簡述多懸翼無人駕駛飛行器在林業(yè)中的應(yīng)用

汪東仁

（北京市房山區(qū)林果科技服務(wù)中心，北京 102400）

多旋翼飛行器(Multirotor)，也稱多軸航空器，是三個(gè)及以上旋翼軸的特殊的直升機(jī)，主要由飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)載鏈路系統(tǒng)組成。無人駕駛航空器俗稱無人機(jī)，最早出現(xiàn)在二十世紀(jì)初的英國。當(dāng)時(shí)無人機(jī)更多的是被用來當(dāng)作偵察機(jī)和靶機(jī)運(yùn)用于軍事領(lǐng)域。隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)也從軍事領(lǐng)域慢慢拓展到了社會(huì)服務(wù)上。1987年，日本為了解決本國面臨的農(nóng)業(yè)人口日益減少的問題，委托雅馬哈公司開發(fā)了撒播農(nóng)藥的“R-50”無人機(jī)，這是世界上第一架農(nóng)用無人機(jī)。2013年，我國自主研發(fā)的Z5型無人機(jī)在內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)進(jìn)行首航，這是無人機(jī)在我國首次運(yùn)用于森林的經(jīng)營管理中。自此以后，無人機(jī)廣泛運(yùn)用于林業(yè)。

1 無人機(jī)在林業(yè)中的運(yùn)用

目前無人機(jī)技術(shù)的林業(yè)應(yīng)用主要體現(xiàn)在如下方面：林業(yè)有害生物防治與測報(bào)、林業(yè)資源調(diào)查、森林火災(zāi)預(yù)警及火場勘察。

1.1 無人機(jī)防治林業(yè)有害生物

林業(yè)有害生物的侵襲可致林木大面積死亡，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，可謂是“無煙的火災(zāi)”。林業(yè)有害生物指為害森林、林木和林木種子正常生長并造成經(jīng)濟(jì)損失的病、蟲、雜草等，主要包括害蟲、有害植物及致病微生物等。如美國白蛾、松材線蟲病、薇甘菊等。防治有害生物是林業(yè)生產(chǎn)中極為重要的一環(huán)。近年來，我國防治林業(yè)害蟲主要是采用化學(xué)農(nóng)藥噴灑，而噴灑的方式層出不窮，其中無人機(jī)作為一種新興的藥物噴灑方式，具有明顯的優(yōu)勢。設(shè)定特定的程序包括噴射量、噴射速度以及面積等參數(shù)，當(dāng)其在林地上方航行時(shí)，將藥液以霧狀形態(tài)瞬間噴灑向林地，均勻撒落在樹木的各個(gè)部位，達(dá)到殺蟲的效果。相比于傳統(tǒng)的防治噴藥方法，無人機(jī)在防治林業(yè)有害生物方面具備很多的優(yōu)點(diǎn)。第一，無人機(jī)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。森林中有著多樣化的地形，無人機(jī)在工作時(shí)可以適應(yīng)各種地形，無論是丘陵還是山地，并且能夠?qū)Σ煌杳芏鹊纳诌M(jìn)行噴藥的智能調(diào)節(jié)。第二，降低防治成本。藥液在無人機(jī)中以霧狀噴灑向樹木，極大地提高藥液的利用率。

1.2 無人機(jī)在林業(yè)有害生物測報(bào)中的應(yīng)用

近年來，我國最嚴(yán)重的森林病害就是松材線蟲病，其發(fā)生迅速并且無法預(yù)測，一旦發(fā)生就會(huì)導(dǎo)致松樹大面積的組織壞死，樹葉褪綠，樹木枯死。通過對(duì)林業(yè)有害生物科學(xué)監(jiān)測能夠準(zhǔn)確掌握它的發(fā)生然后有的放矢進(jìn)行防治。在這方面，無人機(jī)遙感技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢。無人機(jī)在林木上方航行通過紅外或者遠(yuǎn)紅外的遙感技術(shù)攝取每一株林木的實(shí)時(shí)圖像并且反饋給地面控制中心，工作者接收到圖片之后運(yùn)用遙感圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行具體分析，其中包括對(duì)圖像進(jìn)行柵格化矢量化，分類以及影射校正等，之后在相應(yīng)軟件中就會(huì)獲得林木的植被指數(shù)、歸一化指數(shù)等能夠反映林木健康狀況的指標(biāo)，根據(jù)相應(yīng)樹種的正常指數(shù)來判斷是否發(fā)生了病蟲害。

1.3 運(yùn)用無人機(jī)調(diào)查林業(yè)資源

林業(yè)資源指的是林地內(nèi)林木及其林內(nèi)的動(dòng)物、植物、微生物以及森林環(huán)境資源。林業(yè)調(diào)查主要掌握我國目前林業(yè)資源情況，為林業(yè)事業(yè)的發(fā)展提供依據(jù)。傳統(tǒng)的林業(yè)調(diào)查普遍是人工進(jìn)行，調(diào)查者需要在戶外跋山涉水，進(jìn)行長時(shí)間、高強(qiáng)度、大工作量的調(diào)查工作。隨著無人機(jī)的發(fā)展，無人機(jī)遙感技術(shù)在林業(yè)調(diào)查中受到了重視并進(jìn)行了實(shí)踐。林業(yè)工作者借助無人機(jī)在森林里航行拍攝獲取高分辨率的林地中各小班圖像，并實(shí)時(shí)傳輸圖像給地面控制中心，工作者在相應(yīng)的遙感工作平臺(tái)上對(duì)接受到的圖像進(jìn)行分析、演繹、判讀、分類和校正。之后，工作者在相應(yīng)的軟件中以小班為單位總結(jié)出調(diào)查成果，其成果的展示方式可以為表簿材料、圖面材料和文字材料，繪制林業(yè)調(diào)查一張圖。通過此圖的高分辨率的遙感影像和森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的圖像，工作者們可以在圖中獲取相應(yīng)的林業(yè)資源情況。無人機(jī)調(diào)查林業(yè)資源的方式解決了人工調(diào)查的繁瑣性和長期性，并且在調(diào)查結(jié)果的呈現(xiàn)上更加多樣化和具體化。

1.4 無人機(jī)預(yù)警森林火災(zāi)，勘察火災(zāi)現(xiàn)場

在森林的管理方面，火災(zāi)是災(zāi)難性的，是不可預(yù)料的，所以預(yù)防火災(zāi)以及火災(zāi)發(fā)生后迅速判定發(fā)生地點(diǎn)成為森林經(jīng)營管理上的一大難題。而在2006年，美國的加州發(fā)生了一起重大森林火災(zāi)事件，當(dāng)時(shí)，美國航空航天局與美國林業(yè)局開發(fā)了名為“牽牛星”的無人機(jī)用于加州的森林火災(zāi)中幫助消防員進(jìn)行滅火任務(wù)并且取得了較大的成功。無人機(jī)技術(shù)在火災(zāi)的預(yù)防以及勘察中能夠發(fā)揮驚人的作用，無人機(jī)通過自身機(jī)載的紅外和可見光攝影機(jī)對(duì)林地情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，實(shí)時(shí)向地面控制中心反饋林地圖像，工作者接收到圖像通過識(shí)別系統(tǒng)確定是否出現(xiàn)火點(diǎn)，一旦發(fā)現(xiàn)有火點(diǎn)出現(xiàn)，工作者就能根據(jù)攝取的圖像迅速定位并且組織火警第一時(shí)間治理?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，無人機(jī)還可以勘察現(xiàn)場情況，將火場的輪廓、面積、蔓延速度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回地面控制中心，為地面撲火指揮提供重要信息，避免造成更大的損失。另外，無人機(jī)可以攜帶滅火器具在高空進(jìn)行輔助滅火。

2 前景展望

目前，無人機(jī)技術(shù)還在發(fā)展階段，所以在應(yīng)用中仍存在著一些不足。第一，續(xù)航能力。無人機(jī)的飛行是需要電池供電的，電池的容量不足，導(dǎo)致了無人機(jī)的作業(yè)受到時(shí)間的限制，市場上的絕大多數(shù)無人機(jī)一般作業(yè)時(shí)間都在20～30分鐘，對(duì)于林業(yè)工作來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。第二，低空區(qū)域未開放，作業(yè)申請(qǐng)較難。在我國，無人機(jī)的使用在近些年呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，但對(duì)于無人機(jī)的管理政策卻相對(duì)滯后，而且無人機(jī)申請(qǐng)空域比較困難，這也阻礙了行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。第三，無人機(jī)黑飛較多，擾亂了市場。由于無人機(jī)申請(qǐng)計(jì)劃較難，大部分民用無人機(jī)都是在沒有民航局管理部門的適航許可下進(jìn)行飛行，也就是所謂的黑飛。黑飛會(huì)造成眾多的安全隱患，其直接危害是擾亂了空中管制，另外黑飛會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)市場的混亂，真正能夠有資格飛行的卻因計(jì)劃申請(qǐng)等多方面限制無法作業(yè)。

隨著社會(huì)進(jìn)步，科技的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)在林業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用將不斷拓展。第一，更加智能化?，F(xiàn)在社會(huì)的熱點(diǎn)問題是人工智能，對(duì)無人機(jī)來說也不例外，智能化是行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。例如未來無人機(jī)能夠在森林中匹配地形航行；在林間追蹤珍稀野生動(dòng)物拍下圖像掌握其習(xí)性；下達(dá)指令后完成任務(wù)自主返回。第二，打破電池瓶頸（長續(xù)航）。隨著續(xù)航能力的不斷拓展，林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)大范圍得到實(shí)現(xiàn)，特別是對(duì)于火災(zāi)的監(jiān)測與預(yù)警。第三，系統(tǒng)化。未來的無人機(jī)將會(huì)與遙感、通信、地理信息等多方面結(jié)合，使得無人機(jī)在林業(yè)中的應(yīng)用更加開闊。相信在不久的將來，無人機(jī)技術(shù)進(jìn)一步完善，無人機(jī)飛行變得大眾化，數(shù)量將會(huì)快速上升并且占主導(dǎo)地位。日前，權(quán)威的媒體以及機(jī)構(gòu)發(fā)布無人機(jī)市場新預(yù)測，預(yù)測2021年無人駕駛飛機(jī)銷售額將超過120億美元，2016-2021年復(fù)合年均增長率為7.6%，所以未來無人機(jī)發(fā)展領(lǐng)域空前廣闊。