無(wú)人機(jī)技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)與管理中的應(yīng)用分析

羅文書

摘 要 無(wú)人機(jī)具有部署靈活、操作簡(jiǎn)便高效、低成本的優(yōu)勢(shì)，可在林業(yè)生產(chǎn)與管理中發(fā)揮重要作用。對(duì)無(wú)人機(jī)在植樹造林，病蟲害防治，森林防火，森林資源調(diào)查（森林面積測(cè)算、林分結(jié)構(gòu)測(cè)算、森林蓄積量估算），森林執(zhí)法及野生動(dòng)植物保護(hù)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)析。

關(guān)鍵詞 無(wú)人機(jī);林業(yè)生產(chǎn);林業(yè)管理;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S779 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.053

無(wú)人駕駛飛機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）（以下簡(jiǎn)稱無(wú)人機(jī)）是利用機(jī)載導(dǎo)航定位與飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主飛行或遠(yuǎn)程遙控飛行的飛行器，其憑借較低的制造成本、靈活便捷的部署性和高效的作業(yè)性等優(yōu)勢(shì)在林業(yè)生產(chǎn)和管理中得到廣泛應(yīng)用，扮演著促進(jìn)林業(yè)發(fā)展的重要角色[1]。例如，無(wú)人機(jī)在森林防火、病蟲害監(jiān)測(cè)、森林執(zhí)法、營(yíng)造林核查及林業(yè)資源調(diào)查等領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值極其顯著[2]。本文對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)與管理中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 ?林業(yè)應(yīng)用無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)分析

1.1 ?提高精準(zhǔn)度

基于高度發(fā)達(dá)的信息技術(shù)，無(wú)人機(jī)輔助可實(shí)現(xiàn)林業(yè)數(shù)據(jù)精確錄入：無(wú)人機(jī)用于林業(yè)測(cè)量可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精確測(cè)量、用于林業(yè)定位可實(shí)現(xiàn)分米級(jí)精確定位、用于林業(yè)攝影可獲得多視角的高清影像、輔助林業(yè)作業(yè)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和精細(xì)化施工[3]。

1.2 ?提升效率

無(wú)人機(jī)作業(yè)效率為傳統(tǒng)人工作業(yè)效率的幾十倍，甚至上百倍。例如，無(wú)人機(jī)每日可核查的造林面積是人工核查面積的39倍，無(wú)人機(jī)每日可巡護(hù)的森林資源面積是人工巡護(hù)面積的20倍（多旋翼無(wú)人機(jī)）到33倍（固定翼無(wú)人機(jī)）[3]。

1.3 ?提高安全系數(shù)

無(wú)人機(jī)不受高山、峽谷等自然環(huán)境及嚴(yán)寒、高溫等氣候條件的影響，能在順利完成指定任務(wù)的同時(shí)充分保障作業(yè)人員的安全。例如，在人員難以進(jìn)入的區(qū)域，通過(guò)無(wú)人機(jī)多角度航拍能獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)能在森林火災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害、動(dòng)物疫情暴發(fā)等高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域完成作業(yè)，降低人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 ?提高智能水平

借助人工智能技術(shù)，無(wú)人機(jī)可以智能識(shí)別野生動(dòng)物，在病蟲害普查領(lǐng)域（如調(diào)查松材線蟲）的準(zhǔn)確率在95%以上，還可以完成自動(dòng)測(cè)繪和計(jì)算任務(wù)[3]。通過(guò)無(wú)人機(jī)，平臺(tái)可以對(duì)偏遠(yuǎn)山區(qū)的林業(yè)生產(chǎn)和管理進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)助，如造林綠化、防火指揮等。無(wú)人機(jī)還能作為中繼通信平臺(tái)協(xié)助實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)共享，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和互動(dòng)交流。

2 ?林業(yè)用無(wú)人機(jī)的類別與技術(shù)特點(diǎn)

2.1 ?無(wú)人機(jī)的類別

林業(yè)用無(wú)人機(jī)大體上分為固定翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)3大類[4]。固定翼無(wú)人機(jī)飛行速度、續(xù)航能力均比多旋翼無(wú)人機(jī)出色，但需要專門的起降場(chǎng)地，這在一定程度上限制了它的使用范圍。目前，多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)樗鼘?duì)起降場(chǎng)地要求低、部署靈活、成本低及操作簡(jiǎn)便。無(wú)人直升機(jī)可在空中隨意懸停，對(duì)起降場(chǎng)地的要求比固定翼無(wú)人機(jī)低，空中飛行極為靈活，但對(duì)操控技術(shù)要求很高，且造價(jià)昂貴。

2.2 ?無(wú)人機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

1）無(wú)人機(jī)無(wú)需人員隨機(jī)飛行，對(duì)操控人員的要求比載人飛機(jī)低得多，當(dāng)然操控?zé)o人機(jī)也需要一定的技術(shù)，這樣才能確保無(wú)人機(jī)穩(wěn)定可靠地飛行并高質(zhì)量地完成指定任務(wù)。2）無(wú)人機(jī)具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，可在人力難以抵達(dá)的區(qū)域工作，如在高山、峽谷、密林深處等惡劣環(huán)境中飛行并完成任務(wù)。3）無(wú)人機(jī)拆卸安裝方便，可靈活部署和執(zhí)行多種任務(wù)。4）當(dāng)下信息技術(shù)高度發(fā)展，無(wú)人機(jī)獲取和共享信息的能力極為出色，能精準(zhǔn)執(zhí)行任務(wù)指令，即無(wú)人機(jī)技術(shù)具有適用性、實(shí)用性和靈活性等突出優(yōu)勢(shì)。

3 ?無(wú)人機(jī)技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)與管理中的應(yīng)用

3.1 ?植樹造林

飛播造林過(guò)去主要通過(guò)載人飛機(jī)實(shí)現(xiàn)，播種面積較大，但飛機(jī)租用費(fèi)用較高。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的普及，無(wú)人機(jī)飛播造林已在全國(guó)很多地區(qū)開展，能極大地提高難度造林的頁(yè)巖、石灰?guī)r、鈣質(zhì)巖等“硬骨頭”地區(qū)及高山、遠(yuǎn)山、陡山、礦山的綠化效率。載人飛機(jī)開展飛播造林時(shí)間較久，目前無(wú)人機(jī)飛播造林還屬于新生事物，相關(guān)研究文獻(xiàn)較少。各地多以試點(diǎn)方式開展無(wú)人機(jī)飛播造林工作，有關(guān)樹種選擇、飛播成苗規(guī)律、飛播林密度效應(yīng)、飛播混交方式、飛播林病蟲害防治和火災(zāi)撲救等內(nèi)容大多參照載人飛機(jī)飛播造林經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)無(wú)人機(jī)特點(diǎn)的高效、高質(zhì)量飛播造林技術(shù)仍在探索之中。

飛播造林可采用多旋翼無(wú)人機(jī)，也有應(yīng)用固定翼無(wú)人機(jī)的案例。采用多旋翼無(wú)人機(jī)時(shí)，在無(wú)人機(jī)主體下部設(shè)置播種罐或播種箱，罐內(nèi)放置樹種，無(wú)人機(jī)飛行在播種區(qū)域上空時(shí)，播種罐內(nèi)的機(jī)構(gòu)能讓樹種均勻播撒下來(lái)[5]。還可以利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行施肥、授粉、輔助采收等工作。利用無(wú)人機(jī)采集營(yíng)造林?jǐn)?shù)據(jù)，可指導(dǎo)和監(jiān)督現(xiàn)場(chǎng)人員施工，提高作業(yè)效率和保證施工質(zhì)量。

3.2 ?病蟲害防治

應(yīng)用無(wú)人機(jī)防治病蟲害主要體現(xiàn)在對(duì)森林病蟲害進(jìn)行監(jiān)測(cè)和以無(wú)人機(jī)為載具噴灑防治藥品兩個(gè)方面。無(wú)人機(jī)上可搭載多光譜成像設(shè)備，通過(guò)對(duì)病態(tài)樹木圖像顏色、紋理特征的分析識(shí)別病木種類、林相結(jié)構(gòu)、分布面積等內(nèi)容，制訂相應(yīng)的病蟲害防治措施。例如，橡木甲蟲侵害櫟樹后，樹冠上大量葉片會(huì)脫落，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的紅外成像設(shè)備能發(fā)現(xiàn)樹冠反射特征的顯著變化，識(shí)別和確定橡木甲蟲侵害情況。再如，松樹林感染松材線蟲病后葉片會(huì)變紅，通過(guò)無(wú)人機(jī)拍攝的影像顏色變化可以識(shí)別出松材線蟲侵害情況。

無(wú)人機(jī)上搭載植保藥械可對(duì)受害林木噴灑藥劑。在丘陵坡地人工植保難度大、效率低，而且操作人員長(zhǎng)時(shí)間接觸藥物，對(duì)健康不利，而無(wú)人機(jī)可以遠(yuǎn)離藥劑噴灑范圍，保障人員安全。通過(guò)利用無(wú)人機(jī)上的高精度導(dǎo)航定位和飛控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥，對(duì)疫木進(jìn)行定點(diǎn)處理。采取病蟲害防治措施后，可通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)防治措施實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)收，如評(píng)價(jià)疫木處置率、除治成功率等。

3.3 ?森林防火

無(wú)人機(jī)與遙感技術(shù)結(jié)合已成為監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的一種安全、便捷、經(jīng)濟(jì)的方法。無(wú)人機(jī)在森林防火中的應(yīng)用包括監(jiān)測(cè)火情、預(yù)警、搜救和災(zāi)后評(píng)估等。無(wú)人機(jī)巡飛覆蓋面積大，可到達(dá)人力不便抵達(dá)的區(qū)域，定點(diǎn)巡飛能解決衛(wèi)星遙感分辨率不足的問(wèn)題。無(wú)人機(jī)搭載熱成像設(shè)備、溫度傳感器、煙霧感應(yīng)設(shè)備后，能在巡飛過(guò)程中鎖定著火點(diǎn)，向工作人員報(bào)警，便于工作人員快速發(fā)現(xiàn)和排查火情。無(wú)人機(jī)上掛載滅火彈、干冰和水等滅火材料，投放在著火點(diǎn)能快速撲滅火災(zāi)。無(wú)人機(jī)上加載廣播設(shè)備，能向林區(qū)群眾進(jìn)行宣傳、預(yù)警和警戒。無(wú)人機(jī)上加裝照明燈、通信設(shè)備，可用于消防照明和通信中繼。

無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸功能可將現(xiàn)場(chǎng)獲取的信息實(shí)時(shí)傳送至防火指揮中心，指揮中心可根據(jù)掌握的信息進(jìn)行科學(xué)調(diào)度與合理指揮。通過(guò)分析無(wú)人機(jī)檢測(cè)著火點(diǎn)、過(guò)火面積、蔓延方向和撲救進(jìn)展等信息，可有針對(duì)性地制訂和調(diào)整滅火方案，包括確定撲救路線、優(yōu)化滅火方式、投放滅火物資等內(nèi)容。利用無(wú)人機(jī)能實(shí)時(shí)指導(dǎo)滅火工作，向參與滅火的隊(duì)伍提供最佳撲救路線，及時(shí)補(bǔ)給物資，并向滅火隊(duì)員發(fā)出危險(xiǎn)預(yù)警等。災(zāi)后可利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行災(zāi)害損失評(píng)估，分析火災(zāi)發(fā)生原因，評(píng)價(jià)火災(zāi)損毀程度，清點(diǎn)活木與死木，制訂災(zāi)后清理和植被恢復(fù)方案。

3.4 ?森林資源調(diào)查

掌握森林資源的現(xiàn)狀和演替態(tài)勢(shì)是有效保護(hù)和利用森林資源的前提和基礎(chǔ)。由于森林資源分布廣、范圍大，傳統(tǒng)人工作業(yè)方式工作強(qiáng)度大、效率低，而且深入復(fù)雜環(huán)境中有一定危險(xiǎn)性。應(yīng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行森林資源調(diào)查能降低人員實(shí)地踏勘工作的難度和強(qiáng)度，提升工作效率，降低危險(xiǎn)性。無(wú)人機(jī)進(jìn)行森林資源調(diào)查的主要內(nèi)容包括森林面積測(cè)算、林分結(jié)構(gòu)測(cè)算、森林蓄積量估算等。

3.4.1 ?森林面積測(cè)算

無(wú)人機(jī)測(cè)算森林面積是以無(wú)人機(jī)為載具平臺(tái)，搭載遙感設(shè)備來(lái)獲取圖像，并經(jīng)專業(yè)人員處理生成正攝影像圖和矢量圖，由圖可估算出森林面積。例如，搭載CMOS相機(jī)獲取森林全景圖像，獲得的圖像不能直接用于面積計(jì)算，需要對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)定，并對(duì)圖像畸變進(jìn)行校正。森林面積具有明顯邊界特征，采用適當(dāng)?shù)乃惴ê托螒B(tài)學(xué)原理可以識(shí)別圖像邊緣。無(wú)人機(jī)搭載的導(dǎo)航定位系統(tǒng)能記錄拍攝期間的經(jīng)緯度、飛行高度等數(shù)據(jù)，提取面積測(cè)算范圍的林地二值圖像數(shù)據(jù)，再根據(jù)相機(jī)標(biāo)定獲得的位置坐標(biāo)，即能對(duì)整幅圖像進(jìn)行定位，求出每一個(gè)像素的經(jīng)緯度。將圖像經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為投影坐標(biāo)系，統(tǒng)計(jì)測(cè)區(qū)的像元數(shù)量，再結(jié)合圖像分辨率即可計(jì)算測(cè)區(qū)面積。

3.4.2 ?林分結(jié)構(gòu)測(cè)算

林分結(jié)構(gòu)是指林分內(nèi)部的分布結(jié)構(gòu)，包括樹種組成、林分郁閉度（林分密度）、樹高和胸徑等內(nèi)容。1）以郁閉度為例，一般采用樹冠投影法、抬頭望法、樣線法和遙感圖判讀法等，使用無(wú)人機(jī)可以利用這些原理測(cè)量林分郁閉度。規(guī)劃無(wú)人機(jī)從林區(qū)上空2種高度拍攝，每塊樣地往返飛行4次，得到4組圖像。利用無(wú)人機(jī)拍攝的正攝影像圖，通過(guò)軟件對(duì)樹冠進(jìn)行分割，然后再將對(duì)角線樹冠覆蓋長(zhǎng)度除以兩對(duì)角線長(zhǎng)度（樣線法），得到郁閉度。樹冠分割方法可采用分水嶺法。在實(shí)際郁閉度為0.5～0.9時(shí)，無(wú)人機(jī)測(cè)量的郁閉度誤差值不超過(guò)0.01[6]。2）以樹高測(cè)量為例，傳統(tǒng)主要采用測(cè)高儀測(cè)量，目前也有采用激光測(cè)距儀測(cè)量樹高。無(wú)人機(jī)測(cè)量樹高的原理是將拍攝的圖像處理成樹冠點(diǎn)云和地面點(diǎn)云，兩者的高度差即為樹高，點(diǎn)云的分割可采用閾值法。采用無(wú)人機(jī)測(cè)量樹高與在地面上使用全站儀測(cè)量樹高的誤差不超過(guò)10%，說(shuō)明利用無(wú)人機(jī)測(cè)量樹高數(shù)據(jù)是可靠的[6]。

3.4.3 ?森林蓄積量估算

森林蓄積量主要指樹干部分材積。無(wú)人機(jī)測(cè)算森林蓄積量，需先測(cè)取樹冠和樹高的數(shù)據(jù)，再在三維模型中計(jì)算林木總材積。無(wú)人機(jī)估算森林蓄積量的方法是通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感獲取樣地正攝影像圖，提取單木樹冠信息，包括樹冠面積和冠幅數(shù)據(jù)。樹冠信息的提取要采用影像分割技術(shù)，分割后對(duì)不同特征的影像進(jìn)行分類，從中確定樹冠覆蓋區(qū)及其他區(qū)域。通過(guò)調(diào)整分割范圍勾畫出單木樹冠，部分樹木相互重疊和遮擋，提取單一樹木冠幅有困難，應(yīng)采用適合的分割算法。以云杉樹冠面積數(shù)據(jù)獲取為例，面積小的不足2 m2，面積大的接近25 m2。單木生物量的計(jì)算可通過(guò)樹高、胸徑等因子，利用線性或非線性模型來(lái)估算。例如，單木樹冠面積為8.24 m2，胸徑為13.71 m，估算單木生物量為60.52 kg[7]。

3.5 ?森林執(zhí)法

森林執(zhí)法最關(guān)鍵的問(wèn)題是取證，由于現(xiàn)場(chǎng)勘察難、檢測(cè)追蹤難，導(dǎo)致森林執(zhí)法遇到諸多困難，甚至面臨較大安全風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)人機(jī)航拍獲得的正攝影像圖、林分結(jié)構(gòu)、植被狀況等數(shù)據(jù)可作為森林執(zhí)法的佐證材料。利用無(wú)人機(jī)可對(duì)森林進(jìn)行實(shí)時(shí)核查和即時(shí)監(jiān)測(cè)，快速獲取圖斑變化數(shù)據(jù)，為監(jiān)管部門的森林執(zhí)法提供有效證據(jù)。通過(guò)無(wú)人機(jī)巡飛、抓拍，為非法采挖、盜砍盜伐、非法捕獵等案件查處鎖定證據(jù)。利用無(wú)人機(jī)可追蹤涉林違法案件，遠(yuǎn)比路口設(shè)卡、設(shè)障等方式靈活和高效，尤其對(duì)流竄作案者的鎖定更為直接。

目前，采用輕小型無(wú)人機(jī)對(duì)林場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的應(yīng)用已十分廣泛，具有成本低廉、隱蔽靈活等優(yōu)勢(shì)，一般可分為4步。1）精心準(zhǔn)備，提前規(guī)劃。了解監(jiān)視區(qū)域天氣、樹種、范圍等情況，雨天、刮風(fēng)天氣不適合無(wú)人機(jī)飛行。提前規(guī)劃飛行路線、設(shè)置圖像分辨率、布置像控點(diǎn)等。2）靈活、準(zhǔn)確地操控?zé)o人機(jī)巡飛和航拍。在森林執(zhí)法飛行過(guò)程中，會(huì)遇到需要臨時(shí)調(diào)整飛行路線的情況，這時(shí)要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)航線進(jìn)行優(yōu)化。3）航拍后要及時(shí)導(dǎo)出數(shù)據(jù)，如果影像不符合要求應(yīng)重拍和補(bǔ)拍。采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，生成符合要求的影像，如正攝影像圖。4）編制報(bào)告。例如，非法侵占林地事件要整理出侵占前的影像，將當(dāng)前影像與其對(duì)比，由此得出侵占面積等結(jié)論，利于執(zhí)法部門執(zhí)法。

3.6 ?野生動(dòng)植物保護(hù)

無(wú)人機(jī)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物的棲息地、追蹤野生動(dòng)物種群遷徙、對(duì)野生動(dòng)物進(jìn)行救護(hù)等。利用無(wú)人機(jī)在目標(biāo)野生動(dòng)物活動(dòng)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，了解野生動(dòng)物種群狀況和環(huán)境變化，通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)食物短缺的野生動(dòng)物投放食物，調(diào)查野生動(dòng)植物疫情，監(jiān)控非法捕獵野生動(dòng)物行為，為野生動(dòng)植物保護(hù)提供依據(jù)。

4 ?結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)應(yīng)用于林業(yè)生產(chǎn)與管理中，提高了林業(yè)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平，尤其是無(wú)人機(jī)信息化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，為建設(shè)智慧林業(yè)和高效林業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著無(wú)人機(jī)平臺(tái)的不斷完善，必將進(jìn)一步提升現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展水平。

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（責(zé)任編輯：張春雨 ?盛 ?偉）