三門江林場森林資源調查中無人機遙感技術的應用實踐

摘 要 為提高無人機森林資源調查的準確度，以廣西國有三門江林場的無人機遙感技術在森林資源調查中的應用為例，探討其在森林調查規(guī)劃、林業(yè)有害生物監(jiān)控及森林火災監(jiān)測等方面的應用效果及存在的不足。實踐發(fā)現(xiàn)，目前三門江林場在森林資源調查中使用無人機遙感技術存在自動拍照模式缺乏靈活度和針對性，易受地形、天氣等因素影響而降低衛(wèi)星信號等問題，因此提出靈活選用航拍模式，采用“對坡勾圖”方式避免信號降低，充分考慮天氣與人為因素等對策。

關鍵詞 無人機；遙感技術；森林資源調查；應用；廣西國有三門江林場

中圖分類號：S757.2 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.22.044

森林資源調查主要是針對林地、林木及林區(qū)范圍內的動植物及林地環(huán)境條件等調查對象而進行的一種林業(yè)調查，并對土地與森林資源的現(xiàn)狀進行科學系統(tǒng)地清查，包括森林資源數(shù)量、質量、生長及消亡規(guī)律等，結合森林調查結果制定合理有效的林業(yè)政策，包括森林林種類型、規(guī)模及比例，為林業(yè)造林計劃奠定基礎，保障人工造林規(guī)劃的科學性，提高森林資源的利用率，減少森林資源的浪費[1]。

目前，林業(yè)調查中常用的調查方式包括目測、抽樣、遙感等。目測和抽樣的林業(yè)調查方式需要耗費大量的人力物力，同時易受主觀因素的影響，因此不適用于大面積的林業(yè)調查。而遙感技術是基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）等無線通信技術的監(jiān)測調查技術，能減少人為因素引起的誤差，提高林業(yè)調查數(shù)據的客觀性[2]。無人機遙感技術是基于無人駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、通信技術等綜合技術，用以獲取精準的國土、資源、環(huán)境等空間遙感信息，具有低成本、低損耗、可循環(huán)使用、誤差小、風險小等優(yōu)點，在林業(yè)資源調查中逐漸得到重視和應用。

1 三門江林場森林資源調查中無人機應用優(yōu)勢

1.1 三門江林場概況

廣西位于我國地勢第二臺階中云貴高原東南邊緣，西北高、東南低，呈西北向東南傾斜狀，山嶺連綿、山體龐大、嶺谷相間，其中山地面積占全區(qū)總面積將近40%，且桂中地區(qū)以連片的喀斯特地貌廣泛分布為主，農業(yè)經濟發(fā)展有限。而廣西國有三門江林場（以下簡稱三門江林場）位于廣西中部地區(qū)，地跨柳州市城中區(qū)、鹿寨縣和來賓市象州縣，場內和場外的林地地貌以丘陵、中山、低山為主，且以中、低丘和石山、土山交叉分布，場內林地平均海拔為200 m，場外林地海拔在600～800 m[3]。

1.2 無人機在森林資源調查中的應用優(yōu)勢

由于三門江林場的經營面積廣，且經營林地的地形復雜多樣，外業(yè)調查工作任務重，尤其在夏季高溫多雨季節(jié)執(zhí)行森林資源外業(yè)調查工作，單純依靠傳統(tǒng)的林業(yè)調查方式實地勘測和考察，不僅工作效率低，還需要耗費大量的人力物力，同時對外業(yè)調查人員的人身安全還存在一定的威脅。而采用無人機執(zhí)行森林資源調查工作，借助無人機深入偏僻危險區(qū)域，再利用GPS定位及遙感技術，將監(jiān)測區(qū)域以圖片或視頻的形式清晰地展現(xiàn)，包括林地的坡度大小、地面情況等，并結合相關的數(shù)據形成三維立體的模型，可顯著提高森林資源信息的全面性和準確性，實現(xiàn)智能化、自動化的建模和應用分析，提高森林資源外業(yè)調查的工作質量和工作效率，大大節(jié)約人力物力和時間成本。

2 三門江林場森林資源調查無人機應用實例

2020年3月3日，三門江林場購入18臺大疆精靈Phantom 4RTK無人機，無人機保有量增至26臺，實現(xiàn)營林生產單位配備全覆蓋，主要用于森林資源管護、森林防火監(jiān)控等業(yè)務[4]。

2.1 森林調查規(guī)劃

無人機在森林調查、監(jiān)測及規(guī)劃中的應用，主要是通過具有攝像功能的無人機設備及遙感技術，對目標林地區(qū)域進行影像圖片和視頻的拍攝和捕捉，為林業(yè)調查工作人員提供高清且豐富的影像圖片和視頻資料。利用無人機遙感技術調查的數(shù)據通過無線信息通信網絡技術傳輸?shù)缴仲Y源調查系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)對目標區(qū)域內的林地覆蓋情況、森林資源動態(tài)變化等進行精準地測量、監(jiān)測和反映。如通過人工地面隨機調查的方式對無人機監(jiān)測枯死松樹的準確度進行驗證，發(fā)現(xiàn)無人機檢查枯死松樹的準確度為95%[5]。因此，采用無人機能夠實現(xiàn)對林地、林木高準確度的實時監(jiān)測。

三門江林場利用GPS和遙感（Remote Sensing，RS）技術，通過構建森林資源和環(huán)境資源調查數(shù)據庫，基于各項調查數(shù)據的合理分析結果，實現(xiàn)GPS位置數(shù)據、GIS數(shù)據庫、RS圖像與面板數(shù)據內容數(shù)據整合，利用“3S”信息系統(tǒng)與無人機遙感技術實現(xiàn)林業(yè)數(shù)據的采集及處理。如成功對2020年全年生產計劃40萬m3的木材進行伐區(qū)數(shù)據的調查；通過“3S”信息系統(tǒng)與無人機遙感技術完成伐區(qū)調查設計面積共計3 518.1 hm2；協(xié)助林場職能部門完成林地收購調查面積1.6萬hm2，約占林場總經營面積的1/4[6]。

2.2 林業(yè)有害生物監(jiān)控

林業(yè)有害生物是森林中常見的自然災害之一，主要包括病、蟲、雜草等有害生物，可對林業(yè)的發(fā)展產生嚴重的影響。2022年廣西全區(qū)林業(yè)有害生物發(fā)生總面積為36.58萬hm2，占廣西全區(qū)森林總面積的2.5%，同比增加3.44%；發(fā)生率為3.94%，其中成災面積達2.32萬hm2[7]。傳統(tǒng)人工監(jiān)控模式存在工作難度和強度大的缺點，尤其對于偏遠山區(qū)林業(yè)有害生物的監(jiān)測而言，其環(huán)境復雜度和監(jiān)測樣地可達性都遠遠難于平原地區(qū)。而采用無人機遙感技術對林業(yè)有害生物進行監(jiān)測，一般是搭載攝像設備對目標區(qū)域的有害生物進行檢查和系統(tǒng)分析，能夠及時、精確地了解目標區(qū)域的有害生物發(fā)生類型及受害程度，并予以針對性的防治措施，減少有害生物造成的林業(yè)經濟損失。

2020年10月1日—11月15日，三門江林場采用無人機航拍、PDA調查系統(tǒng)等方式，通過森防站聯(lián)合基層各單位對十二灣、導江、江口、馬步、龍母及大朋等6個分場開展2020年秋季薇甘菊普查工作，普查面積超過1萬hm2，實現(xiàn)林區(qū)監(jiān)測全覆蓋[8]。

2.3 森林火災監(jiān)測

與其他的自然災害相比，由于森林火災具有突發(fā)性強和破壞性大的特征，救援難度與影響程度大。采用衛(wèi)星遙感監(jiān)測無法識別小面積火情，尤其易受地形、天氣等因素的影響，監(jiān)測難度大。而無人機遙感技術更加靈活、快速和準確，能夠實現(xiàn)較大范圍的不同發(fā)生程度的森林火情監(jiān)測。此外，利用無人機機動性強的特點，可有效擴大森林防火宣傳覆蓋范圍，如2020年4月，三門江林場首次使用無人機在所管轄林區(qū)循環(huán)播放森林用火安全提示，宣傳覆蓋16個村屯，面積達1 200 hm2，飛行往返次數(shù)20余次[9]。

為強化林業(yè)科技支撐，三門江林場通過“人防+技防”“空中+地面”相結合的方式進行巡山防火，除常規(guī)望火樓瞭望員24 h值班瞭望、護林員分組分區(qū)分片巡護外，運用無人機開展森林防火巡護。利用“水印相機”APP定位功能，要求巡護人員定期拍攝巡護林區(qū)情況，讓林區(qū)情況可視化、更直觀，實現(xiàn)信息更新更加精準高效[10]。

3 存在的不足

3.1 自動拍照模式缺乏靈活度和針對性

目前，三門江林場利用無人機在野外調查拍照作業(yè)共有兩種拍照模式，分別為自動拍照和手動拍照，其中自動拍照模式是無人機在規(guī)劃好的預設航線中自動執(zhí)行任務，拍攝的影像資料能夠實現(xiàn)實時電腦合成，通過ArcGIS軟件準確勾繪有林范圍并計算面積，實際應用頻率較高；手動拍照模式則是通過人為手動的方式利用無人機在目標區(qū)域拍照，手動拍攝的影像資料只能通過照片判斷有林范圍，易受主觀因素的影響。但使用手動拍照模式能夠在現(xiàn)場清晰地看到林地實際情況，提高監(jiān)測的靈活性和針對性，對存在異議處可當場確認，有效避免將其他林地劃入；而自動拍照模式由于是預先設定航線，在實際應用中缺乏針對性和靈活性。

3.2 易受地形因素影響而降低衛(wèi)星信號強度

由于三門江林場場內和場外的林地地貌以丘陵、中山、低山為主，且各種地貌交叉分布，走向錯綜復雜，無人機在森林資源調查中易受到植被與地形等區(qū)域因素的影響，干擾衛(wèi)星信號，進而會影響遙控器對飛行器的控制，導致不能正常完成作業(yè)或實際獲取的森林資源信息有一定的誤差。

3.3 無人機自重過輕易受風力影響

部分無人機自身重量較輕，在其飛行到一定的高度時，易受高空中的風力影響，造成無人機偏離原定的飛行航線，而且由于無人機的飛行狀態(tài)不穩(wěn)定，最終對其拍攝影像的清晰度造成影響。

4 優(yōu)化對策

4.1 靈活選用航拍模式

在實際的森林資源調查中，可根據林業(yè)調查的實際需要，對于面積超過330 hm2的林地，可優(yōu)先考慮采用自動預設模式；對于小范圍或存疑的林地，可采用手動模式。此外，在條件允許的情況下，綜合應用兩種航拍模式，以提高森林調查數(shù)據的精準度和真實性。

4.2 采用“對坡勾圖”方式避免信號降低

在無人機作業(yè)時，應盡量選在所要進行作業(yè)的林地中心點，或在空曠的林地邊、山頂上，作業(yè)路徑為直線到對面的山頂或者空曠的地點，實現(xiàn)“對坡勾圖”，并適當將飛行器的飛行距離和高度調遠、調高，使遙控器和飛行器能更好地連接，以避免信號降低而影響成像質量。

4.3 充分考慮天氣與人為因素

在森林資源調查工作中使用無人機進行森林數(shù)據采集時，應盡可能避免大風天氣，從而避免由于天氣而影響最終調查的成像信息。此外，通過對無人機操作人員的定期培訓，提高操作技能和水平，降低人為因素引起的數(shù)據采集誤差。

5 結語

總而言之，無人機遙感技術由于其便捷性、安全性、準確性已然成為森林資源調查的發(fā)展趨勢。在實際的應用中，應結合需要，因地制宜，綜合考慮天氣因素，靈活選用航拍模式，采用“對坡勾圖”方式避免信號降低，減少客觀和主觀因素導致的成像質量下降，以提高無人機森林資源調查的準確度。

參考文獻：

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[7] 秦玉蓮.廣西發(fā)布2022年全區(qū)林業(yè)有害生物發(fā)生情況及2023年趨勢預測[EB/OL]. （2023-04-14）

[2023-08-12]. http：//www.forestry.gov.cn/main/394/20230414/135938920809826.html.

[8] 謝秋蓉.我場完成2020年秋季薇甘菊普查工作[EB/OL]. （2020-11-18）[2023-08-12].http：//www.smjlc.com.cn/index.php？c=showamp;id=9000.

[9] 邱玉麗.三門江林場：慎終追遠，用文明緬懷先輩[EB/OL]. （2020-04-20）[2023-08-12]. http：//gxlz.wenming.cn/jr/202103/t20210302_6980615.html.

[10] 國家林業(yè)和草原局.三門江：黨建+森林防火，筑牢安全保障線[EB/OL].（2022-04-08）[2023-08-12]. http：//www.forestry.gov.cn/zyw/5044/20220413/192627071976643.html.

（責任編輯：張春雨）