四軸無人機(jī)在林業(yè)管理中的應(yīng)用

李 想，李 陽(yáng)

（1.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300；2.陜西省西安植物園陜西省植物研究所，陜西西安 710061；3.陜西省植物資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心，陜西西安 710061）

森林被稱為“地球之肺”，是人類最寶貴的生物資源之一，不僅為人類提供生產(chǎn)和生活必需的原材料，而且在維持生態(tài)平衡中起到至關(guān)重要的作用[1]。根據(jù)2014年中國(guó)林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒，我國(guó)林地面積3．125 9 億hm2，森林面積2．076 8 億hm2，森林覆蓋率21．63%[2]。森林生態(tài)系統(tǒng)的變化對(duì)我國(guó)植物資源、生態(tài)環(huán)境、生態(tài)安全和人文環(huán)境起著重要作用[3]。對(duì)森林資源進(jìn)行高效和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)是保證林業(yè)生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵[4]。我國(guó)森林面積遼闊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，森林植物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，傳統(tǒng)的林業(yè)管理存在手段落后、管理水平低下和管理粗放等情況，已無法滿足當(dāng)今科學(xué)且高效地管理林業(yè)資源的需要。借助現(xiàn)代化高新技術(shù)輔助林業(yè)管理，構(gòu)建科學(xué)和高效的現(xiàn)代化林業(yè)管理體系，是林業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，也是生態(tài)文明建設(shè)的必然需求。

對(duì)森林資源的調(diào)查和監(jiān)測(cè)不僅是我國(guó)林業(yè)管理的核心任務(wù)，也是我國(guó)林業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)、建設(shè)生態(tài)文明社會(huì)的重要工作之一[5]。傳統(tǒng)的森林管理手段主要有人工實(shí)地監(jiān)測(cè)、固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)和載人飛機(jī)調(diào)查等方式[6]。人工實(shí)地監(jiān)測(cè)和固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低且人為主觀因素影響大，很難保證監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的選取完全隨機(jī)且具有代表性；衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率精度不能滿足監(jiān)測(cè)和研究需求，且容易受天氣影響；載人飛機(jī)調(diào)查的經(jīng)濟(jì)成本高。近年來，隨著傳感器檢測(cè)技術(shù)、智能控制技術(shù)及材料技術(shù)等的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)逐漸成熟。目前無人機(jī)已經(jīng)從固定翼飛行器發(fā)展到旋翼飛行器。旋翼飛行器中的四旋翼（四軸）無人機(jī)因?yàn)闃?gòu)造簡(jiǎn)單、飛行靈活且更容易接近任務(wù)目標(biāo)[7-8]，逐漸被應(yīng)用到地圖測(cè)繪、地質(zhì)勘測(cè)和氣象探測(cè)等方面。林業(yè)作業(yè)系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜，而四軸無人機(jī)作業(yè)效率高，無需專用的起降機(jī)場(chǎng)且可以攜帶一定裝備，可以很好地承擔(dān)林業(yè)信息采集甚至播種和噴藥等任務(wù)。因此，便攜又具有一定承載能力的四軸無人機(jī)成為目前林業(yè)管理中較經(jīng)濟(jì)的選擇。

1 無人機(jī)的發(fā)展與結(jié)構(gòu)

無人機(jī)是指具備動(dòng)力裝置，可以通過程序或其他駕駛設(shè)備控制的不載人飛行器[9]。根據(jù)機(jī)翼類型可劃分為固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)。近年來，隨著飛行器自主飛行控制能力的加強(qiáng)，旋翼無人機(jī)發(fā)展快速。旋翼無人機(jī)有著固定翼無人機(jī)無可替代的優(yōu)點(diǎn)。旋翼無人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅需調(diào)節(jié)旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可完成控制，飛行行為更靈活；機(jī)翼小，不受機(jī)翼限制，能更好地應(yīng)用于各種環(huán)境中；由于機(jī)翼特點(diǎn)，具有自主起飛和降落的功能，可以系統(tǒng)智能地調(diào)節(jié)高度，可實(shí)現(xiàn)垂直懸停、俯仰升降和偏航轉(zhuǎn)向等飛行姿態(tài)，并可長(zhǎng)時(shí)間保持飛行姿態(tài)。

四軸無人機(jī)是最具代表性，也是研究最為廣泛的一種旋翼無人機(jī)[8-9]。相較于其他類型的多旋翼無人機(jī)，四軸無人機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，相鄰旋翼間產(chǎn)生的扭矩更容易互相抵消；具有4 個(gè)獨(dú)立的電機(jī)作為輸出驅(qū)動(dòng)，可任意切換飛行姿勢(shì)和飛行速度，抗風(fēng)能力更強(qiáng)；操縱簡(jiǎn)單易上手。由于研究較深入，四軸無人機(jī)所匹配的云臺(tái)穩(wěn)定，航線設(shè)計(jì)等更為完善合理。四軸無人機(jī)因?yàn)轶w積小便于攜帶、飛行穩(wěn)定、定位精確、受天氣影響小和云臺(tái)承載靈活多樣等特點(diǎn)，可以承載遙感、紅外、可見光和多光譜等系統(tǒng)的影像功能，且其所載云臺(tái)擁有實(shí)時(shí)高清成像和紅外成像快速獲取等功能，使得四軸無人機(jī)在對(duì)環(huán)境復(fù)雜的林區(qū)進(jìn)行相關(guān)管理工作時(shí)具有極大優(yōu)勢(shì)。

2 四軸無人機(jī)在林業(yè)管理中的應(yīng)用

2．1 四軸無人機(jī)在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用

森林生態(tài)系統(tǒng)是全球陸地最重要的生態(tài)系統(tǒng)，復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)和物種組成使其物質(zhì)轉(zhuǎn)換和能量循環(huán)非常旺盛；其生產(chǎn)力高，提供給人類的生態(tài)功能最多[2]。隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地球生態(tài)系統(tǒng)尤其是森林生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴(yán)重破壞[1]，這將影響生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步。因此，一個(gè)國(guó)家和地區(qū)需要對(duì)區(qū)域的森林資源進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)控和調(diào)查，更好地掌握森林資源的現(xiàn)狀和發(fā)展方向，以便及時(shí)制定相應(yīng)的管理政策，保護(hù)和利用森林資源。森林資源調(diào)查屬于林業(yè)管理工作的基礎(chǔ)[5]。

結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）及全球定位系統(tǒng)（GPS）等，許多學(xué)者利用無人機(jī)遙感對(duì)森林資源進(jìn)行了各種調(diào)查研究。無人機(jī)遙感技術(shù)不僅可以準(zhǔn)確獲取森林的位置和面積[10]，還可通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)計(jì)算方法進(jìn)一步確定造林成活率[10]和森林密度[11-12]等。通過搭載不同的圖像傳感器，以及快速發(fā)展的模型和算法，目前可通過無人機(jī)遙感圖像獲取森林的郁閉度[13-14]、樹冠[13,15-16]、高度[16-17]、樹齡[10]、樹種[10]及單木高度[18-19]和單木冠幅等數(shù)值[19]，其準(zhǔn)確率逐步上升[12,19]。國(guó)家林業(yè)和草原局在部分區(qū)域開展的森林資源調(diào)查、營(yíng)造林核查、林業(yè)執(zhí)法、災(zāi)后調(diào)查及枯木調(diào)查等方面的研究表明，無人機(jī)的影像技術(shù)可代替很大一部分的人工實(shí)地調(diào)查，并且對(duì)森林資源年度變更、一類清查和二類清查等調(diào)查工作起到很大的輔助作用[20]。

對(duì)于一個(gè)立體的森林生態(tài)系統(tǒng)，不僅需要拍攝面積廣，還需要在不同層次的深度上進(jìn)行拍攝。四軸無人機(jī)操作簡(jiǎn)單，易于控制，可實(shí)現(xiàn)低空飛行，所拍攝的影像分辨率較高。此外，四軸無人機(jī)的旋翼小、體積小、可垂直升降和懸停，可對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的不同層片進(jìn)行拍攝，有利于完整、詳細(xì)及準(zhǔn)確地調(diào)查森林生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)和物種組成。通過搭載不同傳感器，四軸無人機(jī)在森林資源調(diào)查中可發(fā)揮更大的作用。

2．2 四軸無人機(jī)在森林防火中的應(yīng)用

森林火災(zāi)是嚴(yán)重危害林業(yè)生產(chǎn)和森林生態(tài)系統(tǒng)安全的重大災(zāi)害之一。及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是林業(yè)管理中重要的工作之一。傳統(tǒng)的林業(yè)火災(zāi)監(jiān)控手段主要是瞭望臺(tái)觀測(cè)、地面巡視、飛行巡護(hù)和衛(wèi)星遙感[21]。瞭望臺(tái)觀測(cè)和地面巡視不僅覆蓋面有限、人工成本高且存在視覺盲點(diǎn)，監(jiān)測(cè)效率低。因?yàn)槠脚_(tái)的固定周期及分辨率不高，衛(wèi)星遙感對(duì)森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)常常存在不及時(shí)的情況，而且受天氣影響較大。飛機(jī)巡護(hù)是目前常見的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)手段之一，但無人機(jī)具有更靈活、更安全、更便攜和更經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)水平360°和垂直120°方位監(jiān)控。其攜帶的GPS 系統(tǒng)可自動(dòng)定位火情位置，智能識(shí)別火情，對(duì)于重點(diǎn)區(qū)域和可疑地點(diǎn)可通過地面控制中心及時(shí)改變其飛行軌跡，達(dá)到重點(diǎn)詳查的目的[22]。美國(guó)“牽牛星Altair”無人機(jī)搭載紅外災(zāi)害評(píng)估系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)主要火災(zāi)點(diǎn)時(shí)，可每30 min 將數(shù)據(jù)傳輸給地面控制中心[23-24]。俄羅斯的“ZALA421-08”無人機(jī)同時(shí)搭載攝像機(jī)、照相機(jī)和熱像儀，可24 h 不間斷地發(fā)送傳輸結(jié)果，以便地面控制中心更快地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)區(qū)域并開展救援工作[25]。近年來，利用無人機(jī)監(jiān)控林業(yè)火情也在我國(guó)逐漸開展。陜西、廣西、內(nèi)蒙古、湖南、黑龍江、江西、吉林和廣東等?。ㄗ灾螀^(qū)）分別開展了無人機(jī)監(jiān)控森林火災(zāi)的工作，并取得一定成效[26]。2011年，廣東省仁化縣利用無人機(jī)監(jiān)測(cè)煉山林火，監(jiān)測(cè)面積達(dá)到113 hm2，地面控制中心通過該無人機(jī)發(fā)送的實(shí)時(shí)影像觀察林火發(fā)生、火的強(qiáng)度、蔓延方向和過火面積，并結(jié)合無人機(jī)發(fā)送的周圍山地環(huán)境、地表可燃物環(huán)境和氣象環(huán)境等數(shù)據(jù)，及時(shí)、準(zhǔn)確和高效地制定了滅火方案，大大縮減了滅火時(shí)間[27]。目前，我國(guó)自行搭建的“森林防火無人機(jī)預(yù)警系統(tǒng)”提供了一套經(jīng)濟(jì)、安全和高效的森林防火系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了紅外成像技術(shù)、GPS 技術(shù)和數(shù)字圖像傳輸技術(shù)等，以森林火情監(jiān)測(cè)為主，其中四軸無人機(jī)云臺(tái)搭配彩色CCD 任務(wù)載荷或紅外探測(cè)儀，可對(duì)火災(zāi)發(fā)生地的地理坐標(biāo)、受災(zāi)面積、火勢(shì)大小及蔓延情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)并傳輸回地面控制中心。

近年來，隨著傳感器的多樣化和精細(xì)化發(fā)展，目前用于森林火災(zāi)的四軸無人機(jī)可通過搭載紅外傳感器、可見光傳感器和火災(zāi)傳感器從多個(gè)角度監(jiān)測(cè)森林火情，可準(zhǔn)確、及時(shí)監(jiān)測(cè)火情。目前四軸無人機(jī)遙感系統(tǒng)匯集圖像分割序列、圖像穩(wěn)定及坐標(biāo)定位等多用途圖像處理功能，不僅可發(fā)現(xiàn)火災(zāi)地點(diǎn)，還可將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)及附近的完整信息傳輸給地面控制中心。地面控制中心可根據(jù)火災(zāi)的實(shí)時(shí)火情及時(shí)制定和修改相關(guān)任務(wù)計(jì)劃，減少人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。四軸無人機(jī)的應(yīng)用將大大推進(jìn)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)和救援工作。

2．3 四軸無人機(jī)在森林病蟲害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

森林病蟲害具有爆發(fā)迅速和擴(kuò)散面積廣等特點(diǎn)，每年給國(guó)家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。森林病蟲害的防治工作是國(guó)家減災(zāi)工程的重要組成部分[22]。森林病蟲害的傳播特點(diǎn)是由點(diǎn)狀或帶狀存在，接著大面積爆發(fā)。在森林病蟲害大面積爆發(fā)前進(jìn)行消殺是最有效且最經(jīng)濟(jì)的途徑。這就需要對(duì)森林進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)測(cè)[28]。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)很難在森林生態(tài)系統(tǒng)中做到大面積地毯式調(diào)查，而衛(wèi)星遙感等方式又因分辨率等問題很難在森林病蟲害初期發(fā)現(xiàn)問題。利用四軸無人機(jī)搭載可見光相機(jī)和高光譜成像儀，低空近距離對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行拍攝，可獲取目標(biāo)區(qū)域的高分辨率影像及高光譜數(shù)據(jù)。利用四軸無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)森林病蟲害，實(shí)現(xiàn)預(yù)警監(jiān)測(cè)，確定災(zāi)情發(fā)生的準(zhǔn)確位置及擴(kuò)散范圍，為治理災(zāi)害和評(píng)估損失提供支持。

2．4 四軸無人機(jī)在其他林業(yè)管理中的應(yīng)用

我國(guó)森林面積遼闊，森林資源豐富多樣，提供了豐富的物質(zhì)資源。很多不法分子為了短期利益，不顧國(guó)家法律法規(guī)，非法占用森林用地、亂砍濫伐森林樹木和亂捕濫殺野生動(dòng)物等，嚴(yán)重破壞了我國(guó)的森林資源和森林生態(tài)系統(tǒng)的平衡[22]。我國(guó)森林腹地地廣人稀，因人力、財(cái)力和精度的限制，傳統(tǒng)的人力巡邏和飛機(jī)巡航等手段覆蓋面積小，時(shí)效性差。四軸無人機(jī)成本低、耗能低，可對(duì)所管轄林區(qū)進(jìn)行大面積日常巡檢，其攜帶的高清攝像系統(tǒng)可獲取精確的森林生長(zhǎng)狀況并拍攝證據(jù)，其攜帶的通話系統(tǒng)可對(duì)不法行為進(jìn)行高空喊話和警告制止等行為，為林業(yè)執(zhí)法工作提供強(qiáng)有力的保障。

3 四軸無人機(jī)在林業(yè)管理中的應(yīng)用展望

隨著社會(huì)進(jìn)步及科技發(fā)展，現(xiàn)代林業(yè)、精準(zhǔn)林業(yè)和智慧林業(yè)等概念和理論不斷被完善。我國(guó)林業(yè)管理也逐步從傳統(tǒng)的粗放型進(jìn)入到數(shù)字化、信息化和智能化的時(shí)代。將高新技術(shù)引入林業(yè)管理，提高我國(guó)林業(yè)管理水平是刻不容緩的任務(wù)。

隨著傳感器檢測(cè)技術(shù)、智能控制技術(shù)和材料技術(shù)等的快速發(fā)展，四軸無人機(jī)及其配套系統(tǒng)的發(fā)展越來越成熟。無人機(jī)遙感系統(tǒng)具有成本低、易維護(hù)、效率高、時(shí)效性強(qiáng)和對(duì)環(huán)境要求低等特點(diǎn)。但目前我國(guó)低空無人機(jī)在林業(yè)管理中的應(yīng)用和研究尚處在初級(jí)階段。四軸無人機(jī)在森林資源調(diào)查、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)和森林病蟲害監(jiān)測(cè)等方面具有很好的應(yīng)用前景，但目前尚缺乏完善的配套技術(shù)系統(tǒng)。例如針對(duì)林業(yè)管理所設(shè)計(jì)的具體硬件設(shè)備、相關(guān)圖像處理軟件和相關(guān)計(jì)算機(jī)算法等。在未來的研究中，可針對(duì)具體研究任務(wù)開發(fā)出具體的四軸無人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，推動(dòng)無人機(jī)在林業(yè)管理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。