無人機(jī)在林業(yè)中的應(yīng)用

盧小娟 曾露陽

摘要 隨著RS遙感技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)、GIS地理信息系統(tǒng)、電子無線電控制技術(shù)等技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)及其相關(guān)技術(shù)在我國許多領(lǐng)域尤其是林業(yè)工作中得到了廣泛應(yīng)用。本文重點(diǎn)討論了無人機(jī)技術(shù)在森林經(jīng)理、森林培育、森林保護(hù)、林業(yè)自然災(zāi)害調(diào)查、林業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、林業(yè)執(zhí)法等實(shí)際林業(yè)工作中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 無人機(jī)；林業(yè)；應(yīng)用

中圖分類號 S779 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）11-0139-04

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一種自帶飛行控制系統(tǒng)和導(dǎo)航定位系統(tǒng)的無人駕駛飛行器。無人機(jī)由通用飛行部件、遠(yuǎn)程自動操作程序、自動駕駛儀、自動導(dǎo)航系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)組成。在不同領(lǐng)域的具體應(yīng)用中，根據(jù)工作需要攜帶不同的儀器和系統(tǒng)[1]。無人機(jī)種類多樣，在農(nóng)業(yè)上被廣泛應(yīng)用于植物生長和病蟲害監(jiān)測、噴撒肥料、病蟲害防治，在規(guī)模化生產(chǎn)上優(yōu)勢明顯。胡興年等[2]將無人機(jī)應(yīng)用于規(guī)?；绝喒沧髦?，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。陳紅蘭[3]應(yīng)用植保無人機(jī)于安徽安慶市對棉花進(jìn)行病蟲害防治，使化肥農(nóng)藥減施18%、棉花增產(chǎn)7.2%、節(jié)省用工24%，避免了因大量使用氮肥造成多施不多收和土壤板結(jié)現(xiàn)象，減輕了農(nóng)藥對農(nóng)作物和土壤造成的污染，更好地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。余洪菊等[4]用無人機(jī)噴施農(nóng)藥防治水稻田雜草安全性高、作業(yè)效率高、除草效果好。在林業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的是固定翼和多旋翼無人機(jī)。我國林業(yè)資源早期主要采取人工實(shí)地監(jiān)測方式調(diào)查，森林培育為人工作業(yè)，森林火災(zāi)通過瞭望臺觀察防控，森林病蟲害采用人工噴灑藥物等方式防控，所有的林業(yè)工作幾乎都是人工現(xiàn)場完成。隨著科技發(fā)展，我國林業(yè)工作交由衛(wèi)星遙感技術(shù)完成，但對于影像精度要求較低，分辨率從2.5 m僅提高到0.5 m。利用無人機(jī)技術(shù)能顯著提高遙感影像的精度，可以確保其精度控制在0.2 m之內(nèi)。因此，無人機(jī)結(jié)合GIS系統(tǒng)，可以更精確、及時、方便地動態(tài)化監(jiān)測和管理森林資源[5]。無人機(jī)具有簡便、快捷、實(shí)時的優(yōu)點(diǎn)，隨著GPS全球定位系統(tǒng)技術(shù)、RS遙感技術(shù)、GIS地理信息系統(tǒng)、電子無線電控制技術(shù)等技術(shù)不斷發(fā)展，無人機(jī)在林業(yè)各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1 無人機(jī)在林業(yè)工作中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

無人機(jī)現(xiàn)普遍應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、森林資源調(diào)查、營造林建設(shè)及驗(yàn)收管理、護(hù)林防火、森林病蟲害防治、森林資源管護(hù)、項目建設(shè)開發(fā)、林業(yè)執(zhí)法等各項生產(chǎn)領(lǐng)域，其應(yīng)用不斷推進(jìn)了智慧林業(yè)建設(shè)。與有人機(jī)相比，無人機(jī)具有成本低、能耗少、操作簡單、無需特殊機(jī)場的特點(diǎn)。與人工作業(yè)相比，具有快捷簡便、省時省力、斑塊范圍調(diào)查準(zhǔn)確、可到達(dá)地形類型豐富等優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)應(yīng)用在節(jié)省財力和物力的同時，可以有效地降低人員操作風(fēng)險，非常適合森林和山區(qū)等復(fù)雜地形作業(yè)。

1.1 經(jīng)濟(jì)實(shí)用

無人機(jī)具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，其遙感系統(tǒng)成本遠(yuǎn)低于衛(wèi)星、載人飛機(jī)以及人工作業(yè)；輻射回收場地的需求低于衛(wèi)星和載人飛機(jī)，無需租用場地起降，日常維護(hù)極為簡單；操作比衛(wèi)星和載人飛機(jī)簡單，面向公眾，易于控制。因此，無人機(jī)遙感極大地降低了林業(yè)資源數(shù)據(jù)獲取的資金投入成本。

1.2 機(jī)動靈活

無人機(jī)航拍具有較高的自由度，飛行高度通常在1 km以下空域，不需要提前進(jìn)行空域申請，可以隨時隨地進(jìn)行航拍。無人機(jī)啟航方便，可以從田野、山嶺、海灘、空地等區(qū)域快速起飛獲取遙感圖像，并通過滑行、跳傘、撞網(wǎng)、一鍵返航等方式進(jìn)行召回。

1.3 參數(shù)精準(zhǔn)度高

人工勾繪精度較差，特別是沒有經(jīng)驗(yàn)的人員。無人機(jī)低空起飛可獲得高分辨率遙感圖像，圖像空間分辨率可精確到分米，能準(zhǔn)確地反映大多數(shù)地物的形狀、質(zhì)量和色調(diào)。無人機(jī)還可以通過在不同時間進(jìn)行航拍，避免一定方向陰影對圖像的影響。

1.4 氣候影響小

無人機(jī)是一種能夠在多云氣候下運(yùn)行的低空導(dǎo)航設(shè)備，不僅填補(bǔ)了衛(wèi)星光學(xué)遙感被云層遮擋的空白，還解決了載人航天遙感受惡劣天氣限制的問題[6]。

2 無人機(jī)技術(shù)在林業(yè)工作中的應(yīng)用

2.1 在林業(yè)經(jīng)理中的應(yīng)用

2.1.1 森林資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測 ?森林資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測是一個極為復(fù)雜的過程。無人機(jī)具有靈活、高效、便捷的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)遙感技術(shù)更新時間久和空間分辨率低的局限，可以滿足遙感動態(tài)觀測需求和定制化要求，應(yīng)用激光雷達(dá)遙感結(jié)合人工智能方法，可以從單木尺度對某一植物擴(kuò)張進(jìn)行監(jiān)測，也可以從林分尺度對林分蓄積量與生物多樣性指數(shù)進(jìn)行估測[7]。結(jié)合定點(diǎn)監(jiān)測，可以進(jìn)行野生動物監(jiān)測，監(jiān)測野生動物種群、數(shù)量、生活規(guī)律和活動軌跡。

在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中，應(yīng)用無人機(jī)可以實(shí)時監(jiān)測植被變化、水土流失情況、水質(zhì)和水污染等生態(tài)指標(biāo)變化情況，為生態(tài)治理和生態(tài)修復(fù)提供本底材料。

2.1.2 森林資源調(diào)查 ?森林資源調(diào)查是林業(yè)工作中的一項重要任務(wù)，具有工作量大、爬山難度大、強(qiáng)度高、數(shù)據(jù)精度要求高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的調(diào)查工作需要耗費(fèi)大量的人力、物力，且調(diào)查效率相對較低，不能實(shí)現(xiàn)全覆蓋，調(diào)查精度也較低。而應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)，可利用無人機(jī)遙感系統(tǒng)機(jī)動靈活的特點(diǎn)，快速到達(dá)作業(yè)區(qū)域，受地形和氣象環(huán)境影響較小，能實(shí)時獲取森林資源的高清航空數(shù)據(jù)。目前可通過無人機(jī)遙感圖像獲取的森林類型、分布情況、林分結(jié)構(gòu)、郁閉度、樹冠、高度、樹齡、樹種及單木高度和單木冠幅等數(shù)據(jù)，結(jié)合3S（GPS、RS、GIS）技術(shù)，測算森林面積和林蓄積量，電腦化管理森林資源數(shù)據(jù)。

2.2 在森林培育中的應(yīng)用

2.2.1 無人機(jī)播種造林 ?在地域遼闊、人跡罕至的地區(qū)，飛播造林是國土綠化的有效方法。80年代我國實(shí)施造林滅荒綠化工程，在我國西北、西南等地區(qū)采用飛機(jī)撒播馬尾松等種子，造林綠化了大片國土。飛播造林曾采用軍用飛機(jī)等較大型飛機(jī)，但在面積不大卻交通不便的地方，無人機(jī)飛播造林是一種有效快捷方法。

2.2.2 營造林綜合核查 ?利用無人機(jī)獲取的高清航拍圖像，利用地理信息系統(tǒng)，計算造林面積、造林密度、成活（保存）率、林木生長情況和工程質(zhì)量情況，進(jìn)行營造林綜合核查。將傳統(tǒng)的人工調(diào)查和無人機(jī)調(diào)查方式結(jié)合應(yīng)用，可以提高林業(yè)營造林核查效率、減少外業(yè)工作時長、完善核查結(jié)果，使數(shù)據(jù)更加全面準(zhǔn)確。

2.3 在森林保護(hù)中的應(yīng)用

2.3.1 森林病蟲害監(jiān)測及防治 ?傳統(tǒng)的森林病蟲害監(jiān)測及防治主要依靠人工作業(yè)，難以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與防治的及時性和有效覆蓋。隨著攝像傳感器水平不斷提升，無人機(jī)遙感技術(shù)受到巨大關(guān)注，極大提升了對森林病蟲害實(shí)時監(jiān)測能力。將遙感技術(shù)與GPS地理坐標(biāo)相結(jié)合，對有癥狀的病樹實(shí)現(xiàn)快速定位，相較傳統(tǒng)人工勘察定位的方法具有明顯優(yōu)勢。將采集的可見光圖像及紅外圖像進(jìn)行分類與綜合分析，用顏色和紋理作特征輸入向量識別病害樹木，實(shí)現(xiàn)了對輕度、中度、重度患病樹木進(jìn)行精準(zhǔn)分類。哪些樹是枯死木，自動勾繪的同時，可計算出病蟲害面積，同時具備效率高、速度快、探測范圍大、定位識別準(zhǔn)確、組織實(shí)施靈活等優(yōu)勢，特別是對于難以到達(dá)的復(fù)雜區(qū)域的探測效果更好。

森林病蟲病防治中，利用無人機(jī)噴施農(nóng)藥，不僅可以有效避免在噴施過程中林業(yè)工作人員與農(nóng)藥的直接接觸，保障工作人員安全，而且噴藥均勻、作業(yè)不受高度影響。據(jù)初步估算，1臺植保無人機(jī)1 d正常噴藥作業(yè)面積可達(dá)13.32～13.67 hm2，相當(dāng)于傳統(tǒng)噴淋機(jī)作業(yè)面積的7～10倍，有效減少人力成本，極大提高了病蟲害防治作業(yè)效率。

2.3.2 森林防火 ?森林火災(zāi)是嚴(yán)重危害林業(yè)生產(chǎn)和森林生態(tài)系統(tǒng)安全的重大災(zāi)害之一。及時、準(zhǔn)確地對森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測是林業(yè)管理中的重要工作之一。傳統(tǒng)的林業(yè)火災(zāi)監(jiān)控手段主要是瞭望臺觀測、地面巡視、飛行巡護(hù)和衛(wèi)星遙感[8]。瞭望臺觀測和地面巡視覆蓋面有限、人工成本高且存在視覺盲點(diǎn)，監(jiān)測效率低。衛(wèi)星遙感對森林火災(zāi)的監(jiān)測常常存在不及時的情況，且受天氣影響較大。無人機(jī)技術(shù)具有成本低、時效強(qiáng)、及時發(fā)現(xiàn)、及時預(yù)警、安全撲救等優(yōu)點(diǎn)，火情發(fā)生時，能夠通過操作無人機(jī)拍攝圖像、熱成像技術(shù)等，即時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，直觀地確定起火點(diǎn)和火勢范圍，有利于工作人員及時組織撲救并對火情蔓延情況進(jìn)行科學(xué)預(yù)判，更有效地組織人民群眾進(jìn)行轉(zhuǎn)移。同時，火災(zāi)撲救工作具有相當(dāng)?shù)奈ｋU性，而無人機(jī)可以及時輸送救助物資及設(shè)備，保證消防工作的有效進(jìn)行。無人機(jī)具有使用簡便、機(jī)動性好、便于投放、沒有人員安全風(fēng)險的優(yōu)點(diǎn)，特別適合森林防火作業(yè)中的人工增雨，1臺無人機(jī)可攜帶10枚增雨焰條，可通過地面遙控點(diǎn)燃焰條，10枚增雨焰條可滿足100 km2的人工降雨作業(yè)區(qū)域。

2.3.3 林地林木巡查管護(hù) ?對長期在林地巡查監(jiān)測的一線護(hù)林人而言，更準(zhǔn)確獲取森林信息、提高巡查覆蓋廣度和密度是需要解決的痛點(diǎn)。森林內(nèi)情況復(fù)雜，山路蜿蜒、林木茂密，護(hù)林員和傳統(tǒng)攝像頭不可能做到實(shí)時無死角監(jiān)控。采用無人機(jī)對林業(yè)資源進(jìn)行巡查管護(hù)，能及時發(fā)現(xiàn)林木偷盜、亂砍濫伐、侵占林地、毀林開墾、偷挖偷獵國家重點(diǎn)保護(hù)野生動植物等違法行為，其攜帶的通話系統(tǒng)可對不法行為進(jìn)行高空喊話和警告制止，能及時制止各種違法行為。更為重要的是，基層使用無人機(jī)所采集的三維模型、照片、視頻等資料，都可通過云臺共享至上級部門，讓信息流通無阻、溝通高效，有利于決策部門快速響應(yīng)，也讓護(hù)林工作更高效優(yōu)質(zhì)。

2.4 在林業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用

根據(jù)林區(qū)骨干道路的設(shè)計目的、功能要求等，搜集地形圖數(shù)據(jù)、土壤類型圖、遙感影像數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)等相關(guān)基礎(chǔ)資料。通過無人機(jī)獲取的遙感影像數(shù)據(jù)與DEM疊加，展現(xiàn)三維可視化場景，讓人直觀、形象化地認(rèn)識道路沿線相關(guān)的地質(zhì)地貌狀況，可直觀鎖定坡度較小、距離較短的道路規(guī)劃路線。無人機(jī)還可以采集到高清且豐富的影像信息，清晰觀察林地上的各種情況，避開墳山、高壓線塔架、發(fā)射塔等障礙物，方便道路設(shè)計人員進(jìn)行林區(qū)道路線路的布設(shè)，避免與墳主和物主產(chǎn)生糾紛。

2.5 在林業(yè)自然災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

發(fā)生臺風(fēng)、暴雨、泥石流等自然災(zāi)害后，采用無人機(jī)進(jìn)行林木受災(zāi)面積、受災(zāi)情況調(diào)查，可及時采取救災(zāi)措施、進(jìn)行災(zāi)后恢復(fù)重建工作及時報險進(jìn)行理賠，從而減少臺風(fēng)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失。因暴雨和泥石流造成的道路損毀、滑坡和泥石流，采用無人機(jī)調(diào)查可避免因通行不便帶來的調(diào)查困難。

2.6 在林業(yè)執(zhí)法中的應(yīng)用

傳統(tǒng)林業(yè)執(zhí)法人工執(zhí)法覆蓋面不廣、獲取信息時效性差，后期結(jié)衛(wèi)星遙感圖進(jìn)行取證，但衛(wèi)星遙感圖缺少實(shí)時性且分辨率偏低，導(dǎo)致投入了大量的人力物力并且耗費(fèi)大量時間仍然取證困難。無人機(jī)林業(yè)執(zhí)法相比于傳統(tǒng)林業(yè)執(zhí)法，具有時效性高、成本低、操作簡單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，配備視頻傳感器和可見光攝像機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)對山林快速巡查監(jiān)測，節(jié)約執(zhí)法成本，大大提高巡查管護(hù)的覆蓋面和精度，能夠及時發(fā)現(xiàn)偷砍盜伐森林等違法行為，對違法征占林地、草地、濕地、毀林開荒等行為進(jìn)行現(xiàn)場拍照取證，可作為林業(yè)違法行為的行政處罰和刑事案件的有效證據(jù)，是林草管理中的“空中保護(hù)傘”。

3 無人機(jī)在林業(yè)中的應(yīng)用展望

目前，無人機(jī)應(yīng)用存在一些缺點(diǎn)，譬如續(xù)航時間短，無人機(jī)無電時會墜毀丟失；抗風(fēng)能力差，在大風(fēng)和亂流中易偏離飛行線路，難以保持平穩(wěn)的飛行姿態(tài)；無線信號傳輸存在盲點(diǎn)，影響調(diào)查測量精度；抗干擾能力較差，強(qiáng)信號干擾易造成與地面工作站失去聯(lián)系；精通無人機(jī)操作的技術(shù)人員缺乏，影響無人機(jī)在林業(yè)中的有效應(yīng)用。

我國是林業(yè)大國，森林覆蓋面積居于世界前列，林業(yè)工作高質(zhì)量發(fā)展需要更精確高效的林業(yè)信息檢測手段，靈活運(yùn)用無人機(jī)等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段對傳統(tǒng)的林業(yè)技術(shù)進(jìn)行改革是大勢所趨。隨著社會進(jìn)步及科技發(fā)展，未來將會有更多的高科技將被應(yīng)用到無人機(jī)領(lǐng)域，無人機(jī)的系統(tǒng)功能和性能將持續(xù)提升，如無人機(jī)電池容量增大，續(xù)航時間會更長；遙感技術(shù)和光學(xué)儀器制造技術(shù)的提高，無人機(jī)遙感成像精度更高，隨著3S技術(shù)功能日漸強(qiáng)大，無人機(jī)在林業(yè)中的應(yīng)用必將更廣泛，在林業(yè)工作中發(fā)揮越來越重要的作用。隨著現(xiàn)代林業(yè)、精準(zhǔn)林業(yè)和智慧林業(yè)等概念和理論的不斷完善，林業(yè)也將從傳統(tǒng)的粗放管理進(jìn)入到數(shù)字化、信息化和智能化的時代。

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（責(zé)編：張 蓓）