無人機技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)與管理中的應用分析

羅文書

（廣東羅定金銀湖國家濕地公園管理處，廣東羅定 527200）

無人駕駛飛機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）（以下簡稱無人機）是利用機載導航定位與飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)自主飛行或遠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)勢在林業(yè)生產(chǎn)和管理中得到廣泛應用，扮演著促進林業(yè)發(fā)展的重要角色[1]。例如，無人機在森林防火、病蟲害監(jiān)測、森林執(zhí)法、營造林核查及林業(yè)資源調(diào)查等領(lǐng)域中的應用價值極其顯著[2]。本文對無人機技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)與管理中的應用進行了分析。

1 林業(yè)應用無人機的優(yōu)勢分析

1.1 提高精準度

基于高度發(fā)達的信息技術(shù)，無人機輔助可實現(xiàn)林業(yè)數(shù)據(jù)精確錄入：無人機用于林業(yè)測量可實現(xiàn)厘米級精確測量、用于林業(yè)定位可實現(xiàn)分米級精確定位、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)可實現(xiàn)精準控制和精細化施工[3]。

1.2 提升效率

無人機作業(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，無人機每日可核查的造林面積是人工核查面積的39倍，無人機每日可巡護的森林資源面積是人工巡護面積的20 倍（多旋翼無人機）到33倍（固定翼無人機）[3]。

1.3 提高安全系數(shù)

無人機不受高山、峽谷等自然環(huán)境及嚴寒、高溫等氣候條件的影響，能在順利完成指定任務的同時充分保障作業(yè)人員的安全。例如，在人員難以進入的區(qū)域，通過無人機多角度航拍能獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。無人機能在森林火災、地質(zhì)災害、動物疫情暴發(fā)等高風險區(qū)域完成作業(yè)，降低人員的作業(yè)風險。

1.4 提高智能水平

借助人工智能技術(shù)，無人機可以智能識別野生動物，在病蟲害普查領(lǐng)域（如調(diào)查松材線蟲）的準確率在95%以上，還可以完成自動測繪和計算任務[3]。通過無人機，平臺可以對偏遠山區(qū)的林業(yè)生產(chǎn)和管理進行遠程協(xié)助，如造林綠化、防火指揮等。無人機還能作為中繼通信平臺協(xié)助實現(xiàn)信息互聯(lián)共享，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)遠程操控和互動交流。

2 林業(yè)用無人機的類別與技術(shù)特點

2.1 無人機的類別

林業(yè)用無人機大體上分為固定翼無人機、多旋翼無人機、無人直升機3 大類[4]。固定翼無人機飛行速度、續(xù)航能力均比多旋翼無人機出色，但需要專門的起降場地，這在一定程度上限制了它的使用范圍。目前，多旋翼無人機的應用最為廣泛，因為它對起降場地要求低、部署靈活、成本低及操作簡便。無人直升機可在空中隨意懸停，對起降場地的要求比固定翼無人機低，空中飛行極為靈活，但對操控技術(shù)要求很高，且造價昂貴。

2.2 無人機的技術(shù)特點

1）無人機無需人員隨機飛行，對操控人員的要求比載人飛機低得多，當然操控無人機也需要一定的技術(shù)，這樣才能確保無人機穩(wěn)定可靠地飛行并高質(zhì)量地完成指定任務。2）無人機具有極強的環(huán)境適應能力，可在人力難以抵達的區(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。3）無人機拆卸安裝方便，可靈活部署和執(zhí)行多種任務。4）當下信息技術(shù)高度發(fā)展，無人機獲取和共享信息的能力極為出色，能精準執(zhí)行任務指令，即無人機技術(shù)具有適用性、實用性和靈活性等突出優(yōu)勢。

3 無人機技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)與管理中的應用

3.1 植樹造林

飛播造林過去主要通過載人飛機實現(xiàn)，播種面積較大，但飛機租用費用較高。隨著無人機技術(shù)的普及，無人機飛播造林已在全國很多地區(qū)開展，能極大地提高難度造林的頁巖、石灰?guī)r、鈣質(zhì)巖等“硬骨頭”地區(qū)及高山、遠山、陡山、礦山的綠化效率。載人飛機開展飛播造林時間較久，目前無人機飛播造林還屬于新生事物，相關(guān)研究文獻較少。各地多以試點方式開展無人機飛播造林工作，有關(guān)樹種選擇、飛播成苗規(guī)律、飛播林密度效應、飛播混交方式、飛播林病蟲害防治和火災撲救等內(nèi)容大多參照載人飛機飛播造林經(jīng)驗，針對無人機特點的高效、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人機，也有應用固定翼無人機的案例。采用多旋翼無人機時，在無人機主體下部設(shè)置播種罐或播種箱，罐內(nèi)放置樹種，無人機飛行在播種區(qū)域上空時，播種罐內(nèi)的機構(gòu)能讓樹種均勻播撒下來[5]。還可以利用無人機進行施肥、授粉、輔助采收等工作。利用無人機采集營造林數(shù)據(jù)，可指導和監(jiān)督現(xiàn)場人員施工，提高作業(yè)效率和保證施工質(zhì)量。

3.2 病蟲害防治

應用無人機防治病蟲害主要體現(xiàn)在對森林病蟲害進行監(jiān)測和以無人機為載具噴灑防治藥品兩個方面。無人機上可搭載多光譜成像設(shè)備，通過對病態(tài)樹木圖像顏色、紋理特征的分析識別病木種類、林相結(jié)構(gòu)、分布面積等內(nèi)容，制訂相應的病蟲害防治措施。例如，橡木甲蟲侵害櫟樹后，樹冠上大量葉片會脫落，通過無人機搭載的紅外成像設(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變紅，通過無人機拍攝的影像顏色變化可以識別出松材線蟲侵害情況。

無人機上搭載植保藥械可對受害林木噴灑藥劑。在丘陵坡地人工植保難度大、效率低，而且操作人員長時間接觸藥物，對健康不利，而無人機可以遠離藥劑噴灑范圍，保障人員安全。通過利用無人機上的高精度導航定位和飛控系統(tǒng)能實現(xiàn)精準施藥，對疫木進行定點處理。采取病蟲害防治措施后，可通過無人機對防治措施實施效果進行評價和驗收，如評價疫木處置率、除治成功率等。

3.3 森林防火

無人機與遙感技術(shù)結(jié)合已成為監(jiān)測森林火災的一種安全、便捷、經(jīng)濟的方法。無人機在森林防火中的應用包括監(jiān)測火情、預警、搜救和災后評估等。無人機巡飛覆蓋面積大，可到達人力不便抵達的區(qū)域，定點巡飛能解決衛(wèi)星遙感分辨率不足的問題。無人機搭載熱成像設(shè)備、溫度傳感器、煙霧感應設(shè)備后，能在巡飛過程中鎖定著火點，向工作人員報警，便于工作人員快速發(fā)現(xiàn)和排查火情。無人機上掛載滅火彈、干冰和水等滅火材料，投放在著火點能快速撲滅火災。無人機上加載廣播設(shè)備，能向林區(qū)群眾進行宣傳、預警和警戒。無人機上加裝照明燈、通信設(shè)備，可用于消防照明和通信中繼。

無人機的數(shù)據(jù)傳輸功能可將現(xiàn)場獲取的信息實時傳送至防火指揮中心，指揮中心可根據(jù)掌握的信息進行科學調(diào)度與合理指揮。通過分析無人機檢測著火點、過火面積、蔓延方向和撲救進展等信息，可有針對性地制訂和調(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。利用無人機能實時指導滅火工作，向參與滅火的隊伍提供最佳撲救路線，及時補給物資，并向滅火隊員發(fā)出危險預警等。災后可利用無人機進行災害損失評估，分析火災發(fā)生原因，評價火災損毀程度，清點活木與死木，制訂災后清理和植被恢復方案。

3.4 森林資源調(diào)查

掌握森林資源的現(xiàn)狀和演替態(tài)勢是有效保護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)方式工作強度大、效率低，而且深入復雜環(huán)境中有一定危險性。應用無人機進行森林資源調(diào)查能降低人員實地踏勘工作的難度和強度，提升工作效率，降低危險性。無人機進行森林資源調(diào)查的主要內(nèi)容包括森林面積測算、林分結(jié)構(gòu)測算、森林蓄積量估算等。

3.4.1 森林面積測算

無人機測算森林面積是以無人機為載具平臺，搭載遙感設(shè)備來獲取圖像，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 相機獲取森林全景圖像，獲得的圖像不能直接用于面積計算，需要對特征點進行測量和標定，并對圖像畸變進行校正。森林面積具有明顯邊界特征，采用適當?shù)乃惴ê托螒B(tài)學原理可以識別圖像邊緣。無人機搭載的導航定位系統(tǒng)能記錄拍攝期間的經(jīng)緯度、飛行高度等數(shù)據(jù)，提取面積測算范圍的林地二值圖像數(shù)據(jù)，再根據(jù)相機標定獲得的位置坐標，即能對整幅圖像進行定位，求出每一個像素的經(jīng)緯度。將圖像經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為投影坐標系，統(tǒng)計測區(qū)的像元數(shù)量，再結(jié)合圖像分辨率即可計算測區(qū)面積。

3.4.2 林分結(jié)構(gòu)測算

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，使用無人機可以利用這些原理測量林分郁閉度。規(guī)劃無人機從林區(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。利用無人機拍攝的正攝影像圖，通過軟件對樹冠進行分割，然后再將對角線樹冠覆蓋長度除以兩對角線長度（樣線法），得到郁閉度。樹冠分割方法可采用分水嶺法。在實際郁閉度為0.5～0.9 時，無人機測量的郁閉度誤差值不超過0.01[6]。2）以樹高測量為例，傳統(tǒng)主要采用測高儀測量，目前也有采用激光測距儀測量樹高。無人機測量樹高的原理是將拍攝的圖像處理成樹冠點云和地面點云，兩者的高度差即為樹高，點云的分割可采用閾值法。采用無人機測量樹高與在地面上使用全站儀測量樹高的誤差不超過10%，說明利用無人機測量樹高數(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。無人機測算森林蓄積量，需先測取樹冠和樹高的數(shù)據(jù)，再在三維模型中計算林木總材積。無人機估算森林蓄積量的方法是通過無人機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)，分割后對不同特征的影像進行分類，從中確定樹冠覆蓋區(qū)及其他區(qū)域。通過調(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。單木生物量的計算可通過樹高、胸徑等因子，利用線性或非線性模型來估算。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)鍵的問題是取證，由于現(xiàn)場勘察難、檢測追蹤難，導致森林執(zhí)法遇到諸多困難，甚至面臨較大安全風險。無人機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。利用無人機可對森林進行實時核查和即時監(jiān)測，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)。通過無人機巡飛、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)。利用無人機可追蹤涉林違法案件，遠比路口設(shè)卡、設(shè)障等方式靈活和高效，尤其對流竄作案者的鎖定更為直接。

目前，采用輕小型無人機對林場進行監(jiān)測的應用已十分廣泛，具有成本低廉、隱蔽靈活等優(yōu)勢，一般可分為4步。1）精心準備，提前規(guī)劃。了解監(jiān)視區(qū)域天氣、樹種、范圍等情況，雨天、刮風天氣不適合無人機飛行。提前規(guī)劃飛行路線、設(shè)置圖像分辨率、布置像控點等。2）靈活、準確地操控無人機巡飛和航拍。在森林執(zhí)法飛行過程中，會遇到需要臨時調(diào)整飛行路線的情況，這時要結(jié)合實際情況對航線進行優(yōu)化。3）航拍后要及時導出數(shù)據(jù)，如果影像不符合要求應重拍和補拍。采集數(shù)據(jù)后進行內(nèi)業(yè)處理，生成符合要求的影像，如正攝影像圖。4）編制報告。例如，非法侵占林地事件要整理出侵占前的影像，將當前影像與其對比，由此得出侵占面積等結(jié)論，利于執(zhí)法部門執(zhí)法。

3.6 野生動植物保護

無人機可以用來監(jiān)測野生動物的棲息地、追蹤野生動物種群遷徙、對野生動物進行救護等。利用無人機在目標野生動物活動區(qū)域進行監(jiān)測，了解野生動物種群狀況和環(huán)境變化，通過無人機對食物短缺的野生動物投放食物，調(diào)查野生動植物疫情，監(jiān)控非法捕獵野生動物行為，為野生動植物保護提供依據(jù)。

4 結(jié)語

無人機應用于林業(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，尤其是無人機信息化、智能化技術(shù)的應用，為建設(shè)智慧林業(yè)和高效林業(yè)奠定了堅實基礎(chǔ)。隨著無人機平臺的不斷完善，必將進一步提升現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展水平。