我國林草無人機的發(fā)展研究

王凡雨，雷永杰，蔣鵬飛，張 彬，馮海韻，周建波*

(1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)機電工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086；3.國家林業(yè)和草原局林業(yè)裝備工程技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

1 林草無人機的定義

1.1 林草無人機產(chǎn)生背景

林草資源作為一種長期的可再生資源，直接關系到我國的生態(tài)環(huán)境與林草產(chǎn)業(yè)發(fā)展，據(jù)國家林草局統(tǒng)計，截至2020年，我國的森林覆蓋率達23.04%，森林蓄積量超過175億立方米，草原綜合植被覆蓋率達56%[1]。傳統(tǒng)的林草資源管理主要依靠人工。全國2.37萬個鄉(xiāng)鎮(zhèn)林業(yè)站中，擁有交通工具、通信設備和計算機進行輔助作業(yè)的分別占36.09%、61.34%和74.63%[2]，信息化、智能化程度不高，技術水平低，而人工作業(yè)存在時效性低、覆蓋面窄、成本高、工作強度大、危險系數(shù)高和易受天氣地勢影響等問題，難以滿足林草資源的現(xiàn)代化管理要求[3]。林草無人機作為一種現(xiàn)代化多功能飛行平臺，為林草資源管理和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了一種高度集成的一體化、智能化作業(yè)工具，在林草資源管理與保護等多個方面發(fā)揮廣泛應用。本文將針對林草無人機的發(fā)展與應用進行分析，指出應用中存在問題，并提出相關建議。

1.2 林草無人機的概念

無人機全稱為無人駕駛飛機，是一種利用遠程遙控或沿既定航線飛行的無人駕駛飛行器[4]。無人機從應用領域上而言，可以分為民用和軍用無人機[5]，其中無人機最初的應用為軍用中的偵察機[6]。隨著無人機技術的飛速發(fā)展，無人機被廣泛應用于電力巡檢、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、林草保護管理等領域。

林草無人機(Forestry and Grassland Unmanned Aerial Vehicle，簡稱“FGUAV”)是無人機在林業(yè)與草原領域中的應用，是一種結合遙感及傳感器技術，通過軟件程序控制，搭載多功能平臺，適應并滿足林草作業(yè)環(huán)境及航空作業(yè)需要的無人駕駛飛行器。

1.3 林草無人機的分類

根據(jù)無人機在林草行業(yè)的不同應用領域，可以把林草無人機分為林草監(jiān)測無人機、林草植保無人機、林草特種無人機、林草運輸無人機。

(1)林草監(jiān)測無人機。為了對林地及草原進行實時監(jiān)測管理，結合遙感監(jiān)測技術、智能跟蹤技術、神經(jīng)網(wǎng)絡識別技術的林草監(jiān)測無人機，主要包括林草火情監(jiān)測與滅火無人機、生物資源及多樣性監(jiān)測無人機、病蟲害防治監(jiān)測無人機、林草國家公園管理監(jiān)測無人機等。

(2)林草植保無人機。用于森林草原植物保護的無人駕駛飛機，主要有精準植保噴藥無人機、草原投餌無人機等。

(3)林草特種無人機。為了實現(xiàn)林草產(chǎn)業(yè)復雜環(huán)境的特殊需要，進行花粉精準噴灑、果實機械化采收作業(yè)的無人機，主要有林木授粉無人機、果實采收無人機等。

(4)林草運輸無人機。為滿足林地山地等復雜地形空中運輸作業(yè)需要的林草無人機設備，主要有木竹材運輸無人機、林果運輸無人機等。

2 林草無人機的應用

隨著電子信息技術的突飛猛進，林草無人機將智能遙控、遙感監(jiān)測、圖像識別、大數(shù)據(jù)處理、互聯(lián)網(wǎng)關聯(lián)等技術應用于林草資源管理保護及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，構建了無人機在林草行業(yè)中的應用系統(tǒng)，主要包括森林病蟲害監(jiān)測與防治、森林防火、野生動植物監(jiān)測、森林資源調(diào)查、森林精準植保、林木授粉等領域。

2.1 林草監(jiān)測無人機的現(xiàn)狀

(1)林草監(jiān)測無人機在森林防火中的應用。森林火災是我國主要林草災害之一，據(jù)我國應急管理部發(fā)布消息顯示，2021年我國森林火災發(fā)生共計616起。2022年第一季度，全國共發(fā)生森林火災103起[6]，草原火災9起[7]。由于林草復雜的地理環(huán)境，人工火情監(jiān)測覆蓋率低、時效性差，衛(wèi)星監(jiān)測精度不足，難以滿足實時監(jiān)測、及時匯報、精準救災的要求。林草無人機搭載高光譜攝像機、雷達定位系統(tǒng)、空中遙感傳輸?shù)妊b置，實時記錄林草火災的信息、處理反饋有效信息參數(shù)，實現(xiàn)林草火災的空中全時監(jiān)測工作。

張增等[8]研發(fā)林草無人機遙感圖像的邊緣檢測系統(tǒng)，利用林草監(jiān)測無人機機動性強、時效性高、航行穩(wěn)定、圖像采集精準的特點，實現(xiàn)對林草監(jiān)測無人機高空火災圖像的特征提取和識別，對森林火災的識別率達89.2%。馬瑞升等[9]對林草火災煙霧區(qū)進行目標監(jiān)測，以煙霧的RGB值作為分類標準，開發(fā)了結構化、智能化的林草火災監(jiān)測系統(tǒng)。實現(xiàn)火災煙霧的自動識別、無人機飛行數(shù)據(jù)保存、火情圖像顯示、可視化人機交互、火災范圍估算等多功能集成，對火災煙霧的識別率可達70%以上。

(2)林草監(jiān)測無人機在生物資源及多樣性監(jiān)測中的應用。林草動植物資源是林草資源的重要組成部分，保護生物多樣性是保證生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素。王芳等[10]研發(fā)的亞洲象監(jiān)測無人機，利用林草無人機視野范圍廣，安全系數(shù)高和可夜間作業(yè)的優(yōu)勢，對野生亞洲象的數(shù)目以及分布進行監(jiān)測，彌補了人工考察風險性高、遺漏嚴重的問題，實現(xiàn)對林草生物的數(shù)目、分布情況、種群個體、活動軌跡的實時監(jiān)測。劉方正等[11]開發(fā)的一種生物多樣性考察林草無人機，通過圖像增強技術，針對三江并流世界遺產(chǎn)地的自然環(huán)境進行識別林冠數(shù)目及環(huán)境差異分析，為景觀格局的分析計算提供支撐，實現(xiàn)對自然保護地生物多樣性的管理保護工作。

(3)林草監(jiān)測無人機在林草病蟲害防治中的應用。病害蟲害是危害我國林草生產(chǎn)的主要因素之一，對我國林草經(jīng)濟產(chǎn)生一定影響的病蟲害種類高達300余種[12]。傳統(tǒng)的人工地面監(jiān)測，是利用病蟲害的趨光性對其進行監(jiān)測防控，工作強度大、范圍小、監(jiān)測效果差。張軍國等[13]研發(fā)的林業(yè)蟲害航拍無人機，采用八旋翼無人機搭載高光譜攝像機，結合復合梯度分水嶺切割算法，實現(xiàn)了對林地蟲害信息實時、高效采集和處理。蘭玉彬等[14]利用林草監(jiān)測無人機對低空的柑橘黃龍病株進行高光譜圖像拍攝分析，其對樣本的辨識精度高達94.7%，有效提高管理和生產(chǎn)效率，降低果園種植成本和損失。

(4)林草監(jiān)測無人機在國家森林公園管理與開發(fā)中的應用。譚金石等[15]利用復合翼無人機航時長、采集效率高、起降方便的特點對嶺南國家森林公園進行三維圖像采集與重建，實現(xiàn)對森林資源、荒漠化和沙化土地、森林災害等信息的實時監(jiān)測。劉乾飛等[16]利用無人機對山西太行洪谷國家森林公園進行圖像采集與三維重建，并設計三維模型的查看軟件。為國家公園森林、土地資源的管理和檢測提供了更為精確及全面的信息，也為國家森林公園相關的旅游行業(yè)提供了便利的信息獲取方式。

如圖1所示，林草監(jiān)測無人機的應用。

圖1 林草監(jiān)測無人機的應用

2.2 林草植保無人機的應用

(1)林草植保無人機在植保施藥中的應用。林草植保是林草產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，人工植保工作強度大、成本高、危險性高、效率低，傳統(tǒng)人工植保作業(yè)費用約為每人900～1 200 元/hm2，是無人機植保的8～10倍，效率約為每人0.2～0.27 hm2/h，不到植保無人機作業(yè)的十分之一，因此植保無人機在林草的病蟲害檢測以及農(nóng)藥噴灑中逐漸取代傳統(tǒng)的人力勞動。徐兵強等[17]針對棗樹中棗癭蚊和截形葉螨的病蟲害問題，利用林草植保無人機進行空中施藥，效率為傳統(tǒng)人工高壓水槍噴霧作業(yè)的12.56～16.2倍，可節(jié)省水量1 485～2 227.5 L/hm2，有效提升了林草植保作業(yè)效率。朱曉峰等[18-19]針對核桃樹中核桃黑斑蚜和黃刺蛾的病蟲害問題，利用植保無人機進行低空施藥，作業(yè)效率可達13.5～20.25 m2/s，每日作業(yè)量達19.44～29.16 hm2/臺。

(2)林草植保無人機草原投餌中的應用。草原鼠害是阻滯草原可持續(xù)發(fā)展的難題，投餌是處理草原鼠害問題的重要環(huán)節(jié)。柴哲明等[20]針對草原鼠害問題，研發(fā)林草無人機遙感和煙熏捕鼠智能化系統(tǒng)，實現(xiàn)草原鼠洞識別及鼠害處理的智能化作業(yè)。李海軍[21]針對復雜草原地形投餌困難問題，研發(fā)草原投餌無人機，實現(xiàn)林草無人機夜間作業(yè)、精準投餌，最高投餌效率為4.9 kg/min，是人工背負式投餌的49倍，懸掛式投餌機的5.4倍。

2.3 林草特種無人機的應用

林草特種無人機的應用主要包括林木授粉及林果采收等。傳統(tǒng)的林木授粉方式以蜂蜜授粉、人工輔助抖粉為主，工作效率低、成本高、坐果率低。程建斌等[22]應用林草無人機噴灑液體花粉，對薄殼山核桃進行輔助授粉作業(yè)，利用林草無人機旋翼的風力擴散，提高了風媒花樹種自身花粉及薄殼山核桃花粉的傳播距離，相較于自然授粉，林草無人機輔助授粉下薄殼山核桃單果的果質(zhì)量、核質(zhì)量、果仁質(zhì)量分別提高12.02%、5.98%、5.49%。王邦富等[23]針對杉樹雌雄同株的問題，利用林草無人機授粉作業(yè)，通過控制林草無人機授粉高度、飛行速度，杉木坐果率達65.7%，比人工輔助授粉提高46.0%，比自然授粉提高117.5%。雒鷹等[24]研發(fā)的紅松果采摘無人機，利用MCU控制，以切鋸方式進行紅松果及枝條采摘修剪作業(yè)，相較于傳統(tǒng)人工采摘方式，安全性高、作業(yè)靈活，實現(xiàn)智能化采摘修剪。

2.4 林草運輸無人機的應用

林草運輸無人機的應用主要包括木竹材運輸、林果運輸?shù)?。傳統(tǒng)的木竹材與林果采摘運輸以人工及陸地交通運輸為主，人工作業(yè)工作強度大、風險性高，生產(chǎn)環(huán)境復雜，陸地運輸難度大，易受陸地植被、地面坡度、土地狀況等因素影響。開發(fā)利用無人機空中運輸，采用重載無人機進行原木及果實運輸，可以有效解決高海拔山地地區(qū)運輸難、風險高等問題，現(xiàn)已有大載重工程無人機在高海拔地區(qū)進行工程材料運輸應用。如圖2，利用大載重林草無人機進行空中木竹材及林果的運輸作業(yè)，降低運輸難度與運輸風險，提高運輸效率，實現(xiàn)林業(yè)運輸?shù)暮娇栈鳂I(yè)。

圖2 林草運輸無人機

3 林草無人機現(xiàn)存問題及建議

針對復雜的林草作業(yè)環(huán)境，高精度的林草作業(yè)要求，林草無人機仍存在續(xù)航能力弱、環(huán)境污染嚴重、易受風速影響、管理規(guī)范缺失等局限性，需要在考慮經(jīng)濟、環(huán)境等因素的影響下，對設備續(xù)航，平臺硬件，軟件程序、算法系統(tǒng)、管理模式以及規(guī)范操作上進行創(chuàng)新和完善。

3.1 林草無人機發(fā)展中存在的問題

(1)林草無人機的續(xù)航能力弱，通訊距離有限。我國林地多為大規(guī)模山地、丘陵地區(qū)，受環(huán)境和現(xiàn)有無人機作業(yè)載荷影響，單臺無人機可作業(yè)范圍小、留空時間短，難以長時間、高精度作業(yè)。同時受限于林草無人機與控制臺的通訊距離，現(xiàn)有的林草作業(yè)無人機難以適應大面積、大范圍的林地草業(yè)調(diào)查和監(jiān)測任務。

(2)林草無人機高空作業(yè)條件惡劣，受環(huán)境影響較大。我國林地環(huán)境復雜，林區(qū)氣流極不穩(wěn)定、氣候變化復雜[25]。在實際飛行中，受氣流、風向影響，無人機平臺會產(chǎn)生傾斜、顛簸和晃動，對林間精密測控帶來挑戰(zhàn)，當外界環(huán)境變化劇烈時，無人機甚至會有遙控失靈，飛行設備墜落的危險。因此，目前在復雜林地進行長時間無人機作業(yè)的條件還不成熟，無人機系統(tǒng)的穩(wěn)定性亟需提升。

(3)林草無人機冠下作業(yè)復雜，路徑規(guī)劃難度較大。在進行林分信息測量，或遇到樹冠分布較大較密的情況時，無人機需進行冠下作業(yè)。林間植物的無序生長、野生環(huán)境下動物的不規(guī)則活動，容易干擾無人機按既定路徑飛行，無人機需要隨時對周圍環(huán)境進行判別分析，這對無人機系統(tǒng)的環(huán)境感知、信息及時處理和路徑規(guī)劃提出了極高的要求。

(4)載重型林草無人機技術薄弱。林草領域的重載運輸無人機應用較少，近年來，我國每年竹采伐量在12億根以上，桉樹木材年采伐量在3 000萬m3以上，我國特有經(jīng)濟林果油茶年產(chǎn)量達72萬t，在木竹材和林果運輸環(huán)節(jié)，由于載荷通常僅有數(shù)十至數(shù)百公斤，傳統(tǒng)人工運輸勞動強度大、陸地運輸設備上山難度高，小型無人機無法承載，現(xiàn)行大型載重無人機應用成本較高，基礎設施不匹配，對起降環(huán)境的要求較高，不能適應山林地的復雜環(huán)境。因此無人機空中運輸作業(yè)處于起步階段，大載重、長距離、高海拔林草業(yè)運輸無人機設計研發(fā)實例少，技術薄弱。

(5)林草無人機管理落后，制度標準滯后。林草無人機以林草作業(yè)為主，缺少相關的管理規(guī)定，使用主體為林草生產(chǎn)一線、農(nóng)民群眾，缺乏系統(tǒng)化、專業(yè)化管理與培訓，存在不規(guī)范使用的問題。林草無人機的使用范圍以及類型規(guī)定缺乏相關標準[26]，尤其是針對林草無人機及其操作方法所帶來的風險，進行相關標準的制定修訂亟待推進。

3.2 發(fā)展林草無人機的建議

針對無人機在林草應用領域中所存在的一系列問題，滿足林草作業(yè)需要，對發(fā)展林草無人機提出以下建議與展望。

(1)提升無人機續(xù)航，降低能源消耗。利用無人機遠程激光充電技術，目標識別特征提取技術實現(xiàn)無人機遠程充電，提高能量轉(zhuǎn)化效率；采用油電混合的能源驅(qū)動[27]，改善能源消耗方式；針對多軸旋翼無人機，開發(fā)多相充電技術。提高無人機電池效率的同時，開發(fā)新型充電技術，提升無人機在林草作業(yè)的續(xù)航能力。

(2)優(yōu)化算法設計，提升識別精度。提高林草無人機傳感器、控制器等硬件精度，融合智能化軟件程序及算法設計，實現(xiàn)多目標、動態(tài)目標的智能識別，復雜對象運動軌跡的跟蹤預測。采用無人機編隊[28]，無人機結構仿生設計[29]，降低無人機與林草動植物的相互影響，提升林草無人機的作業(yè)精度。

(3)改善作業(yè)模式，減少安全隱患。采用多線控制，跟蹤無人機飛行路徑，采取手自一體的控制模式，提供保障著陸安全的機械控制，減少無人機失控的風險。采取無人機編隊巡檢以小型無人機監(jiān)測大型林草無人機作業(yè)的方式進行森林巡檢，提高對無人機作業(yè)的監(jiān)測效果，改善控制情況，降低能源消耗和作業(yè)風險。

(4)拓寬應用領域，開展項目研究。開展載重無人機在林草行業(yè)的研究，進行跨領域?qū)W習及多平臺協(xié)作，參考大載重物流無人機的設備結構和控制系統(tǒng)，研發(fā)適應林草地形下的林草運輸無人機，提高林草運輸效率，拓寬無人機應用領域。

(5)簡化操作模式，增加人員培訓。簡化林草無人機的操作界面，采用簡單便捷的UI設計。對操作人員安排相應的操作教學以及安全規(guī)范培訓，了解林草無人機構造及使用規(guī)范，系統(tǒng)化、規(guī)范化作業(yè)。

(6)制定管理規(guī)范，提供政策支持。在實驗室操作及實地作業(yè)的基礎上，制定林草無人機安全操作規(guī)范，統(tǒng)一操作標準，提供相關法律法規(guī)支持。