孫耀

基金項目：課題項目：陜西省林業(yè)科學(xué)院荒漠化防治創(chuàng)新團(tuán)隊項目：“VDVI提取林地植被覆蓋率研究”編號：SXLK2020-0308。

摘 要： 植被覆蓋率是林業(yè)科學(xué)中經(jīng)常用到的一個重要參數(shù)。本文通過林業(yè)外業(yè)調(diào)查一個實例，闡述了從無人機(jī)操控軟件選擇，正攝影像拼接，到Arcgis中VDVI參數(shù)計算得出植被覆蓋率的全部流程，并提出筆者在實踐應(yīng)用中的一些心得和注意事項。

關(guān)鍵詞： 無人機(jī);正攝影像;VDVI

【中圖分類號】P237 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.29.030

林業(yè)科學(xué)經(jīng)常計算植被覆蓋率，若試驗地面積較大，傳統(tǒng)作業(yè)方式是先人工踏查，選擇若干樣地，測量各樣地投影面積，計算出各樣地植被覆蓋率，求出各樣地植被覆蓋率平均值。這種作業(yè)方式耗時費力，而且由于是選擇樣地計算，不是整塊試驗地計算，所以最終植被覆蓋率計算結(jié)果精確度較差?，F(xiàn)在應(yīng)用無人機(jī)高清攝影生成的正攝影像，再結(jié)合ARCGIS軟件解決這個問題，不但省時省力，而且精確度較高。

1 技術(shù)路線

應(yīng)用無人機(jī)高清攝影技術(shù)結(jié)合ARCGIS軟件計算植被覆蓋率的技術(shù)路線大致分為正攝影像獲取，VDVI標(biāo)準(zhǔn)差異植被指數(shù)計算和ARCGIS應(yīng)用三個步驟。

1.1 無人機(jī)選擇

因計算林地植被覆蓋率主要是野外作業(yè)，地形復(fù)雜，無線信號易受高山影響，這就要求選用的無人機(jī)應(yīng)具備安全性高，圖傳速度快的特點。

根據(jù)作業(yè)需求以及市面上各主流品牌無人機(jī)的性能指標(biāo)，結(jié)合筆者近年無人機(jī)的使用經(jīng)驗，筆者選用大疆MAVIC 2機(jī)型，此款機(jī)型小巧，重量輕，電池續(xù)航時間較長，攜帶方便，標(biāo)配1200萬像素攝像頭，在100米高度飛行拍攝，能產(chǎn)出分辨率為5cm的正射影像，基本能滿足作業(yè)需求。

1.2 操控設(shè)備選擇

大疆MAVIC 2機(jī)型需要配合移動設(shè)備運行飛行控制APP-DJI GO 4，另配備了航線軌跡設(shè)計軟件智飛地圖APP。智飛地圖軟件能在規(guī)劃確定的飛行地塊設(shè)計好無人機(jī)航行軌跡，然后控制無人機(jī)按照航行軌跡自動飛行，不但飛行效率高，而且省電池，有效避免重復(fù)飛行。

另外筆者還配備了顯示設(shè)備iPad mini 3，雖然手機(jī)也可作為顯示設(shè)備，但手機(jī)屏幕較小，航跡規(guī)劃不夠精確，另用手機(jī)作顯示設(shè)備時，一旦有電話打入，會影響無人機(jī)圖傳，甚至影響無人機(jī)飛行。

1.3 軟件選型

在智飛地圖APP進(jìn)行航線規(guī)劃，首先要畫出飛行地塊，接著設(shè)置無人機(jī)飛行高度為100米、飛行速度為10m/s、影像重疊率為60%，航向重疊率為60%，自動返航高度100米等參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)飛行地塊和影像重疊率、航向重疊率等參數(shù)自動規(guī)劃出飛行軌跡，再設(shè)置每間隔3秒自動拍照。

將無人機(jī)自動拍攝的所有基礎(chǔ)影像導(dǎo)入Drone2map軟件，此款軟件能將基礎(chǔ)影像拼接成正射影像。

再將Drone2map軟件生成的正射影像導(dǎo)入ENVI軟件，進(jìn)行VDVI值計算，植被數(shù)據(jù)獲取后進(jìn)行信息統(tǒng)計，最后導(dǎo)入ArcGIS進(jìn)行計算，即可得出試驗地植被覆蓋率。

2 正攝影像生成

2.1 現(xiàn)場勘查

無人機(jī)飛行前應(yīng)進(jìn)行實地勘查，起飛點和降落點應(yīng)選擇植被少，繞開民房、鐵塔、高壓線，視野開闊的小塊平整地面;飛行時應(yīng)選擇無風(fēng)或小風(fēng)，能見度好的晴天;還應(yīng)避免無人機(jī)飛行時被高山和高大樹木遮擋。

2.2 影像獲取

啟動無人機(jī)遙控器，啟動無人機(jī)，點擊智飛地圖APP，設(shè)置飛行范圍，飛行高度為100米，航向和旁向重疊度設(shè)置為60%。規(guī)劃完成后，無人機(jī)自動執(zhí)行任務(wù)，飛行途中電量用完，無人機(jī)會自動返航并降落到起飛點，更換電池后繼續(xù)執(zhí)行作業(yè)，直至作業(yè)完成。

2.3 正攝影像生成

將無人機(jī)拍攝的所有基礎(chǔ)影像導(dǎo)入Drone2map軟件生產(chǎn)正射影像。步驟如下：

先自定義工程名稱，接著設(shè)置正攝影像的存儲路徑，然后選擇基礎(chǔ)影像文件夾，讀取基礎(chǔ)影像填入列表，再根據(jù)基礎(chǔ)影像元數(shù)據(jù)定位連成航跡，接著點擊“Processing Options”按鈕彈出“處理選項”對話框，勾選“Initial Processing”選項卡并使用默認(rèn)設(shè)置，再勾選“Orthomosaic and DSM”并確保只勾選“Create Orthomosaic”選項，接著啟動多線程計算。計算之后即生成高清正射影像。

3 VDVI值計算

可見光波段差異植被指數(shù)VDVI（visible-band difference vegetation index），是借鑒歸一化植被指數(shù)NDVI的構(gòu)造原理及形式，提出的一種綜合利用紅、綠、藍(lán)三個可見光波段的歸一化植被指數(shù)。具體如公式所示：

VDVI=2×ρg-（ρr+ρb）2×ρg+（ρr+ρb）=2×ρg-ρr-ρb2×ρg+ρr+ρb

公式中，ρr代表紅波段的反射率值;ρb代表藍(lán)波段的反射率值;ρg代表綠波段的反射率值。

計算步驟如下：

A在ENVI軟件的/Band Algebra/Band Math中輸入公式：（2*float（B2）-B3-B1）/（2*float（B2）+B3+B1）（式中B1代表藍(lán)波段，B2代表綠波段，B3代表紅波段），生成HN_VDVI.img文件。生成的VDVI結(jié)果文件是一個單波段文件，難以區(qū)分植被的范圍區(qū)域，接著要進(jìn)行一個閾值設(shè)定，確定植被分布狀況;

B在ROI工具中，進(jìn)行植被范圍的典型樣本的選擇，然后根據(jù)提供的ROI中的統(tǒng)計樣本工具進(jìn)行典型樣本中的VDVI閾值范圍的界定;

C在Raster Slice工具中進(jìn)行密度分割，就可提取出正攝影像多光譜信息結(jié)果。

D在Statistics/Compute Statistics工具中，進(jìn)行植被覆蓋面積的計算，計算公式為：試驗地植被覆蓋面積=像元的分辨率平方×像元總數(shù);植被覆蓋面積/試驗地總面積×100%=試驗地植被覆蓋率。

完成以上步驟即可得出試驗地植被覆蓋率。

4 ArcGIS系統(tǒng)應(yīng)用

在ArcMap的Raster to Polygon工具中，將從ENVI中獲取的植被覆蓋成果影像轉(zhuǎn)換為矢量面。由于提取精度或算法精度不足，導(dǎo)致矢量化之后的植被覆蓋面數(shù)量非常多，其中存在很多面積非常小的面，但因數(shù)量巨大會降低矢量圖層加載效率和統(tǒng)計精度。通過圖層屬性設(shè)置中定義查詢表達(dá)式過濾掉這些面積非常小的面。

5 注意事項

由于VDVI可使用的波段數(shù)較少，在植被的提取過程中容易受到人工綠色，如人工草坪、塑膠跑道和水面的影響，對“綠色”的來源難以進(jìn)行較詳細(xì)的區(qū)分，應(yīng)清除這些干擾因素。