無人機(jī)在林業(yè)上的應(yīng)用初探及操作實(shí)例

阮志華

摘要：指出了傳統(tǒng)模式下的林業(yè)作業(yè)具有效率低、誤差率高等不足，并且作業(yè)監(jiān)測盲區(qū)較多。無人機(jī)應(yīng)用在林業(yè)上能有效避免傳統(tǒng)作業(yè)模式的缺點(diǎn)，提高林業(yè)作業(yè)效率。隨著我國綜合國力增強(qiáng)，無人機(jī)及其技術(shù)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)中，無人機(jī)在林業(yè)上的應(yīng)用也備受關(guān)注?；诖?，以無人機(jī)及其技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，圍繞無人機(jī)在林業(yè)資源調(diào)查、森林巡護(hù)、林政執(zhí)法、營造林檢查等方面的具體應(yīng)用進(jìn)行了闡述，并以大疆精靈4無人機(jī)在林業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用為例，就如何提高無人機(jī)在林業(yè)中的工作效率提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);林業(yè);應(yīng)用;操作實(shí)例;注意事項(xiàng)

中圖分類號(hào)：S757.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）4-0227-04

1 引言

基層林業(yè)工作多依靠人工觀測采集數(shù)據(jù)，且多為定點(diǎn)監(jiān)測，但林地通常面積大且地形復(fù)雜，而傳統(tǒng)的林業(yè)工作基本上是“一張圖，一支筆，兩條腿，一路走”的工作模式，效率極其低下，并且因作業(yè)監(jiān)測盲區(qū)較多而導(dǎo)致錯(cuò)誤率高，誤差率大，不再適應(yīng)當(dāng)前“精準(zhǔn)林業(yè)”的時(shí)代需求。無人機(jī)應(yīng)用在林業(yè)上能有效避免傳統(tǒng)工作模式的缺點(diǎn)，提高林業(yè)工作效率。近年來，無人機(jī)及其相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展，憑借其靈活性高、成本相對(duì)較低、操作相對(duì)簡便、采集數(shù)據(jù)更為快速精準(zhǔn)的優(yōu)勢，在林業(yè)資源調(diào)查、森林巡護(hù)、林政執(zhí)法、營造林檢查等方面運(yùn)用廣泛，并初步凸顯出先進(jìn)、高效的特性[1]，其應(yīng)用必將成為趨勢。因此探索無人機(jī)在林業(yè)中的應(yīng)用已成當(dāng)前林業(yè)研究的重點(diǎn)課題。

2 無人機(jī)及其技術(shù)

2.1 無人機(jī)

無人駕駛飛行器是指無需駕駛員，通過程序或者通過操作人員遙感控制進(jìn)行作業(yè)的飛機(jī)，簡稱為無人機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制飛機(jī)，一般無人機(jī)上面配備了遙控、監(jiān)測、衛(wèi)星定位等大量系統(tǒng)，不同于載人飛機(jī)，它小巧便利、成本較低、環(huán)境適應(yīng)力好[2]。

2.2 無人機(jī)技術(shù)

無人機(jī)技術(shù)的重點(diǎn)在于應(yīng)用無人機(jī)。近年來，無人機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，現(xiàn)已應(yīng)用于在各大領(lǐng)域并且成效顯著，例如影視制作、遙感測繪、電力巡檢、農(nóng)業(yè)植保等。應(yīng)用于林業(yè)時(shí)可根據(jù)中具體所需搭載諸如紅外掃描儀、多光譜成像儀等相應(yīng)設(shè)備，無人機(jī)技術(shù)憑借其簡便的操作和較少的能源消耗，大大降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約了時(shí)間、人力和物力[3]。

3 無人機(jī)在林業(yè)上的應(yīng)用

無人機(jī)在林業(yè)中的應(yīng)用即是使用無人機(jī)改變傳統(tǒng)以定點(diǎn)監(jiān)測為主的人工與衛(wèi)星結(jié)合的監(jiān)測方式，通過無人機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測林業(yè)資源，對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行綜合處理。

3.1 林業(yè)、林政執(zhí)法

裝備紅外熱成像儀和可見光相機(jī)后，無人機(jī)可在固定范圍內(nèi)的林地進(jìn)行高頻次遙感監(jiān)測，根據(jù)航拍影像，林業(yè)執(zhí)法部門能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)林區(qū)中出現(xiàn)的違法行為，例如違法占地、盜砍濫伐、違章用火等;通過分析森林受損位置及程度，可及時(shí)制止和處罰毀林行為;應(yīng)用正射影像技術(shù)工作人員獲取森林受災(zāi)面積和受災(zāi)程度，從而確定營造林所需面積及株樹。

3.2 森林巡護(hù)、森林病蟲害、森林火災(zāi)監(jiān)測及災(zāi)后調(diào)查評(píng)估

無人機(jī)被廣泛應(yīng)用于森林防火，森林火災(zāi)是林業(yè)生產(chǎn)中影響重大的災(zāi)害之一，而目前防火還是依靠衛(wèi)星遙感技術(shù)。使用無人機(jī)搭載攝像設(shè)備和影像傳輸設(shè)備等即可輕松開展火災(zāi)探測工作，無人機(jī)可將探測到的影像傳遞給工作人員，便于工作人員掌握火場情況，制定有效滅火措施，有效地降低火災(zāi)帶來的危害。據(jù)近年來的實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，無人機(jī)技術(shù)對(duì)森林火災(zāi)的檢測率達(dá)到了88.6%，識(shí)別率達(dá)到了90.1%[4]。無人機(jī)還應(yīng)用于病蟲害防治，同樣可依靠無人機(jī)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)發(fā)生病蟲害林地位置、面積等信息，從而預(yù)測發(fā)展趨勢并做災(zāi)后評(píng)估，之后可以應(yīng)用植保無人機(jī)對(duì)林地進(jìn)行大面積病蟲害治理作業(yè)，亦可結(jié)合攝影測量軟件快速找到病死木、觀測有害生物，同時(shí)完成對(duì)森林病蟲害的精準(zhǔn)施藥[5]。

3.3 森林資源調(diào)查、營造林成效檢查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測

林區(qū)植被分布和生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)常根據(jù)林區(qū)地表植被覆蓋率判定，森林資源調(diào)查成為重要的林業(yè)工作。此前，我國常用衛(wèi)星遙感和人工采集兩種方法來統(tǒng)計(jì)植被覆蓋率，但衛(wèi)星遙感成本較高、精度較低，人工采集工作量大、效率低下。而無人機(jī)憑借超強(qiáng)的靈活性根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)飛行的區(qū)域、航線、高度等，這避免了傳統(tǒng)采集方式的缺點(diǎn)，同時(shí)提高了采集數(shù)字影像效率和監(jiān)測的準(zhǔn)確性，應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)檢測植被覆蓋率變化成為有效手段[6]。當(dāng)前，我國已經(jīng)將這一技術(shù)應(yīng)用于研究部分珍貴林木覆蓋率。大量實(shí)踐證明，無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)可以獲取林地面積、辨認(rèn)樹種、確定林齡、計(jì)算林地密度等，采集到的數(shù)據(jù)較高的分辨率和時(shí)效性能有效提高工作質(zhì)量，降低成本，從而提高林業(yè)調(diào)查的技術(shù)水平。

4 操作實(shí)例

以應(yīng)用大疆精靈4無人機(jī)進(jìn)行公益林驗(yàn)收為例，對(duì)無人機(jī)在林業(yè)工作中的實(shí)際應(yīng)用作進(jìn)一步闡述。

4.1 精靈4無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

大疆精靈4無人機(jī)以其便攜性、易用性、廣泛性及穩(wěn)定性等特點(diǎn)受行業(yè)應(yīng)用者的青睞，并因此擁有眾多的應(yīng)用程序支持，DJI GS Pro就是其中之一。DJI GS Pro（ Ground Station Pro）是一款可控制DJI飛行器實(shí)現(xiàn)自主航線規(guī)劃及飛行的iPad專屬應(yīng)用程序。GS Pro擁有直觀簡易的交互設(shè)計(jì)，能大幅提升各領(lǐng)域的任務(wù)執(zhí)行效率，其中的測繪航拍區(qū)域模式可根據(jù)用戶設(shè)定的飛行區(qū)域以及飛行器相機(jī)參數(shù)、智能規(guī)劃飛行航線，執(zhí)行航拍任務(wù)，并支持將航線任務(wù)保存至本地，將拍攝的照片導(dǎo)人PC端，利用Pix4Dmapper等3D重建軟件進(jìn)行照片處理，之后可生成拍照區(qū)域的3D或者正射影像圖‘刀。

4.2 操作步驟

利用精靈4無人機(jī)進(jìn)行公益林驗(yàn)收就是通過使用DJI GS Pro軟件對(duì)公益林地進(jìn)行區(qū)域航線規(guī)劃，設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)之后執(zhí)行正射影像的航拍任務(wù)，航拍完成后將航拍的照片導(dǎo)入PC端，利用Pix4Dmapper軟件進(jìn)行照片處理，生成TIF格式的正射影像圖，之后打開ArcMap軟件，將TIF影像和公益林?jǐn)?shù)據(jù)添加到圖層中進(jìn)行疊加，公益林地的信息就一覽無余了。相對(duì)于之前拿著圖紙到現(xiàn)場對(duì)圖驗(yàn)收的方式，這樣的方法使驗(yàn)收工作效率以及精準(zhǔn)度都大大提高。其具體步驟如下。

4.2.1 外業(yè)工作

（1）選擇起飛地點(diǎn)。起飛地點(diǎn)的選擇至關(guān)重要，事關(guān)外業(yè)工作成敗。選擇原則首先是空曠地且視野開闊，這樣有利于信號(hào)傳輸及飛行安全;其次是要選擇任務(wù)區(qū)域的相對(duì)高海拔地點(diǎn)，因?yàn)闊o人機(jī)要拍攝的是正射影像，且圖像重復(fù)率均要求達(dá)到70%以上，而精靈4無人機(jī)限高，最高飛行相對(duì)高度是500 m，如果起飛點(diǎn)海拔越高，無人機(jī)與被拍攝區(qū)域的相對(duì)高差越大，就越容易達(dá)到圖像重復(fù)率的要求，否則就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)業(yè)處理失敗，整個(gè)工作得推倒重來。

（2）新建飛行任務(wù)及參數(shù)設(shè)置。起飛地點(diǎn)定好之后，打開DJI GS Pro軟件，安裝并連接無人機(jī)，在GSPro界面上選擇新建任務(wù)，再選擇測繪航拍區(qū)域模式和地圖點(diǎn)選模式，然后在地圖上點(diǎn)選任務(wù)區(qū)域，設(shè)定范圍之后對(duì)飛行任務(wù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。首先，設(shè)置飛行高度，一般來說飛行高度應(yīng)根據(jù)任務(wù)范圍的大小進(jìn)行改變，范圍越大，高度越高，反之亦然，本例直接設(shè)置飛行高度為500 m，因?yàn)轱w行高度越高，拍攝范圍就越廣，就能越快的完成任務(wù);其次，設(shè)置主航線上的圖像重復(fù)率為80%，主航線間的圖像重復(fù)率為70%，主航線角度跟隨任務(wù)區(qū)域的形狀進(jìn)行調(diào)整，其他的參數(shù)默認(rèn)即可[8]（圖1）。

（3）執(zhí)行飛行任務(wù)。設(shè)置好飛行參數(shù)之后，點(diǎn)擊DJI GS Pro界面右上角的飛機(jī)圖標(biāo)，彈出準(zhǔn)備飛行任務(wù)對(duì)話框，里面GPS、相機(jī)、電池以及任務(wù)完成后的動(dòng)作等信息均有顯示，等待數(shù)據(jù)傳輸完成就可以開始執(zhí)行飛行任務(wù)了，之后就是等待，期間若一顆電池?zé)o法完成飛行任務(wù)的話，系統(tǒng)會(huì)彈出提示窗口并要求自動(dòng)返航降落，在更換好電池之后繼續(xù)執(zhí)行飛行任務(wù)即可，任務(wù)完成后無人機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)置要么自動(dòng)返航，要么懸停等待下一步指令。

4.2.2 內(nèi)業(yè)處理

（1）影像拼接輸出成果。影像拼接輸出成果的過程就相對(duì)簡單了。外業(yè)之后整理出任務(wù)區(qū)域的正射影像，電腦打開Pix4Dmapper軟件，新建項(xiàng)目，選擇所有正射影像圖片，打開，再選擇高精度處理模式，其他的默認(rèn)即可，最后點(diǎn)擊開始按鈕，計(jì)算機(jī)就會(huì)對(duì)影像進(jìn)行處理，最后生成3D云點(diǎn)模型以及TIF格式的拼接正射影像圖（圖2）。

（2）成果數(shù)據(jù)疊加。成果數(shù)據(jù)疊加的目的是獲取公益林地的信息，并以此作為公益林地驗(yàn)收是否合格的主要依據(jù)。首先打開ArcMap軟件，添加數(shù)據(jù)，選擇生成的TIF格式正射影像圖，待影像圖在ArcMap里顯示之后再繼續(xù)添加公益林圖層數(shù)據(jù)，添加成功后公益林地塊的信息便一覽無余了，工作人員可根據(jù)公益林的驗(yàn)收方案和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷其合格與否，之后填寫相關(guān)驗(yàn)收?qǐng)D表。至此，該項(xiàng)工作全部完成（圖3）。

4.3 實(shí)際操作過程中的注意事項(xiàng)

4.3.1 大疆應(yīng)用程序DJI GS Pro與DJI G04的配合使用

DJI G04是大疆公司旗下集飛行、拍攝、編輯和分享為一體的移動(dòng)應(yīng)用。先用DJI G04連接無人機(jī)，對(duì)無人機(jī)硬件及周邊環(huán)境進(jìn)行必要的安全檢查，并設(shè)置飛行高度、返航高度等重要參數(shù)，沒問題之后再切換到DJI GS Pro進(jìn)行任務(wù)新建及參數(shù)設(shè)置等工作，目的是為了無人機(jī)飛行的安全與穩(wěn)定。

4.3.2 無人機(jī)電池的充分利用問題

如若任務(wù)區(qū)域面積較大，需要用多組電池才能完成的情況下，如何有效利用電池，節(jié)約時(shí)間久尤為重要，筆者經(jīng)上百次使用之后總結(jié)以下幾點(diǎn)供大家參考。

（1）起飛點(diǎn)與起測點(diǎn)的選擇。在起飛點(diǎn)與起測點(diǎn)的選擇上，兩者不要在同一個(gè)地點(diǎn)或者距離太近。如需要兩組電池的話就將起飛點(diǎn)設(shè)在任務(wù)區(qū)域的中部位置，需要三組電池的話將起飛點(diǎn)設(shè)在任務(wù)區(qū)域總長度1/3處，與起測點(diǎn)的距離約為任務(wù)區(qū)域總長度的1/3左右。這樣做的目的是為了便于無人機(jī)電池報(bào)警之后的返航，縮短返航距離，減少返航時(shí)間。在更換電池后也能讓無人機(jī)更快捷的到達(dá)起測點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)，減少電池?fù)p耗，將電池充分應(yīng)用在任務(wù)的執(zhí)行之上，條件允許的情況下，還可在更換上第二組電池執(zhí)行任務(wù)之后將下一個(gè)起飛點(diǎn)移動(dòng)到大約下個(gè)降落點(diǎn)之上，以此類推。

（2）兩個(gè)航點(diǎn)之間的距離保持。兩個(gè)航點(diǎn)之間的距離不要超過1000 m。因?yàn)闊o人機(jī)很有可能在飛到兩個(gè)航點(diǎn)中間位置以上時(shí)電池即將耗盡而報(bào)警并自動(dòng)返航，這將導(dǎo)致這條航線上之前完成的那部分工作會(huì)在更換電池之后重新開始，重新開始意味著浪費(fèi)電池浪費(fèi)時(shí)間，而航點(diǎn)之間的距離越長，碰到這種情況之后所耗費(fèi)的電池越多，時(shí)間成本越高。

（3）起測點(diǎn)前的飛行控制模式。在無人機(jī)從起飛點(diǎn)飛行到起測點(diǎn)的過程中，最好手動(dòng)控制，讓無人機(jī)邊上升邊向起測點(diǎn)方向飛行，到達(dá)起測點(diǎn)后再點(diǎn)擊DJI GSPro界面上的飛機(jī)圖標(biāo)開始執(zhí)行飛行任務(wù)。這樣做的目的也是為了減少電池?fù)p耗，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這比從起飛點(diǎn)就開始執(zhí)行飛行任務(wù)能減少至少10%的電池?fù)p耗。因?yàn)閺钠痫w點(diǎn)開始執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，無人機(jī)會(huì)先垂直上升至設(shè)置的飛行高度，再水平飛行到起測點(diǎn)開始執(zhí)行任務(wù)，本身無人機(jī)垂直起飛或者降落的耗電量都是最大的，再加上飛行距離增加了30%以上，耗電量就可想而知了。

4.3.3 任務(wù)執(zhí)行過程中無人機(jī)失聯(lián)的問題

任務(wù)執(zhí)行過程中無人機(jī)失聯(lián)主要是因?yàn)轱w行距離過長或者高山阻斷了信號(hào)所致，失聯(lián)狀態(tài)下，屏幕是黑的，無圖傳信號(hào)，看不到影像，各種信息參數(shù)，包括GPS位置、飛行速度高度均空白，這種情況下也不必慌張，因?yàn)镈JI GS Pro設(shè)置失聯(lián)后繼續(xù)執(zhí)行飛行任務(wù)，只要等待無人機(jī)飛行到合適的位置后恢復(fù)聯(lián)接即可，不要隨意控制、操作無人機(jī)，以免出錯(cuò)，導(dǎo)致不必要的損失。

4.3.4 內(nèi)業(yè)處理相關(guān)問題

首先，是Pix4Dmapper軟件所使用的文件夾及相關(guān)目錄不支持中文，必須全英文，否則無法打開相關(guān)文件。其次，是計(jì)算機(jī)在拼接影像時(shí)，如若有些影像重疊率達(dá)不到要求就會(huì)導(dǎo)致處理失敗，以致最終成果影像有缺邊、缺角、模糊或者空窗現(xiàn)象，若想獲得完整的拼接影像只能選擇更高海拔的起飛點(diǎn)重新執(zhí)行飛行任務(wù)，獲得符合要求的影像之后再拿來進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理方可。當(dāng)然，這是針對(duì)大疆無人機(jī)限高500 m而言的，對(duì)于其他不限高或者固定翼的無人機(jī)而言，這一條可以忽略。最后，是坐標(biāo)的問題，TIF格式的成果影像坐標(biāo)是WGS84坐標(biāo)，與國內(nèi)常用的BJ54及XIAN80坐標(biāo)有一定偏移，在ArcMap軟件里，要使其準(zhǔn)確的重疊在一起，要么使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（較為復(fù)雜另述），要么根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算偏移量進(jìn)行糾偏，或者設(shè)定一到多個(gè)明顯地標(biāo)物體進(jìn)行糾偏使之匹配即可。

5 結(jié)語

無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，高速、高效、精準(zhǔn)。經(jīng)過驗(yàn)證，一臺(tái)配置三顆電池的精靈4無人機(jī)平均ld可以完成10000畝的飛行任務(wù)，而人工定點(diǎn)監(jiān)測的話，要花5d時(shí)間左右，而且精準(zhǔn)度還不高。當(dāng)然，缺點(diǎn)也是顯而易見，主要是續(xù)航太短，監(jiān)測設(shè)備昂貴、單一，應(yīng)用不夠廣泛，與之配套的軟件及智能化水平略低，欠缺行業(yè)應(yīng)用且專業(yè)性不強(qiáng)。但是，無人機(jī)應(yīng)用是必然趨勢，隨著我國科技創(chuàng)新能力水平的不斷提高，無人機(jī)的發(fā)展也必將突破瓶頸，將我國的生態(tài)文明建設(shè)引入新時(shí)代。

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