Drones are increasingly used in forestry to capture high-resolution remote sensing data, supporting enhanced monitoring, assessment, and decision-making processes. While operations above the forest canopy are already highly automated, flying inside forests remains challenging, primarily relying on manual piloting. In dense forests, relying on the Global Navigation Satellite System (GNSS) for localization is not feasible. In addition, the drone must autonomously adjust its flight path to avoid collisions. Recently, advancements in robotics have enabled autonomous drone flights in GNSS-denied obstacle-rich areas. In this article, a step towards autonomous forest data collection is taken by building a prototype of a robotic under-canopy drone utilizing state-of-the-art open source methods and validating its performance for data collection inside forests. Specifically, the study focused on camera-based autonomous flight under the forest canopy and photogrammetric post-processing of the data collected with the low-cost onboard stereo camera. The autonomous flight capability of the prototype was evaluated through multiple test flights in boreal forests. The tree parameter estimation capability was studied by performing diameter at breast height (DBH) estimation. The prototype successfully carried out flights in selected challenging forest environments, and the experiments showed promising performance in forest 3D modeling with a miniaturized stereoscopic photogrammetric system. The DBH estimation achieved a root mean square error (RMSE) of 3.33 - 3.97 cm (10.69 - 12.98 %) across all trees. For trees with a DBH less than 30 cm, the RMSE was 1.16 - 2.56 cm (5.74 - 12.47 %). The results provide valuable insights into autonomous under-canopy forest mapping and highlight the critical next steps for advancing lightweight robotic drone systems for mapping complex forest environments.


翻译:无人机在林业中日益广泛地用于采集高分辨率遥感数据,以支持增强的监测、评估和决策过程。尽管在森林冠层上方的作业已高度自动化,但在森林内部飞行仍然具有挑战性,主要依赖人工操控。在茂密森林中,依靠全球导航卫星系统(GNSS)进行定位并不可行。此外,无人机必须自主调整其飞行路径以避免碰撞。近年来,机器人技术的进步使得无人机能够在GNSS拒止且障碍物密集的区域实现自主飞行。本文通过构建一个利用最先进开源方法的机器人林下无人机原型机,并验证其在森林内部数据采集的性能,朝着自主森林数据采集迈出了一步。具体而言,本研究聚焦于森林冠层下基于摄像头的自主飞行,以及对低成本机载立体相机所采集数据进行摄影测量后处理。通过在北方森林中进行多次试飞,评估了原型机的自主飞行能力。通过执行胸径(DBH)估计,研究了其树木参数估算能力。该原型机成功在选定的具有挑战性的森林环境中执行了飞行任务,实验表明,采用微型立体摄影测量系统在森林三维建模方面表现出良好性能。所有树木的胸径估计均方根误差(RMSE)为3.33 - 3.97厘米(10.69 - 12.98%)。对于胸径小于30厘米的树木,RMSE为1.16 - 2.56厘米(5.74 - 12.47%)。这些结果为自主林下森林测绘提供了宝贵见解,并指明了推进用于复杂森林环境测绘的轻型机器人无人机系统的关键后续步骤。

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