無人機(jī)遙感在森林資源檢測中的應(yīng)用探討

王安喜

（貴州晟泰工程咨詢有限公司 貴州貴陽 550000）

無人機(jī)遙感在森林資源檢測中的應(yīng)用探討

王安喜

（貴州晟泰工程咨詢有限公司 貴州貴陽 550000）

森林作為國家和社會的重要資源，既是生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，又是人類賴以生存的重要物質(zhì)條件。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以無人機(jī)遙感為核心的新型森林資源檢測技術(shù)得到廣泛推廣。本文從無人機(jī)遙感的概況入手，逐步介紹起在森林資源中的具體應(yīng)用，并探討其中的優(yōu)勢與不足，為進(jìn)一步發(fā)揮無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用兼職提供一定的參考意義。

森林資源調(diào)查；無人機(jī)；遙感；應(yīng)用

前言

隨著時(shí)代的發(fā)展與森林資源狀況的不斷惡化，國家對森林資源的保護(hù)工作越來越重視，對森林資源檢測的資金和技術(shù)投入不斷加大，各種各樣的新型技術(shù)充分應(yīng)用于森林普查、森林火災(zāi)檢測、林業(yè)資源分布勘探等相關(guān)森林資源檢測工作中。從20世紀(jì)70年代以來，我國借鑒于國外先進(jìn)的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，逐步采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和衛(wèi)星遙感技術(shù)來檢測森林資源。

然而計(jì)算機(jī)和衛(wèi)星遙感技術(shù)雖然可靠性較好，但這類技術(shù)需要高空衛(wèi)星的輔助，操作過程復(fù)雜，系統(tǒng)龐大，投入的資本過高，難以滿足對整個(gè)森林資源檢測的實(shí)際需求。而無人機(jī)遙感，作為一種新興的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在中低空實(shí)時(shí)電視成像、通過紅外成像快速信息，以實(shí)現(xiàn)在某些地區(qū)，如車、人無法到達(dá)的森林地帶進(jìn)行實(shí)時(shí)的林業(yè)資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境檢測、森林防火、森林病蟲害防治等工作。

1 無人機(jī)遙感技術(shù)簡介

所謂的無人機(jī)遙感技術(shù)，就是將無人機(jī)和遙感控制技術(shù)相結(jié)合的綜合技術(shù)，主要包括無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)等，無人機(jī)組成見圖1。無人機(jī)遙感技術(shù)能快速獲取國土資源、生態(tài)環(huán)境等的空間信息，并能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遙感數(shù)據(jù)的快速處理的應(yīng)用技術(shù)；具有經(jīng)濟(jì)成本低、損耗低、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，因而在其出現(xiàn)的早起，廣泛應(yīng)用于軍事偵察、空中預(yù)警等軍事領(lǐng)域，而后逐漸擴(kuò)大到資源勘測、氣象觀測等領(lǐng)域，如果無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于森林資源檢測中，將大大提高遙感技術(shù)的應(yīng)用面，使森林資源管理工作簡單有效，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 無人機(jī)遙感系統(tǒng)的組成

2 無人機(jī)遙感在森林資源檢測中的應(yīng)用

2.1 林業(yè)資源調(diào)查應(yīng)用

所謂林業(yè)資源調(diào)查，就是對所轄范圍內(nèi)的森林樹木的數(shù)量、種群等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和調(diào)查，是林業(yè)活動的一項(xiàng)重要工作。隨著時(shí)代的發(fā)展，針對更小范圍內(nèi)、更高精度要求的調(diào)查需求正逐步上升。在一些平坦的森林地區(qū)，可以依靠人力進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，而如果要調(diào)查某些崎嶇的、人車無法進(jìn)入的原始森林區(qū)域，人力實(shí)地調(diào)查就變得很困難，因?yàn)檫@樣的林業(yè)資源調(diào)查一般需要花費(fèi)大量的人力和物力，比如在一些南方集體林區(qū)，由于商品經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，從事林業(yè)生產(chǎn)活動的農(nóng)民，越來越少，而大量減少的林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動，就會導(dǎo)致喬灌草生長迅速，以往的林間小道會逐漸消失，林業(yè)檢測工作人員要進(jìn)行地面林業(yè)資源調(diào)查的勞動強(qiáng)度極大，且數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會大打折扣。因此，采用無人機(jī)遙感技術(shù)來進(jìn)行資源調(diào)查就顯得非常有必要?，F(xiàn)在林業(yè)工作人員通常會采用無人機(jī)搭載高數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行低空作業(yè)，這種數(shù)碼相機(jī)畫質(zhì)清晰，可以滿足長時(shí)間的檢測工作；與此同時(shí)，只需要人為設(shè)置目標(biāo)區(qū)域，這種無人機(jī)便可以自動化完成目標(biāo)區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)獲取，整個(gè)檢測工作時(shí)間段，無需人為干預(yù)，操作簡單便捷，更為重要的是，數(shù)碼相機(jī)所獲取航片圖片的數(shù)據(jù)分辨率極高，可達(dá)2～20cm之間，也就是說這種圖像可以清晰地分析出森林的實(shí)時(shí)狀況，便于對突發(fā)狀況進(jìn)行有效處理；所獲取的圖像數(shù)據(jù)獲取完成主要采用Pix4Dmapper影像處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理加工，這種軟件最大的優(yōu)勢就是能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動化處理軟件，只需要通過少數(shù)控制點(diǎn)完成坐標(biāo)校正，就可以獲得區(qū)域高分辨率正射影像圖以及一系列相關(guān)的數(shù)據(jù)及模型，如數(shù)字表面模型，三維模型、三維點(diǎn)云模型，通過這些模型可以較為快速的計(jì)算出該區(qū)域的森林樹木數(shù)量，以評估該區(qū)域的森林資源狀態(tài)，具有高效性和準(zhǔn)確性。

2.2 森林防火應(yīng)用

森林系統(tǒng)是地球上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，而一系列的森林災(zāi)害對森林系統(tǒng)和林業(yè)資源造成了極大威脅，而森林火災(zāi)則是是森林最大的威脅，也是林業(yè)最可怕的災(zāi)害，它會給森林帶來最具有毀滅性的后果。森林火災(zāi)不但破壞成片的林業(yè)資源，也給所屬區(qū)域的動物資源造成不可挽回的損失，降低森林的再生能力，引起土壤的貧瘠和破壞森林涵養(yǎng)水源的后果，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境失去平衡。而以無人機(jī)遙感技術(shù)為核心的iFly系列無人機(jī)系統(tǒng)（見圖2），已經(jīng)廣泛應(yīng)用于森林火情監(jiān)測，這種技術(shù)綜合了GPS技術(shù)、數(shù)字圖像傳輸技術(shù)的優(yōu)勢，可解決目前林區(qū)森林防火瞭望，以及地面巡護(hù)無法顧及的偏遠(yuǎn)林火的問題。尤其是在森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由于火勢較大，空間能見度很低，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的觀察員也無法準(zhǔn)確判斷地面的真是火情，而iFly系列無人機(jī)能夠克服這一缺陷航，它能通過搭載攝像設(shè)備與影像傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測火災(zāi)現(xiàn)場的情況，更高效率的完成監(jiān)測工作。地面林業(yè)工作人員通過接收遙感信號，準(zhǔn)確掌握火災(zāi)現(xiàn)場的動態(tài)信息。以此同時(shí)，無人機(jī)遙感技術(shù)還可以全天候?qū)α謪^(qū)進(jìn)行勘查，可以準(zhǔn)確高效的匯總火災(zāi)現(xiàn)場的多方面情況，包括火場位置、實(shí)時(shí)火情，火情蔓延情況、火災(zāi)處理情況，力求將火災(zāi)帶來的財(cái)產(chǎn)損失降到最低。

圖2 無人機(jī)遙感技術(shù)的防火應(yīng)用

3 無人機(jī)遙感技術(shù)的優(yōu)勢及局限性探討

3.1 無人機(jī)遙感技術(shù)在森林資源檢測中的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)實(shí)地調(diào)查相比，無人機(jī)遙感技術(shù)具備多點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：由于無需人力進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，降低工作成本；遙感技術(shù)實(shí)時(shí)采集圖像，使數(shù)據(jù)采集變得更為靈活；無人機(jī)操作技術(shù)較為成熟，使用起來較為簡單。工作人員只需要根據(jù)特定區(qū)域的實(shí)際情況，對無人機(jī)設(shè)置相關(guān)飛行參數(shù)（包括飛行高度、飛行航線），就可以進(jìn)行森林?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。同時(shí)，無人機(jī)遙感技術(shù)可以利用多種計(jì)算機(jī)軟件，將采集到的圖像自動拼接生成DOM、DEM圖像。生成的圖像分辨率更高，可以達(dá)到0.1m，這是衛(wèi)星圖像采集技術(shù)所無法比擬的，而這種程度的分辨率的圖像可挖掘更多信息，如特定區(qū)域內(nèi)林木冠幅、樹高、森林密度等幾何參數(shù)，以及病蟲情況和火情信息。

3.2 森林資源調(diào)查中無人機(jī)遙感應(yīng)用需要解決的問題

實(shí)踐結(jié)果顯示，森林資源調(diào)查過程中，無人機(jī)遙感具有許多優(yōu)勢，不過由于其在技術(shù)上還沒有完全成熟，還有一些問題需要改進(jìn)。

（1）拼接以及幾何校正

無人機(jī)遙感技術(shù)存在的最重要的問題是，當(dāng)前無人機(jī)使用多項(xiàng)式校正來實(shí)現(xiàn)飛行參數(shù)的校正，但這種校正方法存在校正的精度不理想的問題，這無法滿足某些特定的檢測任務(wù)。所以，無人機(jī)遙感影像幾何校正問題是當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)人員正在研究通過實(shí)時(shí)記錄無人機(jī)拍攝過程數(shù)據(jù)，并調(diào)整GPS記錄的參數(shù)，來改善無人機(jī)的飛行幾何精度和拍攝角度。與此同時(shí)，無人機(jī)大部分將小型數(shù)字相機(jī)作為自身的遙感設(shè)備，雖然這樣的數(shù)字相機(jī)所獲取影像數(shù)量多，但是圖像像幅小，不利于數(shù)據(jù)的整體分析，這也需要進(jìn)行相關(guān)的深入研究。

（2）升降技術(shù)以及抗風(fēng)技術(shù)

由于我國森林地帶多處于山區(qū)，環(huán)境相比于平原更為復(fù)雜，這對無人機(jī)的飛行性能提出了比較高的要求，如果使用大型無人機(jī)進(jìn)行檢測任務(wù)，無法找到滿足起降標(biāo)準(zhǔn)低的場地，就會導(dǎo)致大型無人機(jī)的損壞；如果使用小型的無人機(jī)，則存在著飛行高度低的問題，在低空作業(yè)的時(shí)候，這類無人機(jī)容易受到風(fēng)向以及風(fēng)速的影響，從而導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)不完整。經(jīng)過長期的實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，技術(shù)人員提出了幾點(diǎn)建議：加大飛機(jī)的質(zhì)量，但加大載荷也會帶來無人機(jī)的能耗增大，因此要設(shè)計(jì)開發(fā)更為穩(wěn)定的引擎和電機(jī)；通過計(jì)算機(jī)程序控制，改善飛行控制技術(shù)，以增強(qiáng)無人機(jī)的抗風(fēng)性能。

4 總結(jié)

森林是國家和社會的重要資源，它不僅為生態(tài)平衡的有機(jī)組成部分，又為人類提供豐富的生存物質(zhì)基礎(chǔ)。以無人機(jī)遙感為核心的新型森林資源檢測技術(shù)得到廣泛推廣。本文從無人機(jī)遙感的概況入手，逐步介紹起在森林資源中的具體應(yīng)用，并發(fā)現(xiàn)無人機(jī)遙感技術(shù)存在數(shù)據(jù)采集方便，經(jīng)濟(jì)成本低、操作效率高的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛用于森林資源的檢測，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)與3S技術(shù)的融合。這說明無人機(jī)遙感技術(shù)是森林資源檢測的發(fā)展未來，值得推廣的一種新型技術(shù)。另一方面，無人機(jī)也存在一定的缺陷，如載荷有限，飛行穩(wěn)定性不足，難以滿足實(shí)際飛行任務(wù)的問題，這些問題嚴(yán)重制約了無人機(jī)遙感技術(shù)在森林資源的進(jìn)一步推廣，國家應(yīng)該進(jìn)一步加大對無人機(jī)遙感技術(shù)的資金與技術(shù)扶持，為進(jìn)一步發(fā)揮無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用提供一定的參考意義。

[1]徐譽(yù)遠(yuǎn)，胡爽，王本洋.無人機(jī)遙感在我國森林資源監(jiān)測中的應(yīng)用動態(tài)[J].林業(yè)與環(huán)境科學(xué)，2017，33（1）：97～101.

[2]張中遙.淺談無人機(jī)在森林防火中應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2016（9）.

[3]付凱婷.無人機(jī)遙感技術(shù)估算桉樹蓄積量的研究[D].廣西大學(xué)，2015.

[4]王根鐸，郭國明，曹斌斌，等.淺談無人機(jī)遙感在森林資源調(diào)查中的運(yùn)用價(jià)值[J].科技與企業(yè)，2014（15）：383.

[5]馬谷斌.無人機(jī)遙感在森林資源監(jiān)察中的應(yīng)用探討[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016（21）.

S757.2

A

1005-7897（2017）14-0190-02

2017-7-5

王安喜（1987-），漢族，遵義人，工程師，本科，主要從事林學(xué)專業(yè)工作。