低空無人機遙感技術(shù)與其在森林資源監(jiān)測中的應(yīng)用

郭英琦　李曉雙　侯毅葦

摘要：低空無人機遙感技術(shù)可以大幅節(jié)省傳統(tǒng)森林資源監(jiān)測工作人力物力，是森林資源監(jiān)測技術(shù)的主要發(fā)展目標(biāo)，本文整理了低空無人機遙感技術(shù)現(xiàn)狀，探究了無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)的原理、目前的技術(shù)水平和工程應(yīng)用方法，分析了下一步研究的方向。

[關(guān)鍵詞]低空無人機森林監(jiān)測航空遙感

1引言

森林資源規(guī)劃統(tǒng)制的重心之一即為森林資源的調(diào)查與監(jiān)測，作為完成林業(yè)可持續(xù)籌劃的重要手段和建設(shè)生態(tài)文明的主要工作，森林資源監(jiān)測對森林資源數(shù)目、品質(zhì)、生長、能量消耗和與其相關(guān)的一系列活動變化進行追蹤監(jiān)測，以待為實現(xiàn)森林資源有效管理提供決議支撐。在傳統(tǒng)森林資源監(jiān)測系統(tǒng)中，我國已投入大量人力物力維持，但其效果并不顯著，主要體現(xiàn)在觀察周期長、機會成本過高且工作強度難以承受，尤其是地貌縱橫交錯的西南地區(qū)，進行地面勘察勞動強度更大。

隨著我國軍事能力不斷提升，軍事解禁以及低空空域全面開放也已順理成章，我國各項研究項目的研發(fā)成本不斷下降、科技實力持續(xù)攀升、工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈日漸成熟，低空空域無人機的應(yīng)用逐漸普及。

從我國林業(yè)發(fā)展的需求層面來看，契合林業(yè)發(fā)展重心應(yīng)為其根源性改變，為林業(yè)資源信息采集與監(jiān)測提供創(chuàng)新性思路已成為迫在眉睫的大事。低空空域無人機遙感信息采集技術(shù)為現(xiàn)代林業(yè)、智慧林業(yè)等概念提供了可靠的技術(shù)支持，使得森林資源信息采集由低效率、低質(zhì)量邁向了數(shù)字化、智能化、信息化時代。

綜上所述，針對中小領(lǐng)域森林資源信息采集和監(jiān)管需求，進一步提升采集人員工作質(zhì)量，以智能化、高效率、集成化為基本理念，實施低空無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)研究。為推進我國以至國際森林資源監(jiān)測向一體化、數(shù)字化、智能化的高速發(fā)展具有重大意義。

2國內(nèi)外森林資源監(jiān)測系統(tǒng)

森林大都具有地域廣闊、樹木生長周期長、消耗勞動力眾多等特點，森林管理單位不得不制定生產(chǎn)計劃，這使得森林資源調(diào)查工作成為重中之重。目前，世界上仍通行總體抽樣調(diào)查與林分逐級匯總兩大主要森林監(jiān)測技巧。

2.1國外森林資源監(jiān)測

德國、瑞士作為擁有上百年森林資源管理經(jīng)驗的國度，早期其調(diào)查方法和編制方案以大范圍抽樣建立固定樣地為主。國家森林普查系統(tǒng)涵蓋土壤和森林調(diào)查、生物監(jiān)測多樣性等建立起一個全新的全國性的森林資源監(jiān)測系統(tǒng)，統(tǒng)計結(jié)果逐級上報匯集，建立大數(shù)據(jù)庫并形成網(wǎng)絡(luò)，具備數(shù)據(jù)更新速度快、信息來源可靠等特點。

美國森林資源管制主要以州為單位逐一展開資源調(diào)查，由GIS進行全國范圍內(nèi)匯總，以三階抽樣設(shè)計為主，平均每年各個州清查20%固定樣地代替過去每年用于清查的若干樣地，歸納FIA與FHM的野外調(diào)查數(shù)據(jù)，每1a與每5a得出一次森林資源清查匯報。

加拿大的森林資源調(diào)查主要由各省掌管，主要匯集各省報備的圖片和數(shù)據(jù)合成全國圖，實現(xiàn)各省合作，進而得到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。其調(diào)查方式主要側(cè)重航片與衛(wèi)片，地面調(diào)查輔之，經(jīng)由計算機與數(shù)學(xué)模型處理，每年更新一次調(diào)查數(shù)據(jù)，衛(wèi)星圖像分析技術(shù)、數(shù)字地形模擬技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大程度上提高了數(shù)據(jù)管理與監(jiān)測能力和靈活程度。

2.2國內(nèi)森林資源監(jiān)測

1998年起，我國逐步建立國內(nèi)森林資源監(jiān)測系統(tǒng)，以東北、西北、中南、華東共四個區(qū)域為中心樞紐建立森林資源監(jiān)測中心，利用現(xiàn)代科技信息技術(shù)實現(xiàn)對森林信息的全面清查。

目前成功建立的以固定樣地為根基技術(shù)體系高質(zhì)量的完成了宏觀監(jiān)測，而基層經(jīng)營管理單位必須有一定精確度、間隔期短又詳細(xì)的信息。

為了順應(yīng)林業(yè)工作向生態(tài)環(huán)境建設(shè)的轉(zhuǎn)型，森林資源監(jiān)測的內(nèi)容與任務(wù)也在完成巨大轉(zhuǎn)折，依賴先進的無人機遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)庫、GIS技術(shù)輔以地面調(diào)查，逐步建立科學(xué)監(jiān)測體系，實現(xiàn)森林資源多方面綜合監(jiān)測。

2.3森林資源監(jiān)測系統(tǒng)的特點

（1）需全方位采集森林信息數(shù)據(jù)，如：樹木生長狀況、野生動植物種類及數(shù)量、濕地資源位置。這些信息需消耗大量人力物力完成，且僅僅依靠工作人員的工作時間去統(tǒng)計數(shù)據(jù)難以完成對森林生態(tài)系統(tǒng)全面綜合的考量。

（2）監(jiān)測周期趨于年度化，目前，各國森林資源監(jiān)測周期逐步縮減至1a，監(jiān)測周期變短調(diào)查數(shù)據(jù)的可信度也會大大提高，適應(yīng)各界用戶對森林資源信息準(zhǔn)確度的要求。

（3）加大科技創(chuàng)新在森林監(jiān)測體系中的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)采集更加精確，在未來森林資源監(jiān)測與規(guī)劃中發(fā)揮更大的作用。

3低空無人機遙感技術(shù)現(xiàn)狀

低空無人機遙感技術(shù)主要依靠較為先進的無人飛行器駕駛技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)、遙測遙控技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)等創(chuàng)新型技術(shù)，高速智能的采集各種相關(guān)資源的空間遙感資源，對其進行智能分析并實時管制，針對采集信息反映出的對應(yīng)特征分析得出技術(shù)處理措施。一種由UAV為平臺，大量成像與非成像傳感器作為重要載荷，飛行高度不超過幾千米，高速傳輸遙感影像、視頻等統(tǒng)計結(jié)果的測量系統(tǒng)被稱之為無人機遙感技術(shù)。

無人機遙感技術(shù)憑借其卓越的機動性、低成本、專業(yè)化和體積微小等特點，搭配高分辨率的傳感器、激光掃描儀和機載雷達等技術(shù)能迅速直接的監(jiān)測到空間區(qū)域信息。采用機載LiDAR技術(shù)能透過植被的枝葉縫隙抵達地表，破解了高密度植被覆蓋區(qū)域無法采集信息的難題，并通過采集進程中的多次回波傳遞出的信息區(qū)分地表其他植被與地物的特征，進而直接供應(yīng)植被在垂直結(jié)構(gòu)下的信息。

無人機相較其他飛行器來講，機動相應(yīng)指數(shù)極高，能夠越過地面迅速到達目標(biāo)空域，起”飛時間短，操作技能日趨智能化、自動化，飛行過程中的校對與調(diào)整完成了對目標(biāo)的準(zhǔn)確丈量。無人機遙感技術(shù)最大的特征即為能夠快速獲取高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，圖像獲取的空間分辨率可達分米級，具有垂直、傾斜及面積覆蓋成像技術(shù)。

目前，無人機遙感監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)滲透入各行各業(yè)的研究領(lǐng)域中，但我國森林資源生產(chǎn)監(jiān)管中的無人機遙感技術(shù)仍舊處于初級研究階段，無人機在小空間區(qū)域內(nèi)高效率的采集信息使其在森林監(jiān)測中優(yōu)勢盡顯，從而又一步滿足森林監(jiān)測系統(tǒng)對高時效信息采集的急切需求。

4無人機遙感系統(tǒng)與森林資源監(jiān)管

無人機遙感技術(shù)是用來監(jiān)測森林資源最先進的方法之一，通過熱紅外、多光譜等傳感器穿過植被間空隙以像元和面對像相結(jié)合的方式，對地表覆蓋物光譜、形狀特點和紋理進行綜合考量，并以此分析結(jié)果作為劃分植被與地物的標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，三維激光掃描技術(shù)正處于高速發(fā)展階段，其最大的特點即為高效率、不可觸碰、易穿透，因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)、交通領(lǐng)域與城鄉(xiāng)建設(shè)等多個領(lǐng)域。

河南四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司與武漢中海達數(shù)云技術(shù)有限公司都在產(chǎn)品研發(fā)方面做出了突出貢獻。河南四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司研發(fā)了一種低空輕小型紅外與激光雷達集成系統(tǒng)，此項研究成果真正意義上實現(xiàn)了對航測的全天全時需求。

武漢中海達數(shù)云技術(shù)有限公司還提出了一種小型無人機機載三維激光測量裝置，本發(fā)明實現(xiàn)了真正意義上的一體化需求，點云與全景影像無縫連接，操控方便，安裝簡便?，F(xiàn)有的基于無人航空器的三維激光雷達與可見光傳感器的融合方案還存在著一些空白，上述提到的集成裝置操作復(fù)雜，不易攜帶，價格昂貴，同步性差，兩者在使用上都有著一”定的局限性。

5總結(jié)展望

5.1應(yīng)用方面

無人機遙感技術(shù)具有其獨特的優(yōu)勢，可以在以往的傳統(tǒng)農(nóng)林作業(yè)，發(fā)展，規(guī)劃智慧城市，以及新農(nóng)村建設(shè)和考古，救援等應(yīng)用中占據(jù)更多的比例，這將對改善和提升遙感動態(tài)觀測體質(zhì)質(zhì)量及服務(wù)方面具有重大意義，但在無人機遙感技術(shù)自身和其發(fā)展中，目前仍存在一些未經(jīng)完善的問題所以還需要技術(shù)方面的的突破和政策上的支持。

5.2技術(shù)方面

在技術(shù)方面，通過修建更高水準(zhǔn)的聯(lián)合研究院，從飛行平臺氣動布局及結(jié)構(gòu)的設(shè)計，制造的技術(shù)，能源供給和助力系統(tǒng)，飛行控制與導(dǎo)航控制方向來說都是解決問題的關(guān)鍵和難題，另外從微型高效的一體化智能傳感技術(shù)，無人機的發(fā)射和回收技術(shù)出發(fā)還需要加強無人機遙感技術(shù)的技術(shù)，使無人機遙感技術(shù)更小，更精，更智能，往集成化，模塊化深度發(fā)展，同時研究并開發(fā)高性能的遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是發(fā)揮其獨特優(yōu)勢及廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

5.3政策方面

在政策方面來講，介于民用無人機航空遙感大多在小于3千米的低空區(qū)域內(nèi)工作，所以應(yīng)廣泛吸取并采納國外的先進經(jīng)驗，加快了解低空無人機遙感業(yè)務(wù)”飛行指南，在加強了無人機遙感技術(shù)飛行保障從業(yè)人員的職業(yè)能力估測和監(jiān)管機制并在無人機航拍作業(yè)基本條件和基本繪測基礎(chǔ)上，同其他應(yīng)用管理單位及機構(gòu)，分類并詳細(xì)規(guī)定各行業(yè)的無人機遙感技術(shù)建設(shè)內(nèi)容，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和考驗標(biāo)準(zhǔn)，為無人機遙感市場的健康，穩(wěn)定發(fā)展提供可靠的產(chǎn)品質(zhì)量保證及服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻

[1]馮家莉，劉凱，朱遠(yuǎn)輝等.無人機遙感在紅樹林資源調(diào)查中的應(yīng)用[J].熱帶地理，2015，35（01）：35-42

[2]雷添杰，宮阿都，李長春等，無人機遙感系統(tǒng)在低溫雨雪冰凍災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用.[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（04）：2417-2419.

[3]張園，陶萍，梁世祥等。無人機遙感在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用[J].西南林學(xué)院學(xué)報，2011，31（03）：49-53.