無人機(jī)遙感技術(shù)與ArcGIS數(shù)據(jù)處理在林業(yè)系統(tǒng)中的運(yùn)用

聶麗

摘 要 林業(yè)系統(tǒng)是社會可持續(xù)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是國家生態(tài)體系的重要組成部分。國內(nèi)的林業(yè)系統(tǒng)發(fā)展仍然處于轉(zhuǎn)型階段，為了確保林業(yè)的長期發(fā)展，需要引進(jìn)以無人機(jī)遙感和ArcGIS為代表的先進(jìn)技術(shù)。闡述無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS系統(tǒng)的概念，結(jié)合實例分別對其在林業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞 無人機(jī)遙感技術(shù);ArcGIS;林業(yè);江西省撫州市

中圖分類號：F326.2;P237 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.26.021

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技水平的迅速提升，傳統(tǒng)概念上的封閉式林業(yè)管理已經(jīng)不符合時代發(fā)展的潮流。為了更準(zhǔn)確地了解林業(yè)系統(tǒng)的內(nèi)部情況和資源分布情況，很多林業(yè)部門選擇引進(jìn)無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)對區(qū)域內(nèi)的林業(yè)資源進(jìn)行系統(tǒng)管理。這種新型管理方式既能夠直接地顯示出林業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部資源的分布情況，又能夠提升林業(yè)系統(tǒng)管理的工作效率和工作質(zhì)量，幫助建設(shè)林業(yè)系統(tǒng)的智能化管理[1]。

1 無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

無人機(jī)遙感技術(shù)是無人機(jī)航空拍攝技術(shù)的一種，是將無人機(jī)與遙感技術(shù)相融合，借助無人自動化駕駛技術(shù)和遙感遙控技術(shù)及時獲得空間信息。無人機(jī)遙感技術(shù)屬于低空操作技術(shù)，在收集圖片和影像時不會受到大氣層波動的干擾，具備使用簡易、操作成本較低、影像分辨率高及收集圖像速度快等優(yōu)勢。無人機(jī)遙感技術(shù)由外部影像獲取和內(nèi)部影像加工2個部分組成。外部影像獲取主要是利用無人機(jī)對指定區(qū)域進(jìn)行正面影像采集，考慮到無人機(jī)屬于低空飛行，拍攝覆蓋面積有限，因此在實際操作中通常選擇將多個圖像拼接整合后獲得指定區(qū)域的遙感信息。內(nèi)部影像加工主要是指使用專門的影像模型軟件對收集到的影像進(jìn)行縱向和水平對齊、校正圖片、繪制三維模型和填充紋理等，最終得到一份完整的正投影像和測試區(qū)域的三維參數(shù)，以便日后在ArcGIS系統(tǒng)中進(jìn)行處理和分析[2]。

ArcGIS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是對地理數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、整合、分析和運(yùn)用的綜合性信息處理平臺，對于林業(yè)系統(tǒng)的管理有很高的應(yīng)用價值。ArcGIS系統(tǒng)主要包括地理信息數(shù)據(jù)庫的設(shè)立、信息數(shù)據(jù)的錄入及數(shù)據(jù)的整合和分析等。根據(jù)實際需要建立一個數(shù)據(jù)庫框架，以點(diǎn)線面的方式建立數(shù)據(jù)內(nèi)容之間的客觀聯(lián)系。開始信息數(shù)據(jù)的錄入時，要注意地理信息的完整性及可對比性，并對無人機(jī)遙感技術(shù)獲取和加工過的三維數(shù)據(jù)與正面投影影像對比校正，在校正過程中要關(guān)注坐標(biāo)系的適用范圍。在此基礎(chǔ)上就可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合和分析工作，如林區(qū)類型的整合統(tǒng)計、林區(qū)面積變動情況及長寬、坡度等相關(guān)地形參數(shù)，形成直觀的三維模型圖，以清晰直觀的方式展示林業(yè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀。

無人機(jī)作為方便靈活的采集設(shè)備搭載平臺，可以充分滿足大范圍內(nèi)三維數(shù)據(jù)采集的需要，為林業(yè)調(diào)查、觀測和管控等方面提供準(zhǔn)確完整的數(shù)據(jù)支撐;而ArcGIS則充分利用無人機(jī)采集到的遙感信息，進(jìn)行林業(yè)數(shù)據(jù)庫的搭建和三維模型圖的制作等進(jìn)一步的加工處理工作[3]。無人機(jī)遙感影像的直觀性與ArcGIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能的充分結(jié)合和銜接，可以實現(xiàn)林業(yè)數(shù)據(jù)的動態(tài)采集和遠(yuǎn)程信息化管理，進(jìn)一步推進(jìn)林業(yè)系統(tǒng)的現(xiàn)代化管理。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)在林業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 森林滅火

森林火災(zāi)常常會造成巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)損失及人員傷害，且撲滅難度很大，因此需要林業(yè)部門進(jìn)行特別和重點(diǎn)的關(guān)注?，F(xiàn)階段使用的森林防火方法是派遣專門人員進(jìn)行實地觀察和巡邏，但這種傳統(tǒng)的方法工作量大、危險程度高、監(jiān)測水平低，對覆蓋面較廣的大型林區(qū)不合適[4]。此外，當(dāng)火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生時，這種方法會給巡邏觀測人員帶來很大的危險。因此，森林火災(zāi)防范中引入無人機(jī)遙感技術(shù)，可以充分發(fā)揮其操作簡單、快速應(yīng)對、使用成本低、影像拍攝清晰度高及多功能等優(yōu)勢，對發(fā)生火災(zāi)的火場實施動態(tài)觀測，幫助及時撲滅森林火災(zāi)。

2.2 森林資源勘查

森林資源勘察也是林業(yè)系統(tǒng)工作中的一個重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的資源勘查常常需要借助人力實地考察，會造成大量的人力和財力浪費(fèi)。而在快速發(fā)展的科技水平的帶動下，森林資源勘察的方式從抽樣調(diào)查、隨機(jī)調(diào)查逐步過渡到無人機(jī)遙感勘察階段，可以迅速收集指定區(qū)域的森林資源數(shù)據(jù)，具備時效度高、成本耗費(fèi)低、能源損耗少及清晰程度高等相對優(yōu)勢。如東鄉(xiāng)區(qū)林業(yè)局在林區(qū)調(diào)查中使用了無人機(jī)遙感技術(shù)，在勘察過程中采集到了清晰程度很高的遙感影像，并將其導(dǎo)入相應(yīng)的圖像處理軟件進(jìn)行分析和研究，取得了很好的工作成效[5]。

2.3 野生動物觀測

在野生動物的生存和行動軌跡觀測上，無人機(jī)遙感技術(shù)具有極高的時效性，能夠第一時間掌握整個區(qū)域的野生動物族群。通過引入無人機(jī)遙感技術(shù)，不僅可以實時觀測野生動物族群的分布情況和生長趨勢，還可以對瀕危的珍貴種群進(jìn)行全方位、全時間段的動態(tài)跟蹤觀察，避免人工巡邏對野生動物造成的干擾，降低實地觀測的人力和財力成本。

2.4 林業(yè)有害生物防治

現(xiàn)階段，林業(yè)病蟲害防治主要依賴人力噴灌農(nóng)藥、設(shè)置防蟲網(wǎng)、化學(xué)試劑誘殺及黑光燈誘捕等方式，但隨著國內(nèi)綠地面積的擴(kuò)展及極端氣候的頻繁出現(xiàn)，森林病蟲災(zāi)害愈發(fā)頻繁，導(dǎo)致傳統(tǒng)的防治措施在對付大規(guī)模森林病蟲災(zāi)害時呈現(xiàn)出較大的劣勢。利用無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)藥的噴灑和動態(tài)監(jiān)測可以顯著提高病蟲害的監(jiān)測和防災(zāi)減災(zāi)能力，降低甚至消除森林有害生物對林業(yè)系統(tǒng)和林區(qū)資源造成的災(zāi)難性傷害。國內(nèi)使用無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行有害生物防治的成功案例之一就是江西省撫州市東鄉(xiāng)區(qū)林業(yè)局利用無人機(jī)遙感配合ArcGIS技術(shù)進(jìn)行枯死馬尾松普查工作，清點(diǎn)枯死馬尾松的數(shù)量、分布區(qū)域并以此為基礎(chǔ)判斷清理的難易程度，通過制定快速高效的防治策略，保障區(qū)域內(nèi)的生態(tài)安全。

3 ArcGIS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在林業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 林區(qū)資源清查和管控

ArcGIS技術(shù)可以通過自帶的成圖功能完成對林區(qū)資源的清查工作，其工作流程是勘察人員將收集到的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資源經(jīng)過計算機(jī)軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)锳rcGIS可以分析的數(shù)據(jù)表格，之后再利用該技術(shù)將整理加工之后的數(shù)據(jù)表格轉(zhuǎn)換為圖形存儲到相應(yīng)處理設(shè)備中，進(jìn)而幫助決策者快速計算面積和匯總數(shù)據(jù)，對林業(yè)數(shù)據(jù)和林區(qū)資源進(jìn)行有效的遙控管理。

3.2 林區(qū)電子地圖的繪制

林區(qū)系統(tǒng)的管理離不開圖面影像和資料的支撐，因此在林區(qū)系統(tǒng)中引入ArcGIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)可以有效緩解制圖壓力。1）ArcGIS的圖層功能可以將獲得的影像和數(shù)據(jù)信息劃分為多個層次，在分析時可以選擇觀看需要的數(shù)據(jù)信息圖層，減少多種信息混亂疊加造成的困擾[6]。2）ArcGIS可以將地圖以點(diǎn)線面的形式展示出來，方便管理人員對地圖進(jìn)行直接操作和簡單調(diào)整。3）ArcGIS將所有圖像重新組合和疊加，在不同圖層之間建立起內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)，并根據(jù)不同專題目標(biāo)進(jìn)行內(nèi)容輸出。如ArcGIS可以利用自帶的成圖功能，將GPS坐標(biāo)信息和林區(qū)勘察資料信息以圖形的方式呈現(xiàn)出某一點(diǎn)位的GPS地理坐標(biāo)和勘察數(shù)據(jù)，方便林區(qū)管理人員對轄區(qū)內(nèi)森林的概況和具體坐標(biāo)進(jìn)行總體掌握。

3.3 林業(yè)規(guī)劃和經(jīng)營管理

ArcGIS地理信息處理系統(tǒng)可以幫助林區(qū)管理人員進(jìn)行信息的處理傳遞和林業(yè)數(shù)據(jù)庫的搭建，使工作人員及時獲取林區(qū)系統(tǒng)的發(fā)展情況，并以此為依據(jù)擬出符合規(guī)劃的具體方案，之后經(jīng)過模擬對比后得出更加實際和合理的具體管理方案。如ArcGIS可以對不斷變換的森林資源產(chǎn)量和野生動植物的數(shù)量進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合之前繪制的林區(qū)電子地圖中詳盡的參數(shù)數(shù)據(jù)，在ArcGIS系統(tǒng)中形成預(yù)測模型，幫助管理人員完成林業(yè)規(guī)劃工作。

3.4 林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理

在完成分析預(yù)測模型的建立和對林區(qū)自然資源分布情況掌握的基礎(chǔ)上，ArcGIS可以幫助林區(qū)工作人員制定長期和短期的生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃。ArcGIS中內(nèi)置許多重要的分析和描述工具，可以對生態(tài)的發(fā)展過程進(jìn)行模擬，并對轄區(qū)內(nèi)的生物多樣性進(jìn)行反復(fù)分析。ArcGIS還可以整合當(dāng)?shù)厝丝跀?shù)據(jù)和生態(tài)信息，在疊加和組合的基礎(chǔ)上分析人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的長期影響，避免生態(tài)系統(tǒng)遭到人為的過度破壞，推動森林資源的可持續(xù)發(fā)展。通過約束人類活動的界限，從經(jīng)濟(jì)和政策2大方面為人類和生態(tài)實現(xiàn)和諧互動提供強(qiáng)力保障。ArcGIS中的分析預(yù)測模型所繪制的電子地圖使得居民接觸到以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化形式傳達(dá)的生態(tài)數(shù)據(jù)信息，能大大提升居民對城市綠化和環(huán)境保護(hù)的參與度。

4 無人機(jī)遙感技術(shù)與ArcGIS數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用案例

以江西省撫州市的林業(yè)工作為例，可以看到無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS數(shù)據(jù)處理在林業(yè)系統(tǒng)中的實際應(yīng)用情況。撫州市林業(yè)局從戰(zhàn)略層面上對新技術(shù)的引入和使用給予重視，通過了以“林業(yè)機(jī)載軟件系統(tǒng)研發(fā)及集成”建設(shè)內(nèi)容為代表的林業(yè)資源監(jiān)測機(jī)載系統(tǒng)建設(shè)項目，項目包括了機(jī)載業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研發(fā)、機(jī)載時空信息云服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的建設(shè)及機(jī)載設(shè)備運(yùn)行情況的測試等。

在實踐中，撫州市林業(yè)局在區(qū)域內(nèi)首次利用無人機(jī)開展了苗圃地勘察，為苗圃地周圍的林區(qū)資源評估提供了數(shù)據(jù)支持。針對苗圃地及周圍的樹木品種多、規(guī)格不一致、地區(qū)劃分不明確等問題，南城縣林業(yè)局首次將無人機(jī)遙感技術(shù)投入到使用中。通過無人機(jī)技術(shù)低空拍攝苗圃地實景，再將多張影像拼接成一個完整且附帶地理坐標(biāo)的空間矢量圖。之后將該矢量圖錄入ArcGIS中，就可以在系統(tǒng)中完成小班劃分、面積估算、株數(shù)統(tǒng)計等工作，并對苗木的高度、半徑、株距等參數(shù)進(jìn)行測量，完成苗圃地區(qū)的森林資源勘察，進(jìn)一步推動南城縣和撫州市在林業(yè)現(xiàn)代化和林業(yè)智能化方向繼續(xù)發(fā)展。除此之外，撫州市還組織了下屬區(qū)縣參與到江西省的無人機(jī)遙感技術(shù)培訓(xùn)中，參與學(xué)員在培訓(xùn)班結(jié)束后都做到了對無人機(jī)駕駛技術(shù)的掌握，完成了規(guī)定的培訓(xùn)目標(biāo)。這不僅提高了林區(qū)管理人員的技術(shù)水平和創(chuàng)新意識，也為向更大范圍內(nèi)推廣無人機(jī)航空遙感技術(shù)提供了方向，有助于推進(jìn)新技術(shù)在林區(qū)系統(tǒng)管理和災(zāi)害防治中的應(yīng)用，提高撫州市林業(yè)對災(zāi)害的預(yù)測和應(yīng)對能力。

5 結(jié)語

目前，無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS數(shù)據(jù)處理在林區(qū)系統(tǒng)中的運(yùn)用還處于開始階段，仍需要在實際工作中不斷發(fā)展和完善。為了實現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化，要繼續(xù)提升無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS自身的科技含量，提高技術(shù)本身的實用性和穩(wěn)定性，如提升無人機(jī)的抗風(fēng)能力、改進(jìn)升降操作、增加航拍載體的穩(wěn)定性等;同時也需要進(jìn)一步向林業(yè)從業(yè)人員宣傳新技術(shù)的功能和優(yōu)勢，推動無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS在實際中的廣泛應(yīng)用，使生態(tài)林業(yè)和高科技林業(yè)成為可能。

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（責(zé)任編輯：趙中正）