淺談無人機技術(shù)在林業(yè)調(diào)查工作中的應(yīng)用

王振生

（廣西壯族自治區(qū)國有東門林場，廣西 扶綏 532100）

1.無人機技術(shù)概述

無人機，也被稱為無人駕駛航空系統(tǒng)/車輛(UAS/UAV)，或遙控飛機，無人機這個術(shù)語被故意改成無人機系統(tǒng)，以反映無人機操作中涉及的復(fù)雜系統(tǒng)。軍方通常使用 RPA 一詞。自20 世紀50 年代以來，無人機的主要任務(wù)一直是空中偵察。此外，還有人將無人機分為五種用途：目標和誘餌、偵察、戰(zhàn)斗、研究和開發(fā)，以及民用和商用。

2.無人機技術(shù)在林業(yè)調(diào)查工作中的應(yīng)用探究

2.1 森林防火

無人機在森林防火的重點在于早期發(fā)現(xiàn)地面巡邏無法覆蓋的偏遠地區(qū)的森林火災(zāi)，以及準確掌握和及時了解重大森林火災(zāi)現(xiàn)場的各種動態(tài)信息，還可以解決飛機巡邏無法在夜間飛行、因煙霧而降低能見度的問題。無人機作為現(xiàn)有林業(yè)監(jiān)測手段的有力補充，顯示出其相對于其他方法的優(yōu)越性，將廣泛應(yīng)用于森林火災(zāi)的監(jiān)測、預(yù)防、撲救和災(zāi)后評估等方面，它們還用于確定熱點和防火口的位置，然后將水輸送到火災(zāi)發(fā)生的地點。通過跟蹤和繪制火災(zāi)模式，幫助消防員確定火災(zāi)蔓延情況，使消防員能夠作出明智的決定。

2.2 病蟲害檢測與預(yù)防

近年來，由于不良的氣象、土壤等非生物因素使森林病害逐漸增多，導(dǎo)致林木生長不良，產(chǎn)量、質(zhì)量下降，甚至引起林木枯死和生態(tài)條件的惡化。較以往人工巡邏及噴灑農(nóng)藥的方式，無人機的出現(xiàn)大大節(jié)省了人力物力，通過無人機噴灑藥物、監(jiān)測能有效的提升林業(yè)有害生物監(jiān)測預(yù)警、檢疫御災(zāi)、防治減災(zāi)水平，有效預(yù)防和控制了林業(yè)有害生物災(zāi)害的嚴重發(fā)生。

2.3 森林管理的優(yōu)化和發(fā)展

集約化森林經(jīng)營是提高森林生產(chǎn)力和滿足不斷增長的木材需求的有效途徑?？焖偕L的森林植株的管理類似于精細農(nóng)業(yè)的做法，并且可以通過無人機遙感加以推廣，非典型運動是在正確的時間和正確的地點施肥。研究人員用無人機遙感獲得了近紅外圖像，用于繪制森林結(jié)構(gòu)健康圖，他們發(fā)現(xiàn)光譜輻射測量法和野外取樣測定的葉片氮含量之間有著明顯的相關(guān)性。這種方法利用無人機幫助降低集約化森林管理的成本，提高經(jīng)濟效益。

3.無人機技術(shù)在林業(yè)調(diào)查工作中的展望

不準確的森林調(diào)查數(shù)據(jù)會導(dǎo)致政府、單位和個人森林所有者做出錯誤的決定，并可能對經(jīng)濟產(chǎn)生巨大的負面影響。由于錯誤的造林決定，每年給我國林場帶來的經(jīng)濟損失不低于數(shù)10 億元。生長存量的估計必須基于取樣、測量和建模的結(jié)合，因此，為提高造林效率，在森林樣地中進行實地測量是至關(guān)重要的。利用漸進式3Dremote 傳感技術(shù)需要精心選擇樹狀和/或地塊水平的野外參考資料來進行數(shù)據(jù)標記，這些資料通常是用測徑器、測量磁帶、測高儀等手工采集的，有時還用重影鏡、巡航桿和增量鉆孔器來采集。最常見的樹高參數(shù)是胸徑(DBH)、6 米(d6)的胸徑和樹高(h)。然后根據(jù)這些基本測量數(shù)據(jù)估算單株樹木的材積和地上生物量。地塊水平信息可以通過地塊水平估計直接獲得，例如，用相關(guān)法或樹木水平特征的總結(jié)。這種常規(guī)方法很難跟上當(dāng)代和未來森林調(diào)查所要求的野外參考數(shù)據(jù)收集的覆蓋面、規(guī)模和重復(fù)性。需要采用更具成本效益的自動化技術(shù)，以盡可能準確和迅速地提供現(xiàn)場參考數(shù)據(jù)。經(jīng)過大約二十年的研究，地面激光掃描(TLS)正進入實際應(yīng)用階段。對單掃描和多掃描兩種方法的性能進行了深入研究，結(jié)果表明，由于遮擋的影響，單掃描數(shù)據(jù)中有10-32% 的樹木是不可見的。多重掃描方法能夠覆蓋一塊區(qū)域內(nèi)接近100% 的樹木，但受到人工和后處理成本的阻礙。然而，TLS 已被證明是可行的收集基本的樹木和小區(qū)屬性，如樹位，胸徑，干曲線，樹種，材積和生物量。自動化提取屬性的精度相當(dāng)于那些基于關(guān)鍵的野外測量(DBH，d6，和 h)結(jié)合最佳異速生長模型的精度。

其他進一步提高現(xiàn)場參考數(shù)據(jù)收集效率和自動化水平的努力包括移動激光掃描(MLS)、攝影測量地面點云(簡稱 SfM)和使用眾包。MLS 有能力高精度和更容易地測量復(fù)雜和有問題的森林地區(qū)。最近的報告表明，MLS 允許的地塊收集比 TLS 快10 倍，大約2-4 厘米胸徑精度。MLS的缺點是，由于 GNSS 在森林中的陰影，MLS 的注冊精度需要提高，例如，通過即時定位與地圖構(gòu)建定位(SLAM)。作為激光掃描的替代方案，攝影測量陸地點云也可以為胸徑提供2-4 厘米的精度，但其數(shù)據(jù)質(zhì)量低于 TLS/MLS 。在眾包環(huán)境中使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)在實地參考方面的準確性有限 ，因此，有攝像機或距離測量系統(tǒng)的智能手機在眾包類型的數(shù)據(jù)收集方面更為可行，這尤其適合本國森林的森林所有者。對所有這些技術(shù)的研究正在進行中，最佳實踐也在不斷出現(xiàn)。

森林中無人機自主野外信息采集的概念包括兩個主要方面，即利用無人機平臺進行林冠內(nèi)和林冠上的調(diào)查。最近的遠程遙控?zé)o人機系統(tǒng)的例子是由現(xiàn)場操作員操作的，但最終目標是將其與無人駕駛飛行器結(jié)合起來; 因此，操作員的干預(yù)可以降級，效率可以進一步提高。

當(dāng)飛行在樹冠之上時，操作設(shè)置接近于普通的機載激光掃描(ALS)。GNSS 和慣性測量單位(IMU)提供的地理定位解決方案的絕對精度在2-5 厘米之內(nèi)，因為無人機情況下與目標的距離通常很小。可以利用兩種不同的方法來獲得莖特征: (1)根據(jù)無人機點云得到的樹高和樹冠維數(shù)，利用數(shù)學(xué)或回歸模型估計莖特征; (2)直接測量無人機點云的胸徑或莖曲線，這需要一種特定的激光掃描器，允許一個非常窄的光束。

無人機平臺和自主駕駛系統(tǒng)的集成是自主采集林地數(shù)據(jù)的最終目標。梅賽德斯-奔馳公布了一款未來的運輸車的計劃，該車具有完全自動化的貨物裝載和無人機運輸功能。同樣地，未來的森林調(diào)查可以通過自動駕駛汽車和裝備激光掃描儀的無人機的組合來完成。幾個無人機可以用于在同一地區(qū)的冠層以上和內(nèi)部飛行，或者，他們可以飛到鄰近的不同樣本地塊。當(dāng)無人機/無人機由自動駕駛汽車托管，從無人機托管的地方接收可持續(xù)的電力供應(yīng)時，在不同的地點和不同的座艙蓋層實施持久的獨立操作(例如，每天超過10 小時) ，沒有人類操作員在場。因此，預(yù)計一天可以記錄幾百塊田地。這個概念要15-20 年才能實現(xiàn)。然而，預(yù)計到2030 年15% 的全球新車將基于自動駕駛技術(shù)，因此，這一概念可以在短期內(nèi)得到展示。因此，這種雙機器人視覺有可能成為現(xiàn)實。這個概念是所有可能由無人機處理的測量測量的通用解決方案。

4.結(jié)語

無人機遙感技術(shù)相對于現(xiàn)有遙感技術(shù)的優(yōu)勢在林業(yè)調(diào)查的工作過程中具有十分顯著的優(yōu)勢，新型無人機和傳感器的不斷發(fā)展使遙感應(yīng)用更具吸引力。有些應(yīng)用可以通過無人機遙感廉價完成，但是很難通過載人飛機遙感或衛(wèi)星遙感來實現(xiàn)。在現(xiàn)代林業(yè)領(lǐng)域，合理的森林管理需要數(shù)字格式的詳細森林信息。無人機遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用尚處于起步階段，但可以合理地預(yù)測，無人機遙感的作用將在不久的將來超過載人航空器遙感。無人機遙感的靈活性和低成本有利于將傳統(tǒng)林業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，使林業(yè)實踐變得更加精確和有效。同時，森林火災(zāi)“突發(fā)性強、蔓延迅速”的特點要求實時數(shù)據(jù)傳輸。

林場投資少，經(jīng)營者相對稀缺，林區(qū)多元化，無人機的充分使用需要大量的無人機，無人機的研制也需要大量的資金支持。此外，由于地形、植被和氣象條件的影響，無人機在林區(qū)的抗風(fēng)性能和接收信號不穩(wěn)定。在森林防火工作中，根據(jù)監(jiān)測圖像對數(shù)據(jù)進行分析和處理，將影響無人機的精度。所以培訓(xùn)專業(yè)的無人機飛手，進行國有林場無人機領(lǐng)地保護工作的推進對于國有林場的發(fā)展具有十分重要的作用和影響。