山地丘陵地帶無人機飛防模式研究與應用

馬海濤，劉聰聰

（1.威海市文登區(qū)自然資源局，山東威海264200；2.煙臺云都海鷹無人機應用技術有限公司，山東煙臺26400）

昆崳山國家級自然保護區(qū)地處威海市西部，與煙臺市交界，南北35 km，東西50 km，總面積1750 km2，以自然風光、名勝古跡和膠東革命勝地而聞名于世。山系溝谷縱橫交錯，多勢高低起伏，山域廣闊，林木聳密，森林覆蓋率77.07%，其中赤松純林和針闊混交林占森林總面積比例80%以上，擁有全世界保存最完好的赤松林，是中國赤松的原生地和天然分布中心，被譽為“膠東植物王國”。然而由于山區(qū)地理環(huán)境復雜，防治困難，自2006年發(fā)現(xiàn)松材線蟲病以來，疫區(qū)面積、數(shù)量仍在持續(xù)擴大，嚴重威脅保護區(qū)植被安全。

松樹線蟲屬線蟲動物門、線蟲綱、滑刃目、滑刃科、傘滑刃屬。由于體型小，活動范圍非常有限，無法通過自身活動來傳播，一般是通過寄生在松墨天?；蚱渌ハx上進行傳播。由于目前國內外對松樹線蟲病致病機制方面的研究尚不夠充分，無法確定致病機理，除通過加強檢疫、嚴防擴散等管理措施以外，針對松樹線蟲病的防治措施主要包括通過根部澆灌和樹干打孔注液、清除林間病死木等辦法滅殺病原線蟲，或者通過滅殺松樹線蟲病傳播媒介—松墨天牛來切斷松樹線蟲傳播途徑等2 種方式。

根部澆灌和樹干打孔注液防治具有效果好、不受樹木本體及周圍地理環(huán)境影響、對環(huán)境污染小、藥效期長等特點，但由于昆崳山地勢復雜、交通不便，有些地方甚至人跡罕至，這種方式作業(yè)效率極低、工藝復雜、費用高等原因，只適用于對名貴樹木、紀念林等進行小面積防護，無法大面積推廣。清除林間病死木是目前使用較多的一種防治措施，但由于松樹多種植于山區(qū)，地形高低起伏，有些地方道路不通、人跡罕至，在實際操作過程中存在病樹發(fā)現(xiàn)難、人工運輸難等諸多問題，一旦處置不當，還會在運輸過程中造成二次災害，進而加劇了松材線蟲病的傳播。

利用化學方法通過滅殺松樹線蟲病傳播媒介—松墨天牛來切斷松樹線蟲傳播途徑是目前最常見，也是效果最快的防治措施。然而，在類似昆崳山國家級自然保護區(qū)這種地理條件下，傳統(tǒng)的人工植保模式無法完成，采用飛機或直升機植保方式在地形平緩地區(qū)效率高、效果好，然而在復雜山區(qū)，受地形和氣流影響，飛行難度高，風險大，相對高度難以降低，易導致藥液飄散，降低效果，甚至會帶來次生災害，也存在一定的風險。無人機植保具有機動靈活、效率高、效果好的特點，為在山地丘陵地帶開展松樹線蟲病化學防治提供了一條全新的思路和途徑。但由于目前自主控制技術尚不夠成熟，無人機在山地飛行時只能依靠操控人員目視操控，作業(yè)范圍有限、噴灑效果也難以保障，再加上受地形和氣流影響，飛行安全壓力較大。

綜上所述，當前山地丘陵地帶森林病蟲害防治急需一套可操作性強、效率高的配套方案，本文針對傳統(tǒng)松材線蟲病防治措施在昆崳山區(qū)面臨的窘境，開展了“基于圖像識別與仿地飛行技術的山地丘陵地帶松材線蟲病無人機防治系統(tǒng)”項目研究，利用無人機技術成熟、成本低廉、作業(yè)靈活等優(yōu)勢，結合正射影像采集、圖像識別與定位、航線自動規(guī)劃、仿地飛行等關鍵技術研發(fā)，將植保無人機系統(tǒng)的作業(yè)領域由平原大田作物拓展到山地丘陵地帶森林植被，變傳統(tǒng)淋洗式植保作業(yè)模式為定點精準施藥，使得昆崳山保護區(qū)開展無人機化學防治松材線蟲病成為可能。

1 總體方案

系統(tǒng)總體方案由一套固定翼無人航拍機、一套多旋翼無人植保機，和一套圖像識別與定位軟件組成?？傮w組成與工作流程如圖1、2所示。

圖1 系統(tǒng)總體組成示意圖

飛防作業(yè)開始前，先由掛載正射相機的固定翼航拍機執(zhí)行正射影像采集任務，依據(jù)正攝影像對昆崳山作業(yè)區(qū)域劃分成610 個網格（圖3），根據(jù)網格內病死樹木的圖像識別結果，按照“不重不漏、航線最短”的原則進行航線規(guī)劃。作業(yè)過程中，飛手只須每日領取對應網格任務，按規(guī)定航線飛行即可，大大簡化了操作程序，減輕了心理壓力，提高了作業(yè)效率，保證了飛防作業(yè)的時效性和安全性。

圖2 昆崳山松材線蟲病無人機化學防治工作流程圖

圖3 昆崳山林區(qū)網格劃分示例

2 防治保障方案

2.1 作業(yè)實時監(jiān)控

作業(yè)質量控制模塊可實時、直觀記錄，實時顯示無人機當前位置、工作狀態(tài)、飛行速度、飛行高度、航線間距、藥液流量、剩余藥量、作業(yè)面積等參數(shù)，作為飛防作業(yè)質量控制的主要措施，也是飛手工作量認定的主要依據(jù)，并可根據(jù)飛行時間、剩余藥量等參數(shù)實時提醒飛手換藥和清洗噴頭等業(yè)務操作。

圖4 質量控制模塊參數(shù)監(jiān)管平臺及航線展示

植保效果一在飛行，二在藥液。為保證藥液真實有效地被使用，本方案采取藥液集中配制，遠程監(jiān)控藥液加注的方式進行管理。在作業(yè)期間，配備專人負責藥液的配制和發(fā)放，同時嚴格管控每架次飛行加藥情況，要求每位飛手每次起飛前以時間相機記錄加藥視頻，與飛控記錄起飛時間正確對應后方算為有效架次，每日計算藥液使用量與作業(yè)面積，經實踐證明，在管理藥液配制和監(jiān)管藥液加注后，藥液使用量與作業(yè)面積始終處于合理范圍內，證明此管理方式有效可靠。

2.2 隨機水敏測試

項目實施過程中在飛防區(qū)域隨機選取松樹，在樹上部、中部、下部鋪設水敏試紙，檢測霧滴穿透效果；在區(qū)域內掛設天牛誘捕器，監(jiān)測天牛數(shù)量變化，間接反饋飛防作業(yè)效果（圖5）。

圖5 霧滴穿透監(jiān)測

3 關鍵技術

3.1 圖像識別與定位技術

圖像識別模塊通過固定翼無人機高空拍攝林區(qū)圖片，自動識別出含有松樹線蟲病病死樹木的高空影像，對收集的正攝遙感影像進行整合拼接處理（采用CGSC2000 坐標系），將其裁剪拆分后進行松樹線蟲病松樹標注，生成標注樣本，運用神經網絡深度學習算法對松材線蟲病病樹訓練樣本進行訓練，得到可用來檢測松樹林中松材線蟲病病樹的檢測模型。

2020年11月收集昆崳山山林區(qū)域(經度：121.78°—121.83°E，緯度37.27°—37.29°N)圖片11000 多張，運用YOLO-V3 深度學習算法訓練模型，訓練模型周期100，選取最優(yōu)模型（mAP值為0.0005257324068131221，Total loss 值為0.13596370816230774）。共識別檢測松樹線蟲病病情區(qū)域12762 處。截取某區(qū)域案例顯示，該區(qū)域人工識別病樹區(qū)域106 處，圖像識別病樹區(qū)域101 處，檢測識別錯誤區(qū)域1 處，檢測未識別區(qū)域6 處，綜合識別率為94.3%。

3.2 航線自主規(guī)劃技術

航線自主規(guī)劃模塊根據(jù)圖像定位、識別模塊輸出的疫區(qū)識別結果，結合無人機當前位置、姿態(tài)、運動信息，按照“不重不漏、航線最短”的原則開始航線規(guī)劃，規(guī)劃結果在地面站顯示，并提示地面站操作人員是否切換為新路飛行。航線自主規(guī)劃的限制條件包括：

（1）以疫區(qū)圖片中心為原點，以疫區(qū)邊界距原點的最遠距離為參考，外擴10 m 生成疫區(qū)作業(yè)區(qū)域；

（2）沿原航線的橫向設計新任務航線；

（3）新航線切入點、切出點均在原航線上。

航線自主規(guī)劃模塊流程和原理如圖6所示。

圖6 航線自主規(guī)劃流程

3.3 基于無線電高度表的無人機仿地飛行控制技術

為適應昆崳山地勢起伏，以電動四旋翼無人機為飛行器平臺，通過數(shù)圖一體化傳輸系統(tǒng)與地面控制站進行信息交互，上傳地面站飛行控制、任務控制指令，下傳任務設備數(shù)據(jù)及飛行姿態(tài)、運動及位置等定位與導航信息，實現(xiàn)對飛行器系統(tǒng)的控制與管理。硬件組成如圖7所示。

圖7 飛行器系統(tǒng)整體組成框圖

仿地飛行控制與管理系統(tǒng)通過采集無線電高度表、GPS 接收機等機載傳感器信息，與機載慣性傳感器計算的高度值通過數(shù)據(jù)融合算法實現(xiàn)對當前位置的精確定位，和下一時刻航點位置的精確估算。算法流程如圖8所示。

圖8 航點推算流程圖

當前航點位置估算采用卡爾曼濾波算法?？柭鼮V波利用上一時刻狀態(tài)的估計值和當前時刻的觀測值，采用遞推方法，解決以均方誤差最小為準則的最佳線性濾波問題。經典卡爾曼濾波模型適用于線性系統(tǒng)，本系統(tǒng)使用GPS/INS 進行縱使時的狀態(tài)模型和觀測方程均為非線性，反對數(shù)碼單反函數(shù)模型進行線性化。

由狀態(tài)方程和量測方程2 部分組成。

狀態(tài)方程：xk=AkXk-1+ωk-1

觀測模型：yk=CkXk+vk

經推導可得一組卡爾曼一步遞推公式：

假定Pk表示均方誤差陣，且為：

令：

新航點采用基于無線電高度表的航跡推算算法。仿地飛行階段相對高度變化量的估算如圖9所示。

圖9 仿地飛行高度測量原理圖

圖中，h0為當前航點的高度值，如果處于仿地飛行階段，該值在理論上應等于預先設定的航線相對高度值；為無線電高度表測量值，用于估算下一時刻航點數(shù)據(jù)；α 為無線電高度表的前傾安裝角，其值由飛行高度、速度、最大爬升等參數(shù)共同確定。

由圖可知，下一航點相對高度變化量、變化率可由下式計算：

式中，vCRUISE是指起飛前預設定的無人機巡航速度。

3.4 氣動霧化噴頭與多噴嘴組網技術

昆崳山林區(qū)樹高、林密，普通噴頭霧化過細，穿透力有限，公司專門針對昆崳山林區(qū)植被情況進行了調研，重新選配了霧化噴頭，通過多噴嘴組網技術，確保對病區(qū)樹木橫向包圍、縱向穿透，確保植保效果（圖10）。

圖10 噴頭組網噴灑效果CFD 仿真圖

4 應用與效果評價

2020年6月—9月，威海市文登區(qū)、乳山市先后3 次組織實施無人機施藥，涉及大水泊、侯家鎮(zhèn)、經濟開發(fā)區(qū)、高村鎮(zhèn)、澤庫鎮(zhèn)、龍山街道、澤頭鎮(zhèn)、界石鎮(zhèn)、葛家鎮(zhèn)、文登營鎮(zhèn)、米山鎮(zhèn)、環(huán)山街道、天福街道、宋村鎮(zhèn)、張家產鎮(zhèn)、莒格莊、午極鎮(zhèn)等17 個鎮(zhèn)（街）松林區(qū)域。飛防所用藥劑為3%噻蟲啉、8%氯氰菊酯觸破式微囊懸浮劑。

共投入140 套無人機系統(tǒng)，作業(yè)人員200 余人，共計完成4.35 萬hm2次飛防任務，日均作業(yè)2466.7 hm2，是全國首例山地大規(guī)模作業(yè)，飛防效果顯著，開創(chuàng)了無人機在山地大規(guī)模植保作業(yè)的先河。

通過對作業(yè)飛機隨機霧滴監(jiān)測，數(shù)據(jù)表明，此次飛防作業(yè)滿足霧滴覆蓋密度10 個/cm2以上的作業(yè)要求，并且在樹干周邊林下穿透霧滴基本達到2 個/cm2以上，具有較好的霧滴穿透效果；飛防作業(yè)對于作業(yè)區(qū)域松褐天牛數(shù)量遏制趨勢明顯，飛防效果顯著。

表1 無人機防治作業(yè)情況一覽表

5 結論

本文重點針對山地丘陵地帶無人機飛防作業(yè)模式進行了探究與應用，開發(fā)出一套基于仿地飛行與圖像識別技術的無人機化學防治系統(tǒng)，并進行了試驗驗證，得出如下結論：

（1）本文提出的系統(tǒng)是一套全新的、高效的、精準的化學防治系統(tǒng)，具有作業(yè)效率高、防治效果好、勞動強度低、施藥精準無浪費、安全可靠等特點，可用于山地丘陵地帶森林飛防或果樹植保，為交通不便、地理環(huán)境復雜的山地丘陵地帶松樹線蟲病全面、精準防治提供了可能。

（2）提出了一套適用于山地丘陵地帶的無人機飛防作業(yè)模式，由一套固定翼無人航拍機、一套多旋翼無人植保機，和一套圖像識別與定位軟件組成，并完成飛防作業(yè)面積4.35 萬hm2次，效果顯著。

（3）本文所研究的山地丘陵地帶無人機飛防模式為國內森林植保行業(yè)發(fā)展提供了理論參考與實踐指導，可推廣應用于絕大多數(shù)山地丘陵地帶飛防作業(yè)中。

圖11 飛防區(qū)內天牛數(shù)量檢測