淺析無人機(jī)在森林火災(zāi)類型評(píng)估工作中的應(yīng)用

崔明,王培，孔英劍，趙建普

（河北省林業(yè)和草原局,河北石家莊 050051）

森林火災(zāi)是指失去人為控制，在林地內(nèi)自由蔓延和擴(kuò)展，對(duì)森林、森林生態(tài)系統(tǒng)和人類帶來一定危害和損失的林火行為。森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難的自然災(zāi)害。森林火災(zāi)發(fā)生后，特別是火災(zāi)撲滅后對(duì)于火燒跡地的森林資源損害情況進(jìn)行第一時(shí)間的調(diào)查和測量,是目前林業(yè)調(diào)查評(píng)估工作中一項(xiàng)危險(xiǎn)而艱巨的任務(wù)。但以最快的速度搞清森林過火面積、森林受害面積、蓄積以及受害林木種類等基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)，是盡快恢復(fù)森林火災(zāi)發(fā)生區(qū)域植被及周邊環(huán)境生態(tài)的首要工作。《森林火災(zāi)成因和森林資源損失調(diào)查方法》（LY/T 1846—2009）中規(guī)定，火燒跡地的受害森林面積采用羅盤儀、經(jīng)緯儀、GPS 接收機(jī)進(jìn)行測量，特別重大森林火災(zāi)可以借助飛機(jī)進(jìn)行測量?，F(xiàn)行調(diào)查方法由國家林業(yè)局于2009年頒布實(shí)施，距今已有十余年之久。方法中提及的飛機(jī)為通用載人航空器。雖然飛機(jī)的應(yīng)用可以在大面積測量中提高工作效率，但是飛機(jī)租賃費(fèi)用、機(jī)場管理費(fèi)用高昂，空域申請(qǐng)流程復(fù)雜，對(duì)火燒跡地上空云層厚度的要求也相對(duì)較高。如果采用人工調(diào)查方式對(duì)火燒跡地的受害森林面積進(jìn)行實(shí)地測量，工作進(jìn)度比較緩慢，而且森林火災(zāi)多發(fā)于植被蓋度大、枯枝落葉層厚的山地和丘陵地區(qū)。林業(yè)調(diào)查人員攜帶多種測量設(shè)備在這些巖壁陡峭、溝壑縱橫的地區(qū)進(jìn)行工作存在嚴(yán)重的安全隱患。日漸興起的無人機(jī)遙感測量技術(shù)恰好能彌補(bǔ)采用人工或通用載人航空器方式測量受害森林面積的不足[1]。

“無人機(jī)”又稱無人駕駛飛機(jī)，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。無人機(jī)具有體積小、造價(jià)低、使用方便的特點(diǎn)，現(xiàn)已被成功應(yīng)用于快遞包裹收送、電影電視航拍、遠(yuǎn)程監(jiān)控巡邏、自然災(zāi)害救援、農(nóng)藥化肥噴灑等各行各業(yè)。隨著科技的發(fā)展，越來越多的新型行業(yè)寄希望用機(jī)械化、自動(dòng)化取代傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式。測量測繪行業(yè)更是如此，以往進(jìn)行的測繪測量工作，通常需要大量人員進(jìn)行地面測量，獲取高精度數(shù)據(jù)。此過程不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，其測量結(jié)果還高度依賴于測量員的責(zé)任心和經(jīng)驗(yàn)，甚至當(dāng)?shù)氐臏囟取⑻鞖?、海拔、衛(wèi)星信號(hào)狀況、地形地貌條件都會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響。伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、無人機(jī)制造技術(shù)以及高性能傳感器研發(fā)水平等新型尖端學(xué)科交叉融合形成的無人機(jī)遙感測量技術(shù)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的人工測量方式逐步可以被取代，測量結(jié)果同樣能夠滿足精準(zhǔn)測量測繪工作的要求。因此，通過無人機(jī)遙感測量技術(shù)測量森林火災(zāi)受害面積，進(jìn)而確定森林火災(zāi)類型評(píng)估工作成為可能。

1 工作原理

無人機(jī)遙感測量技術(shù)是以無人機(jī)為空中平臺(tái)，利用機(jī)載航空取景器獲取影像信息，后期用計(jì)算機(jī)對(duì)影像信息進(jìn)行處理，并按照一定精度要求制作成圖像。通過地理信息軟件對(duì)影像進(jìn)行矢量化解譯，從而得出所需測量面積、體積、高程等的各種數(shù)據(jù)[2]。

2 工作步驟

2.1 前期準(zhǔn)備

在無人機(jī)遙感測量工作進(jìn)行之前需要確認(rèn)操作人員資質(zhì)、空域批準(zhǔn)手續(xù)等相關(guān)飛行許可是否完備；無人機(jī)及機(jī)載航空取景器各部件性能是否正常；無人機(jī)配套電池的數(shù)量和電量是否足夠；飛行控制器、中繼天線、備用槳葉、起飛毯等附件是否齊全；火燒跡地所在區(qū)域的地形、地貌、天氣狀況資料是否完整；選擇火燒跡地區(qū)域和周邊區(qū)域明顯的標(biāo)志物作為地面控制點(diǎn)，方便后期校正數(shù)據(jù)；根據(jù)火燒跡地周邊地物的疏密程度、地勢起伏及坡度、坡位、坡向等環(huán)境因素，選取最佳起飛點(diǎn)和著陸點(diǎn)[3]。

2.2 航線規(guī)劃

在森林火災(zāi)受害面積測量工作中，航線規(guī)劃是最重要的基礎(chǔ)工作。通常根據(jù)火災(zāi)發(fā)生前所在地的衛(wèi)星影像，結(jié)合森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查小班數(shù)據(jù)確定火燒跡地范圍，以所需測量區(qū)域外圍邊界向外延伸一倍航高作為無人機(jī)實(shí)際測量范圍，并根據(jù)所需分辨率要求設(shè)定飛行航高。為保證測量結(jié)果精確性的基礎(chǔ)上最大限度地減少照片拍攝的數(shù)量，進(jìn)而減輕后期數(shù)據(jù)處理的工作量，通常設(shè)定機(jī)載航空取景器在飛行航線方向拍攝照片的重疊率為70%，每條航線間重疊率為60%，但根據(jù)森林火災(zāi)發(fā)生地喬木、灌木及草本植物組成比鄰的不同所展示的不同地物紋理情況，重疊率可以適當(dāng)增大或減小。航線規(guī)劃完畢后，上傳至無人機(jī)檢查無誤后準(zhǔn)備起飛。

2.3 飛行作業(yè)

在飛行作業(yè)之前需校準(zhǔn)無人機(jī)磁羅盤、水平儀、空速計(jì)、風(fēng)速計(jì)等電子傳感器。因森林過火后地物色彩不明顯，通常以灰黑色為主，所以飛行作業(yè)時(shí)間盡量選擇在接近正午的時(shí)間段。此時(shí)陽光直射地面，地面物體陰影最小且光照強(qiáng)度較強(qiáng)，成圖色彩分明。在日出到上午9點(diǎn)左右和下午3點(diǎn)左右到日落的兩個(gè)時(shí)間段中，光照強(qiáng)度較弱且太陽高度角偏大，部分測區(qū)還可能碰到霧霾，這些情況可能導(dǎo)致采集到的照片匹配精度差，紋理模糊且亮度較低，進(jìn)而影響成圖效果。無人機(jī)在飛行過程中要時(shí)刻注意航向、航速、航高、信號(hào)強(qiáng)度等飛行參數(shù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，避免造成無法挽回的后果。

2.4 數(shù)據(jù)處理

飛行作業(yè)完成后將機(jī)載航空取景器采集到的單張照片進(jìn)行拼接生成火燒跡地及周圍區(qū)域的柵格數(shù)據(jù)。該步驟可通過Pix4D,PhotoScan，CC等專業(yè)圖像處理軟件完成。步驟依次為按要求將單張照片，pos 數(shù)據(jù)導(dǎo)入所用圖像處理軟件，然后選擇所需的地理、投影坐標(biāo)系并設(shè)置采集照片所用取景器的拍攝參數(shù)，接著通過軟件由計(jì)算機(jī)對(duì)所有導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，處理完成后導(dǎo)入先期固定的地面控制點(diǎn)，將實(shí)際地面控制點(diǎn)與照片中的點(diǎn)進(jìn)行匹配，最后再由軟件計(jì)算拼接成圖。

2.5 結(jié)果判定

森林火災(zāi)受害森林面積調(diào)查采用遙感影像判讀法，分別統(tǒng)計(jì)各類受害程度林地的面積。數(shù)據(jù)處理完成得到柵格影像后，可應(yīng)用ArcMap等地理信息軟件對(duì)影像特征明顯的區(qū)域，直接確定地類、樹種和林木受害程度，對(duì)影像特征不易區(qū)分的地類和樹種，對(duì)比前期準(zhǔn)備的該區(qū)域衛(wèi)星影像，參考森林規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查成果，確定地類、樹種和林木受害程度，并對(duì)實(shí)際過火與非過火區(qū)域進(jìn)行勾繪，分割合并整理后根據(jù)森林在單位面積內(nèi)被燒毀或燒死的株數(shù)在30%以上或者幼林在單位面積內(nèi)被燒毀或燒死的株數(shù)在60%以上的情況，該單位面積計(jì)算為受害森林面積的要求，通過軟件計(jì)算實(shí)際的森林火災(zāi)受害面積。并按照受害森林面積和森林火災(zāi)造成的傷亡人數(shù)，把森林火災(zāi)類型確定為：一般森林火災(zāi)、較大森林火災(zāi)、重大森林火災(zāi)和特別重大森林火災(zāi)。

3 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

3.1 性價(jià)比高

現(xiàn)在市場上的國產(chǎn)測繪無人機(jī)的價(jià)格根據(jù)續(xù)航能力和成像效果不同大約從幾萬元到二三十萬元不等，性價(jià)比出色。除極個(gè)別不可抗力因素外，無人機(jī)正常使用過程中不易損壞，也不存在其他額外使用費(fèi)用，且各大保險(xiǎn)公司已經(jīng)開展無人機(jī)保險(xiǎn)業(yè)務(wù)，能幫助用戶更好規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 方便運(yùn)輸攜帶

無人機(jī)翼展或長邊長度一般不會(huì)超過3 m，并可以方便地安裝和拆卸。在測量測繪工作中，只需將拆解后的無人機(jī)裝入“皮卡”、“面包”等常用車輛中，即可將操作人員和設(shè)備同時(shí)運(yùn)送到森林火場周邊。到達(dá)火場后，操作人員在短時(shí)間內(nèi)就可以完成測繪無人機(jī)的組裝和調(diào)試，進(jìn)入工作狀態(tài)。

3.3 無場地要求

采用垂直起降的固定翼無人機(jī)或者多旋翼無人機(jī)，對(duì)起飛場地要求較低無須跑道，僅需極小范圍平坦場地甚至汽車車頂即可完成起降作業(yè)，對(duì)于常發(fā)生于惡劣地理?xiàng)l件的森林火災(zāi)受害面積測量工作來說極為方便。

3.4 成像清晰

測繪無人機(jī)采集圖像的分辨率在取景器確定的情況下由飛行高度決定[4]。針對(duì)火場受害森林面積調(diào)查工作，飛行相對(duì)高度一般采用100～300 m，成像精度最高可達(dá)5 cm/px,并且此高度決定了云層厚度基本不會(huì)影響成像質(zhì)量。照片經(jīng)過后期圖像處理矢量化后，通過地理信息軟件可以精確計(jì)算出受災(zāi)面積，滿足森林火災(zāi)受害面積調(diào)查的需求。

4 總結(jié)與評(píng)價(jià)

隨著國家近年來持續(xù)大規(guī)模推進(jìn)國土綠化行動(dòng)，森林資源總量快速增加，并且全國天然林商業(yè)性采伐已全面禁止，導(dǎo)致林下可燃物積累加快。原國家林業(yè)局于2017年組織召開的大興安嶺1987“5·6”森林大火30周年座談會(huì)上指出：1988年以來，全國年均發(fā)生森林火災(zāi)7 082起、受害森林面積73 000 hm2。從國家林業(yè)和草原局公布的森林資源狀況來看，全國中幼林所占比例高達(dá)65%；而且多為自身抗火能力較差的純林；加之郊游、祭祀、放牧等人為活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致森林火災(zāi)的發(fā)生呈現(xiàn)出多發(fā)性、突發(fā)性和分布零散性等特點(diǎn)。

雖然森林火災(zāi)防滅火體系建設(shè)不斷推進(jìn)、火災(zāi)預(yù)警能力持續(xù)增強(qiáng)、滅火手段更加豐富、滅火能力明顯提升，但森林火災(zāi)發(fā)生后對(duì)于損失的評(píng)估及面積的測量方式仍略顯低效。目前無人機(jī)遙感測量技術(shù)應(yīng)用于森林火災(zāi)類型評(píng)估工作尚待摸索階段；各類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、具體技術(shù)參數(shù)還在逐步完善之中，缺乏規(guī)范化的工作方案和流程；各種無人機(jī)硬件和操控軟件對(duì)于林業(yè)工作特別是森林火災(zāi)方面的應(yīng)用針對(duì)性不強(qiáng)，缺乏對(duì)于火燒跡地圖像對(duì)比度優(yōu)化、航線規(guī)劃、無人機(jī)抗煙抗熱處理等硬性標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化[4]。希望通過無人機(jī)對(duì)森林火災(zāi)類型評(píng)估工作的不斷實(shí)踐，逐步摸索出完備的操作流程和數(shù)據(jù)處理方式，替代傳統(tǒng)人工調(diào)查作業(yè)，降低林調(diào)隊(duì)員的工作強(qiáng)度和工作風(fēng)險(xiǎn)。