. Moreover，intended for the characteristics of lens distortion in camera and large error of exterior orientation elements of the camera platform in UAV，we utilized a camera calibration algorithm and exterior orientation elements to inverse the accuracy exterior and interior orientation，and obtained the stereo images and orthophotos. In addition，the ground control points （ GCPs） were used to carry on the geometric correction in the whole photo，and 3D measurement tools to measure the tree height in the threedimensional area，and the GCPs to measure the area and perimeter of the mosaic area. Finally，the photomeasured results of tree height，area and perimeter were fitted to the field-measured results with empirical models，which also tested the photo-measured results. The results show that the small UAV equipped with non-measuring cameras can meet the accuracy requirements of the height，area and perimeter for the forestry surveying，if the device could be adjusted and calibrated properly. And it，therefore，has broad prospects of application in forest investigation. Key words： unmanned aerial vehicle，forestry investigation，non-measurement camera，tree height，forest area
1 研究区域概况 北京市十三陵林场（ 以下简称十三陵林场） 始
建于 1962 年，是北京市园林绿化局直属最大国有公 益型林场。全场共有各类土地面积8 571. 81 hm2 ， 其中林地面积8 562. 19 hm2 ，非林地面积 9. 62 hm2 。 在林地面积中，有林地面积为5 846. 63 hm2 ，辅助生 产林地面积为 27. 3 hm2 ，灌木林地面积为2 165. 45 hm2 ，苗圃地面积 20. 2 hm2 ，未成林地面积为 350. 02 hm2 ，疏 林 地 面 积 为 152. 59 hm2 。 森 林 覆 盖 率 为 68. 21% ，森林绿化率为 92. 09% 。
图 1 航线设置图
Fig. 1 UAV route map
航拍 后，通 过 Image Master Calibration 软 件 和 A3 检校标准模板对相机镜头进行检校［7］。检校结 果如图 2 所示。
图 2 相机参数检校结果图
Fig. 2 Camera parameter calibration results
Fig. 3 Camera orientation parameters
3 研究方法 3. 1 技术路线
采用普通无人机搭载非测量相机进行低空航 拍，主要技术流程如图 4 所示。通过对比研究，选择 北京昌平区十三陵林场一处低山坡地针叶中龄林作 为研究对象。实验分以下几步进行： 1） 在试验区内 用 A4 白纸作为控制点，均匀地布设于四周小路及 林地林窗处，共 25 个。通过高精度 GPS 对控制点 X，Y，Z 坐标进行量测和记录。同时，用激光测高器 测量控制点四周的树高，并做记录，为数据处理、对 比分析做准备。2） 通过地面点对航线及相片重叠 度、航高、速度等进行设置，并通过地面站的一键起 飞功能执行航拍。对航拍后数据进行检查，同时导 出相机拍摄时的外方位元素。3） 通过原始影像的 内外方位元素的内外定向，用 3D 测量模块测量同 名点之间距离偏差，取均值来反算外方位元素的调 整值，从而分别构建立体相对量测树高和进行航片 拼接及正摄校正，同时量测航区面积和周长。4） 用 实测树高、航区周长和面积与图测数据进行对比和 误差分析，最后通过逐步回归进行数据拟合。 3. 2 航片外方位元素反算方法及流程
林业资源管理 FOＲEST ＲESOUＲCES MANAGEMENT
April 2017 No. 2
小型无人机非测量相机在林业调查中的来自用研究孙志超1 ，杨雪清1 ，李 超2
（ 1. 国家林业局调查规划设计院，北京 100714； 2. 北京大学 城市与环境学院，北京 100871）
十三陵林场位于北京市昌平区境内，距离市区 约 40 km。林区范围东至半壁店，南接昌平城区，西 至四桥子，北至上口，平均海拔 400 m，最高峰为沟 崖中峰顶，海拔 954. 2 m。山地坡向以阳坡、半阳坡 为主，土层厚度一般在 20 ～ 40 cm 之间。主要树种 有侧柏（ Platycladus orientalis） 、油松（ Pinus tabuliformis） 、黄栌（ Cotinus coggygria） 、元宝枫（ Acer truncatum） 等。林区范围内不仅有明十三陵和居庸关长 城两处世界文化遗产，还有沟崖自然风景区、蟒山国
Application of Small Unmanned Aerial Vehicle with Non-measuring Camera in Forestry Investigation
SUN Zhichao1 ，YANG Xueqing1 ，LI Chao2
（ 1. Academy of Forest Inventory and Planning，State Forestry Administration，Beijing 10074，China； 2. Department of Ecology，College of Urban and Environmental Sciences，Peking University，Beijing 100871，China）
摘要： 为提升林业调查的技术水平，研究小型无人机搭载非测量相机在林业调查中的应用技术。选择北京十三陵 林场开展低空航拍试验，针对非测量相机的镜头畸变和小型无人机相机云台外方位元素误差较大的特点，分别 通过相机检校算法和外方位元素逆向求解，进行内外方位元素定向，生成立体像对和正射影像； 用地面控制点 对相片整体进行几何精校正，采用 3D 量测工具测量立体区域树高，用地面控制点测量图像拼接区域面积和周 长，用现地实测树高、面积和周长对图测结果进行检验和模型拟合。结果表明，通过适当的校正和调整，小型 无人机搭载非测量相机基本能够满足林业调查对树高、面积及周长等的量测精度要求，应用前景广阔。 关键词： 无人机； 林业调查； 非量测相机； 树高； 面积 中图分类号： P231； S757； TP302. 1 文献标识码： A 文章编号： 1002 － 6622（ 2017） 02 － 0103 － 07 DOI： 10． 13466 / j． cnki． lyzygl． 2017． 02． 018
Email： xqyangok@ 126． com
104
林业资源管理
第2 期
如何优化动态监测技术方法，随时获取大量、清 晰的森林资源信息，一直是林业管理部门和生产单位 考虑的问题。航天遥感和航空遥感虽然具有信息量 大、波段丰富等优点，但存在着成本高、更新慢、分辨 率低、需要大量人工校正等问题。无人机遥感系统具 有低成本、高出勤、高分辨率、易携带等优点，填补了 航空遥感和航天遥感的空白，非常适合林业调查的工 作要求，是未来林业资源管理实现动态监测的有效工 具［1］。目前针对非测量相机体积小、像素高及便于携 带等优点，在测绘行业的应用研究较多，结论趋于一 致，基本能够满足非精确测量的实际需求［2］。在林业 调查方面也有部分研究者开展了相关研究，但因搭载 平台、处理方法及研究应用目的的不同得到不太一致 的结论［3 －4］。本文基于小型无人机搭载非测量相机 的航拍试验，通过相机镜头畸变纠正和相机平台外方 位元素逆向求解及地面控制点精确几何纠正来建立 立体像对和区域正射影像，进行林业调查的主要因 子，如树高、面积及周长等的量测结果对比及模型拟 合，得到了较好的结果，基本能满足林业调查对树高、 面积及周长等的量测精度要求，应用前景广阔。
收稿日期： 2017 － 01 － 13； 修回日期： 2017 － 03 － 15 作者简介： 孙志超（ 1986 － ） ，女，山东人，硕士，主要从事林业遥感技术的研究与应用工作。Email： sunzhichaook@ foxmail． com 通讯作者： 杨雪清（ 1967 － ） ，女，山西人，教授级高工，博士，主要从事森林资源调查评估及 3S 技术的应用工作。
Abstract： To enhance the technology for forestry investigation，our study focused on the application of small unmanned aerial vehicle （ UAV） equipped with non-measuring camera in forestry investigation. In the study，we selected the Shisanling Forest Farm in Beijing as the study area to implement the test of airborne photographing. Moreover，intended for the characteristics of lens distortion in camera and large error of exterior orientation elements of the camera platform in UAV，we utilized a camera calibration algorithm and exterior orientation elements to inverse the accuracy exterior and interior orientation，and obtained the stereo images and orthophotos. In addition，the ground control points （ GCPs） were used to carry on the geometric correction in the whole photo，and 3D measurement tools to measure the tree height in the threedimensional area，and the GCPs to measure the area and perimeter of the mosaic area. Finally，the photomeasured results of tree height，area and perimeter were fitted to the field-measured results with empirical models，which also tested the photo-measured results. The results show that the small UAV equipped with non-measuring cameras can meet the accuracy requirements of the height，area and perimeter for the forestry surveying，if the device could be adjusted and calibrated properly. And it，therefore，has broad prospects of application in forest investigation. Key words： unmanned aerial vehicle，forestry investigation，non-measurement camera，tree height，forest area
1 研究区域概况 北京市十三陵林场（ 以下简称十三陵林场） 始
建于 1962 年，是北京市园林绿化局直属最大国有公 益型林场。全场共有各类土地面积8 571. 81 hm2 ， 其中林地面积8 562. 19 hm2 ，非林地面积 9. 62 hm2 。 在林地面积中，有林地面积为5 846. 63 hm2 ，辅助生 产林地面积为 27. 3 hm2 ，灌木林地面积为2 165. 45 hm2 ，苗圃地面积 20. 2 hm2 ，未成林地面积为 350. 02 hm2 ，疏 林 地 面 积 为 152. 59 hm2 。 森 林 覆 盖 率 为 68. 21% ，森林绿化率为 92. 09% 。
图 1 航线设置图
Fig. 1 UAV route map
航拍 后，通 过 Image Master Calibration 软 件 和 A3 检校标准模板对相机镜头进行检校［7］。检校结 果如图 2 所示。
图 2 相机参数检校结果图
Fig. 2 Camera parameter calibration results
Fig. 3 Camera orientation parameters
3 研究方法 3. 1 技术路线
采用普通无人机搭载非测量相机进行低空航 拍，主要技术流程如图 4 所示。通过对比研究，选择 北京昌平区十三陵林场一处低山坡地针叶中龄林作 为研究对象。实验分以下几步进行： 1） 在试验区内 用 A4 白纸作为控制点，均匀地布设于四周小路及 林地林窗处，共 25 个。通过高精度 GPS 对控制点 X，Y，Z 坐标进行量测和记录。同时，用激光测高器 测量控制点四周的树高，并做记录，为数据处理、对 比分析做准备。2） 通过地面点对航线及相片重叠 度、航高、速度等进行设置，并通过地面站的一键起 飞功能执行航拍。对航拍后数据进行检查，同时导 出相机拍摄时的外方位元素。3） 通过原始影像的 内外方位元素的内外定向，用 3D 测量模块测量同 名点之间距离偏差，取均值来反算外方位元素的调 整值，从而分别构建立体相对量测树高和进行航片 拼接及正摄校正，同时量测航区面积和周长。4） 用 实测树高、航区周长和面积与图测数据进行对比和 误差分析，最后通过逐步回归进行数据拟合。 3. 2 航片外方位元素反算方法及流程
