無人機(jī)遙感技術(shù)在洮河自然保護(hù)區(qū)林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測中的應(yīng)用

何春風(fēng)

摘 要 隨著信息技術(shù)、遙感與智能化的融合與進(jìn)步，無人機(jī)遙感技術(shù)在森林資源的研究與跟蹤中扮演著越來越重要的角色。為揭示無人機(jī)遙感技術(shù)給現(xiàn)代林業(yè)調(diào)查與監(jiān)測帶來的變革與機(jī)遇，給相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供參考。簡要論述了無人機(jī)遙感技術(shù)的定義及其在林業(yè)調(diào)查中所展現(xiàn)的優(yōu)勢，基于洮河國家級自然保護(hù)區(qū)的實(shí)際情況，從林業(yè)調(diào)查規(guī)劃、林木病蟲害監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)防與檢測、林木參數(shù)提取與分析等角度剖析林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測工作中無人機(jī)遙感技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 無人機(jī)遙感技術(shù)；林業(yè)資源；調(diào)查與監(jiān)測；洮河國家級自然保護(hù)區(qū)

中圖分類號：S771.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.24.032

林業(yè)資源，作為地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，既承擔(dān)著維持生物多樣性、調(diào)節(jié)氣候和水文循環(huán)等生態(tài)功能，又為人類提供了眾多經(jīng)濟(jì)效益[1]。對林業(yè)資源的精準(zhǔn)調(diào)查與監(jiān)測是科研和政策制定中的重要議題。遙感技術(shù)，作為一種能夠在宏觀尺度上對地表特征進(jìn)行非接觸性觀測的方法，其在林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測中的潛力逐漸得到了廣泛關(guān)注。而無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle Drones，UAV），作為一種靈活、低成本、高效率的觀測工具，其與遙感技術(shù)的結(jié)合，無疑大大拓寬了林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測的可能性[2]。本文從理論與實(shí)際應(yīng)用的角度，以洮河國家級自然保護(hù)區(qū)（以下簡稱洮河保護(hù)區(qū)）為例，探討無人機(jī)遙感技術(shù)在林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測中的具體應(yīng)用，為我國林業(yè)資源的可持續(xù)管理探尋一種更加高效、精確的方法。

1 無人機(jī)遙感技術(shù)概述

遙感技術(shù)，融合了計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)與地球科學(xué)等領(lǐng)域的知識，為科研和實(shí)際應(yīng)用提供了先進(jìn)的探測手段。目前，此技術(shù)已從初期的航空光學(xué)攝影進(jìn)化到利用各種平臺和傳感器進(jìn)行衛(wèi)星探測，尤其是具有多個平臺和高分辨率的高光譜遙感，可以捕捉多個波段的光譜信息，從而為可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波段提供精確的數(shù)據(jù)。鑒于其對大范圍目標(biāo)的高信息捕獲能力及優(yōu)越的空間和時間分辨率，遙感技術(shù)在我國的資源勘查、城市規(guī)劃和災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

無人機(jī)遙感技術(shù)結(jié)合了無人機(jī)的飛行能力與遙感設(shè)備的數(shù)據(jù)采集特性，主要由地面控制站和飛行無人機(jī)組成。地面控制站不僅負(fù)責(zé)確定飛行路徑、監(jiān)控飛行進(jìn)展，并接收數(shù)據(jù)，還能實(shí)時控制無人機(jī)的行為[3]。林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測中，調(diào)查人員利用無人機(jī)遙感技術(shù)，可以基于實(shí)際的調(diào)查需求，預(yù)先規(guī)劃無人機(jī)的飛行軌跡與高度，依托于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）、載波相位差分技術(shù)（Real Time Kinematic，RTK）實(shí)現(xiàn)立體測圖，進(jìn)一步增強(qiáng)測繪的精度和完整性。同時，結(jié)合ERDAS IMAGINE、Post Flight Terra 3D等工具，保護(hù)區(qū)地面站可以將獲得的圖像迅速轉(zhuǎn)換為數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）的數(shù)據(jù)格式。相對于衛(wèi)星遙感，無人機(jī)能夠提供更高的精確度（可達(dá)0.1 m），使工作人員更精確地了解林區(qū)的樹木數(shù)量、生長情況和病蟲害情況等。

2 林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測中無人機(jī)遙感技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 林業(yè)調(diào)查規(guī)劃

洮河保護(hù)區(qū)總面積達(dá)287 760.00 hm2，其中林地面積為261 483.12 hm2，占土地總面積的91.4%。非林地面積為26 276.88 hm2，占土地總面積的8.6%，森林覆蓋率為44.4%，林地綠化率為71.33%。洮河保護(hù)區(qū)內(nèi)動植物資源豐富，共有高等植物1 302種，國家重點(diǎn)野生保護(hù)植物31種，野生動物26目59科275種，有國家重點(diǎn)保護(hù)野生動物60種，其中國家Ⅰ級保護(hù)動物15種，國家Ⅱ級保護(hù)動物45種；列入國家保護(hù)的有益的或者有重要經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究價值的陸生野生動物名錄的動物達(dá)115種。開展林業(yè)調(diào)查規(guī)劃工作對于制訂合理的林業(yè)發(fā)展計(jì)劃、維護(hù)生態(tài)多樣性，保護(hù)瀕危物種和珍稀植物等均具有重要的作用。

洮河保護(hù)區(qū)林業(yè)資源調(diào)查的主要對象是森林及其相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)，包括樹木、植被、土壤、野生動植物和水源等。此項(xiàng)工作要求工作人員進(jìn)行廣泛而多樣的數(shù)據(jù)采集，利用高時空分辨率信息，追求實(shí)時或近實(shí)時的數(shù)據(jù)反饋。無人機(jī)遙感技術(shù)能夠在短時間內(nèi)覆蓋廣大區(qū)域，獲取高分辨率和多時相的數(shù)據(jù)，從而為林業(yè)資源的詳盡評估和快速決策提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。在林業(yè)調(diào)查規(guī)劃中，無人機(jī)遙感技術(shù)的具體應(yīng)用體現(xiàn)在以下3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1）為了確保無人機(jī)遙感技術(shù)的有效應(yīng)用，飛行計(jì)劃的仔細(xì)規(guī)劃和選擇適當(dāng)?shù)娘w行路徑、高度及時間非常重要，直接影響數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率。因此，無人機(jī)飛行前，工作人員應(yīng)根據(jù)調(diào)查目標(biāo)和地形特點(diǎn)，制訂飛行計(jì)劃，選擇合適的飛行路徑、高度和時間。確保無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用在林業(yè)調(diào)查中能夠充分發(fā)揮作用，提供高質(zhì)量、高效率的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后續(xù)的分析和決策制定。2）傳感器的選擇。無人機(jī)應(yīng)搭載多種傳感器，以捕捉不同類型的數(shù)據(jù)。除了傳統(tǒng)的RGB攝像頭，洮河保護(hù)區(qū)的人員在無人機(jī)上配備近紅外、熱紅外和多光譜攝像頭，以便全面捕獲林木生長狀態(tài)、水分含量等深層信息。3）數(shù)據(jù)驗(yàn)證和校準(zhǔn)。為確保所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，調(diào)查人員采用ERDAS IMAGINE或Post Flight Terra 3D等專業(yè)的遙感軟件進(jìn)行圖像處理，包括圖像拼接、校正和生成DEM或數(shù)字表面模型（digital surface model，DSM），以助力林業(yè)人員深入分析森林的結(jié)構(gòu)、密度和其他關(guān)鍵生態(tài)參數(shù)。此外，無人機(jī)遙感技術(shù)還在林地年度變更工作中發(fā)揮著不可或缺的作用，基于“一張圖”的林地資源，能夠?qū)崟r并精確地更新洮河保護(hù)區(qū)內(nèi)的造林、采伐、征占用、自然災(zāi)害發(fā)生情況等信息，確保林業(yè)數(shù)據(jù)的權(quán)威性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而為洮河保護(hù)區(qū)內(nèi)的林業(yè)調(diào)查規(guī)劃及動態(tài)監(jiān)管工作提供有力支撐。

2.2 林木病蟲害監(jiān)測

洮河保護(hù)區(qū)內(nèi)林木病蟲害監(jiān)測工作需要具有廣泛性、實(shí)時性和精確性等特點(diǎn)。無人機(jī)遙感技術(shù)可以覆蓋大面積的監(jiān)測，提供快速的數(shù)據(jù)收集，并配合多光譜攝像頭等先進(jìn)傳感器，準(zhǔn)確地檢測和分類病蟲害，為森林管理者提供及時、準(zhǔn)確的決策支持。

洮河保護(hù)區(qū)林業(yè)調(diào)查人員開展林木病蟲害監(jiān)測工作時，基于無人機(jī)遙感技術(shù)，綜合考慮地形、樹種分布及歷史病蟲害數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的預(yù)評估，為無人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃提供依據(jù)。然后，根據(jù)預(yù)評估結(jié)果，選擇特定波段的傳感器，如近紅外（Near Infrared，NIR）、紅外（infrared ray，IR）或短波紅外[short-wave （length） infrared （band），SWIR]相機(jī)，用于捕捉與病蟲害相關(guān)的植被指數(shù)變化，如歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）的異常波動。對于地形復(fù)雜的區(qū)域，調(diào)查人員利用LiDAR技術(shù)獲取高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成精細(xì)的DEM，用于規(guī)劃仿地飛行路徑，為后續(xù)分析病蟲害的分布情況提供立體背景。數(shù)據(jù)采集完成后，使用ERDAS IMAGINE或ENVI等高級遙感圖像處理軟件，對多時相、多波段的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、分類和解譯，識別可能存在的病蟲害跡象和受害區(qū)域；采用專用的算法如隨機(jī)森林、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法，自動識別和區(qū)分各類病蟲害特征，提高數(shù)據(jù)處理的效率和準(zhǔn)確性。此外，針對病蟲害擴(kuò)散的緊急情況，工作人員應(yīng)利用無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并與智能噴霧系統(tǒng)聯(lián)動，基于精細(xì)的DEM數(shù)據(jù)，根據(jù)洮河保護(hù)區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的受害程度采取差異化的噴灑策略，確保在復(fù)雜地形中實(shí)現(xiàn)藥物的均勻噴灑，最大限度減少藥物浪費(fèi)，確保病蟲害得到快速、有效的控制。

2.3 火災(zāi)預(yù)防與監(jiān)測

林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測中，火災(zāi)預(yù)防與監(jiān)測工作需要高度的時效性、準(zhǔn)確性和廣泛的覆蓋面[4]。洮河保護(hù)區(qū)作為重要的生態(tài)區(qū)域，擁有豐富的動植物資源和獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，森林火災(zāi)無疑會對這一生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的破壞和影響。無人機(jī)遙感技術(shù)因其能迅速響應(yīng)、高空勘察和獲取高分辨率影像等優(yōu)勢，與林業(yè)火災(zāi)預(yù)防與監(jiān)測的需求高度契合。

洮河保護(hù)區(qū)的林業(yè)調(diào)查人員依托無人機(jī)遙感技術(shù)的精確性和即時性開展森林火災(zāi)預(yù)防與監(jiān)測工作，加強(qiáng)地空配合，控制重特大森林火災(zāi)的發(fā)生。在森林中，陽光聚焦、樹下積蓄的枯枝落葉等造成的高溫，均為火災(zāi)的潛在起點(diǎn)。日常工作中，調(diào)查人員除了運(yùn)用無人機(jī)進(jìn)行常規(guī)的林區(qū)巡查外，還為無人機(jī)配備了熱紅外傳感器，這是一個專門針對熱輻射的波段，能準(zhǔn)確檢測出微小的溫度變化，從而迅速定位森林中的異常熱點(diǎn)區(qū)域，通過輻射溫度的反演算法，估算出地表的實(shí)際溫度，為火險(xiǎn)評估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在季節(jié)性火險(xiǎn)高發(fā)時期，調(diào)查人員利用多光譜傳感器，對森林蓄積物、植被濕度和其他易燃物進(jìn)行高分辨率的圖像采集，獲取關(guān)于植被水分狀態(tài)的指標(biāo)，如歸一化水指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI），為森林干旱度的評估提供了數(shù)據(jù)支持。當(dāng)確定某區(qū)域水分不足，極易引發(fā)火災(zāi)時，將該區(qū)域標(biāo)注為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，并安排專門的地面巡查人員，指導(dǎo)地面團(tuán)隊(duì)進(jìn)行清理或其他防火活動。發(fā)生火災(zāi)時，調(diào)查人員則基于無人機(jī)的實(shí)時圖像傳輸功能快速了解火勢的分布、傳播方向和速度，為前線滅火團(tuán)隊(duì)制訂策略提供信息支撐?；鹎榘l(fā)生后，調(diào)查人員利用無人機(jī)上的LiDAR技術(shù)進(jìn)行火線追蹤，并快速對災(zāi)區(qū)進(jìn)行立體掃描，生成火災(zāi)后的地形和林冠結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。同時運(yùn)用高光譜傳感器，分析火災(zāi)區(qū)域的礦物質(zhì)和生物質(zhì)組成，以判斷火勢的燃燒深度和強(qiáng)度，從而更精確地評估火災(zāi)的影響和損失，為后續(xù)的森林恢復(fù)和重建工作提供數(shù)據(jù)支持。

2.4 林木參數(shù)提取分析

林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測中，洮河保護(hù)區(qū)林木參數(shù)提取分析工作的主要對象是森林中的各種樹木，尤其是關(guān)鍵樹種和生態(tài)系統(tǒng)的代表性組成成分。為獲取樹木生長狀態(tài)、樹冠結(jié)構(gòu)、直徑、樹高等基本參數(shù)，需要高分辨率、高精度的數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確揭示微觀和宏觀的森林結(jié)構(gòu)。無人機(jī)遙感技術(shù)憑借其低空飛行、靈活性和搭載多種傳感器的優(yōu)勢，能夠在森林密集、地形復(fù)雜的區(qū)域，捕獲細(xì)節(jié)豐富的圖像，通過精確地測量和分析如樹高、直徑、樹冠寬度、種類和生長狀況等關(guān)鍵參數(shù)，為林業(yè)工作者評估森林的物種多樣性、生物量和碳儲存量等提供數(shù)據(jù)支持，還能預(yù)測上述因素對森林氣候變化、病蟲害和人為干擾的響應(yīng)，從而制訂更為科學(xué)、精細(xì)化的林業(yè)資源管理策略。

林業(yè)調(diào)查人員在開展林木參數(shù)提取分析工作的前期環(huán)節(jié)，根據(jù)林區(qū)的復(fù)雜性和特異性，基于無人機(jī)遙感技術(shù)，進(jìn)行地面控制點(diǎn)的布設(shè)以確保高精度的幾何糾正。確定無人機(jī)飛行高度、速度和重疊率后，采用配備有高精度RGB相機(jī)和LiDAR系統(tǒng)的無人機(jī)獲取高分辨率的空間數(shù)據(jù)，在低空飛行中捕獲細(xì)致的林區(qū)影像。飛行任務(wù)完成后，數(shù)據(jù)的后處理階段至關(guān)重要。調(diào)查人員利用點(diǎn)云處理軟件，如PDAL或CloudCompare，進(jìn)行LiDAR數(shù)據(jù)的濾波和分類，以剔除非林木對象。結(jié)合像素級的圖像分割技術(shù)，應(yīng)用RGB和多光譜數(shù)據(jù)，細(xì)化樹冠分割，并提取特征如NDVI以評估林區(qū)植被的生長活力，準(zhǔn)確地估計(jì)林分密度和立地條件[5]。對于需要進(jìn)一步深入分析的區(qū)域，例如，疑似病蟲害侵襲或遭受其他生理壓力的區(qū)域，調(diào)查人員可利用無人機(jī)搭載的多光譜傳感器，基于前期獲得的數(shù)據(jù)信息，更為精細(xì)地獲取反映植被健康狀況的數(shù)據(jù)，如葉綠素含量和水分狀態(tài)等。

在林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測中，無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用不僅為林木參數(shù)提取分析工作提供超高分辨率的空間圖像，還能結(jié)合多光譜、熱紅外和LiDAR等傳感器數(shù)據(jù)，為深入洞察林木生理、生態(tài)和結(jié)構(gòu)特性提供了可能性，提高了林木資源的數(shù)據(jù)質(zhì)量和決策效率，為林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測賦予了更深的視角。

3 結(jié)語

在技術(shù)與生態(tài)交匯的當(dāng)下，無人機(jī)遙感技術(shù)為林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測工作提供了全新的視角，將傳統(tǒng)觀測方法提升至更高的精度與深度。本文解析了無人機(jī)遙感技術(shù)的原理及其在提高林業(yè)資源調(diào)查效率和準(zhǔn)確性方面的固有優(yōu)勢，基于洮河保護(hù)區(qū)的現(xiàn)實(shí)情況，從林業(yè)調(diào)查規(guī)劃、林木病蟲害監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)防監(jiān)測到林木參數(shù)提取分析等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對該技術(shù)在林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測多個維度中的應(yīng)用進(jìn)行了全面梳理，揭示了此技術(shù)在推動林業(yè)資源管理向更高層次、更廣范圍發(fā)展的潛力。

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（責(zé)任編輯：張春雨）