無人機(jī)在林場森林資源管理中的應(yīng)用分析

龍光林

（融水苗族自治縣國營懷寶林場，廣西 柳州 545399）

0 引言

“數(shù)據(jù)是未來的石油”，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，林業(yè)等行業(yè)正大力發(fā)展產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)。無人機(jī)是近年來發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，它在森林資源調(diào)查、森林面積核查等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在林業(yè)資料采集中起著舉足輕重的作用。目前，無人機(jī)技術(shù)在林業(yè)領(lǐng)域已取得了較大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)森林資源的管理有著特殊的優(yōu)越性。

1 傳統(tǒng)森林資源管理方法的局限性

森林是人類社會(huì)最重要的一種自然資源。就陸地上的生態(tài)系統(tǒng)而言，森林生態(tài)系統(tǒng)由于幅員遼闊、豐富的結(jié)構(gòu)、豐富的物種多樣性、多樣的資源、多樣的功能過程、豐富的食物鏈和食物網(wǎng)而脫穎而出。森林是地球生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，具有涵養(yǎng)水、調(diào)節(jié)大氣、抗風(fēng)固沙、保持大氣穩(wěn)定等諸多作用，為人類社會(huì)提供了生存所需的基本資源[1]。然而，由于傳統(tǒng)的管理方式的限制，使其不能得到科學(xué)有效的保護(hù)，不能充分挖掘其潛在的潛在價(jià)值。比如，我國的森林管理中，森林火災(zāi)一直是個(gè)大問題。傳統(tǒng)的森林防火管理方式一直處于被動(dòng)地位，無法有效地實(shí)現(xiàn)早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)防的目標(biāo)。

隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，人們?cè)絹碓街匾晫?duì)森林病蟲害的防治工作。在預(yù)防森林病蟲害方面，傳統(tǒng)的管理方式主要依賴于定期巡檢管護(hù)人員，然而這種方式存在著巡檢時(shí)間過長、問題發(fā)現(xiàn)不及時(shí)等缺陷，因此不能對(duì)病蟲害進(jìn)行及時(shí)有效的預(yù)防和控制。在林業(yè)執(zhí)法工作中，由于各種原因，導(dǎo)致大量森林資源遭到破壞，以至于產(chǎn)生大量的經(jīng)濟(jì)損失。這一切都是由于傳統(tǒng)的森林資源管理方式不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和有效地采取措施，導(dǎo)致了森林資源被破壞，違法分子得以逃脫。

傳統(tǒng)的森林管理方式主要依賴于人工巡視，這種方式的操作難度較大，工作效率低下，且需要較長的檢查周期，并且由于巡檢人員的技能水平不同，導(dǎo)致了信息獲取不夠精確等問題；雖然，衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)取代了人工，但是，在森林資源信息的獲取上，仍有一些不足之處。如：獲取時(shí)間較長，時(shí)效性較差，不能滿足對(duì)森林資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的需要；盡管傳統(tǒng)的有人造機(jī)克服了人工巡檢和時(shí)效性差的缺點(diǎn)，可以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求，但是由于飛行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用較高，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)森林資源的日常監(jiān)控，特別是當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)，飛行人員的人身安全將面臨極大的威脅。而近幾年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，其在森林資源調(diào)查、監(jiān)測和日常管理方面提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

2 無人機(jī)概述及其基本特征

2.1 無人機(jī)概述

無人機(jī)是一種無人駕駛飛機(jī)的簡稱。無人機(jī)控制系統(tǒng)，是將地面測控技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)、行動(dòng)通信技術(shù)和遙感技術(shù)等與傳統(tǒng)無人機(jī)遙控裝置加以集成，并對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行攝影收集和簡單的數(shù)據(jù)處理和回傳。從其內(nèi)部結(jié)構(gòu)上看，該系統(tǒng)由飛行終端，中央控制系統(tǒng)，傳感器（高清數(shù)碼攝像機(jī)），以及地面監(jiān)視等部分構(gòu)成。在開展林業(yè)資源調(diào)查時(shí)，要根據(jù)所要監(jiān)測的森林環(huán)境和管理的需要，構(gòu)建適合其需要的軟件系統(tǒng)。

2.2 無人機(jī)技術(shù)的基本特征

2.2.1 比較靈活

無人機(jī)的最大特點(diǎn)就是容易操控，它能在任何時(shí)候都能對(duì)各種突發(fā)情況做出反應(yīng)，并能快速地進(jìn)行工作，能對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行大范圍的監(jiān)控，能在很短的時(shí)間里就能產(chǎn)生高清的圖像數(shù)據(jù)。另外，無人機(jī)技術(shù)能夠?qū)λ杉男畔⑦M(jìn)行及時(shí)的處理與匯總，并將收集到的資料及時(shí)準(zhǔn)確地反饋至信息中心，使資料信傳遞時(shí)間大為縮短。在起飛時(shí)間上，無人機(jī)與人相比，可以更快地起飛，并且不會(huì)受到外部環(huán)境的影響，它具有省時(shí)省力、安全高效、靈活等優(yōu)點(diǎn)，便于隨時(shí)待命并進(jìn)行工作。

2.2.2 分辨率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確

在現(xiàn)代科技的幫助下，無人機(jī)使用了具有更高分辨率的數(shù)字圖像技術(shù)，利用低空行駛（通常距離地面不大于1km）時(shí)所獲取的圖像分辨率范圍約0.1～0.5m，同時(shí)還對(duì)林木及森林資源信息進(jìn)行了精細(xì)計(jì)算，使得無論森林的地面數(shù)據(jù)或是森林資源核查信息，其分辨率具有較顯的優(yōu)越性。經(jīng)過現(xiàn)場使用，驗(yàn)證了該技術(shù)在精密、高速度、精密、高精度領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，滿足了一定的需求[2]。

2.2.3 有固定的航線，成本低

在森林監(jiān)測領(lǐng)域，每架無人機(jī)都可以手動(dòng)設(shè)置執(zhí)行預(yù)設(shè)程序，從而實(shí)現(xiàn)高度、角度和飛行模式的相對(duì)精確，特別是在自然條件或人為因素導(dǎo)致的環(huán)境變化區(qū)域，其監(jiān)測效果更為顯著，具有極高的實(shí)用性。一方面，為了得到更準(zhǔn)確的圖像信息，它們會(huì)選擇比較低的飛行高度，再加上我國對(duì)低空航行的管制比較少，因此，在林業(yè)發(fā)展方面，無人機(jī)并沒有受到太大的阻礙。另一方面，無人機(jī)的運(yùn)營控制是單一的，不需要太多的人員和設(shè)備來進(jìn)行維護(hù)，而且運(yùn)營成本低，維護(hù)起來也比較方便，可以最大限度地發(fā)揮無人機(jī)的效能。

3 無人機(jī)在林場森林資源管理中的應(yīng)用內(nèi)容

目前，盡管運(yùn)用了3S 技術(shù)、衛(wèi)星遙感、視頻監(jiān)控、GPS 等尖端技術(shù)對(duì)林業(yè)森林資源進(jìn)行管理，但這些技術(shù)并未從根本上解決林業(yè)森林資源管理所面臨的諸多難題。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)環(huán)境意識(shí)不斷提高，在這種形勢下，傳統(tǒng)的林業(yè)管理模式已經(jīng)無法滿足人們?nèi)找嬖黾拥男枨蟆Ｒ虼?，在林業(yè)管理中，開發(fā)和應(yīng)用更多、更先進(jìn)的現(xiàn)代高科技已成為至關(guān)重要的使命。其中，最重要也是最具革命性意義的一項(xiàng)科技就是無人機(jī)技術(shù)。無人機(jī)技術(shù)的運(yùn)用，無疑為林業(yè)工作注入了一雙翅膀和一雙“天空之眼”，為林業(yè)和森林資源的管理提供了一把“空中護(hù)衛(wèi)傘”。目前，無人機(jī)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空測量、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)林作業(yè)、資源勘查以及國防軍事等眾多行業(yè)之中。在林業(yè)領(lǐng)域中，無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了森林資源監(jiān)測調(diào)查、野生動(dòng)植物追蹤監(jiān)測、森林病蟲害防治、森林防火、林業(yè)執(zhí)法等多個(gè)方面，其所具備的獨(dú)特優(yōu)勢更是無可比擬。無人機(jī)以其靈活輕便的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于森林防火、森林病蟲防控、林區(qū)巡邏監(jiān)控、森林撫育作業(yè)等方面。無人機(jī)的便攜性、飛行的精準(zhǔn)穩(wěn)定性以及承載云臺(tái)的靈活性和多樣性，使其能夠快速實(shí)時(shí)地巡查監(jiān)測面積遼闊、地形復(fù)雜的森林，從而獲取準(zhǔn)確的森林資源現(xiàn)狀信息，極大地提高了林業(yè)管理工作的效率，節(jié)約了人力財(cái)力，為林業(yè)工作人員提供了真實(shí)的依據(jù)。

3.1 應(yīng)用于森林資源調(diào)查

對(duì)于森林資源的現(xiàn)狀、森林管理歷史、管理?xiàng)l件以及未來發(fā)展等非自然因素，進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查被稱為森林資源調(diào)查。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與人們生活水平的提高，我國對(duì)森林資源保護(hù)工作越來越重視，這也使得森林資源調(diào)查成為一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容。在進(jìn)行森林資源調(diào)查時(shí)，采用了多種技術(shù)手段，包括測量技術(shù)、測樹原理、遙感技術(shù)以及抽樣技術(shù)等，以全面了解調(diào)查區(qū)內(nèi)森林資源的數(shù)量、分布和生長情況。通過這種方式來獲得關(guān)于森林資源狀況信息，以便更好地了解森林資源變化情況，并且根據(jù)這些信息來制定合理的經(jīng)營措施與對(duì)策。通過及時(shí)識(shí)別森林資源的數(shù)量和質(zhì)量，全面掌握其生長和消亡的比例關(guān)系以及動(dòng)態(tài)變化，從而客觀反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然條件，最終獲得準(zhǔn)確的調(diào)查成果，為林業(yè)政策制定和森林科學(xué)管理提供可靠依據(jù)。

例如，由我國北斗星通與Green Valley 公司共同研發(fā)的無人機(jī)LiDAR 測量系統(tǒng)。與之相匹配的Li-Forest林業(yè)軟件，可在雷達(dá)點(diǎn)云資料基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)林木生物量、蓄積量、植被覆蓋率等一系列參數(shù)的提取，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)林木密度、林齡、林分、林冠、林分等植被類型、林分密度、林分面積、林分DEM 等信息的自動(dòng)獲取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)森林的三維重建，為森林資源的監(jiān)測與管理奠定基礎(chǔ)。

3.2 應(yīng)用于監(jiān)測森林病蟲害

2015 年6 月，廣西率先應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)對(duì)玉林市興業(yè)縣、百色市西林縣的森林病蟲害進(jìn)行了快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測。本次無人機(jī)對(duì)興業(yè)縣、西林縣疫區(qū)周圍的林地進(jìn)行了覆蓋范圍為10 萬畝的無人值守。無人機(jī)航測技術(shù)因其高精度，可準(zhǔn)確定位枯萎樹木、變色樹木和異常林分，并可及時(shí)檢測病蟲害，為森林害蟲的預(yù)警和防治提供科學(xué)、高效的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)文明建設(shè)的重要保證。

具體而言，該技術(shù)主要利用紅外線獲取監(jiān)測后的光譜圖像，對(duì)于健康樹木的光譜圖像而言，其綠色部分呈現(xiàn)出更多的色彩，同時(shí)在紅外線的作用下，能夠吸收更多的藍(lán)光或紅光波段。而那些被病蟲感染的樹木，經(jīng)過一段時(shí)間的生長，其外表就會(huì)有一些改變，比如綠意漸漸減少，葉子開始發(fā)黃，還有一些葉子開始脫落，在這種情況下，用紅外光波進(jìn)行探測，可以發(fā)現(xiàn)，與正常的樹木相比，紅光與藍(lán)色光波的吸收要差很多[3]。有關(guān)人員可以認(rèn)真仔細(xì)地對(duì)比并觀察所得到的光譜圖像與正常情況下的光譜圖像，從中找出差異。這樣，就能知道受病蟲害危害的具體林木面積和林木受病蟲害危害的具體程度，以便有針對(duì)性的采取防治措施，使林木得以健康生長。

3.3 應(yīng)用于監(jiān)測森林火災(zāi)

利用無人機(jī)技術(shù)解決森林火災(zāi)，可通過無人機(jī)云臺(tái)搭載紅外及可見光高清相機(jī)對(duì)關(guān)鍵區(qū)域?qū)嵤┛罩醒膊椋瑫r(shí)結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，形成大范圍視頻監(jiān)控，無人機(jī)集中檢查的陸空一體化森林火災(zāi)系統(tǒng)。通過無人機(jī)搭載的紅外與可見光高清相機(jī)獲取的火情數(shù)據(jù)可將火點(diǎn)、熱點(diǎn)、火場輪廓、區(qū)域、蔓延速度及趨勢信息實(shí)時(shí)傳輸至地面站或者指揮中心以達(dá)到火情精確定位與火情分析的目的，以輔助森林管理者及時(shí)作出準(zhǔn)確判斷與決定。特別是對(duì)初期火災(zāi)及隱蔽火災(zāi)監(jiān)測，預(yù)防效果更佳。

本文以廣西河池市為例，介紹了無人駕駛飛機(jī)在森林火災(zāi)中的應(yīng)用。河池市為典型喀斯特地貌，山地多，地少，森林覆蓋率為71.02%，是廣西森林火災(zāi)多發(fā)、多發(fā)、高發(fā)區(qū)。為了防止森林火災(zāi)的發(fā)生，將火災(zāi)的損失降到最低。最近幾年，河池市率先在全區(qū)域的森林消防領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行了積極的研究和推廣，充分發(fā)揮了現(xiàn)代無人機(jī)的智能化、功能化的特點(diǎn)，對(duì)空中護(hù)林和緊急救援進(jìn)行了加強(qiáng)，將森林火災(zāi)的防御網(wǎng)進(jìn)行了更加嚴(yán)密的建設(shè)。截至目前，已經(jīng)有超過200 多次的無人駕駛飛機(jī)進(jìn)行了超過8000 公升的噴灑，并運(yùn)輸了500 多kg 的其他物資。為進(jìn)一步提高河池林區(qū)森林火災(zāi)的監(jiān)控和管理水平，促進(jìn)該區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。

3.4 調(diào)查森林水文狀況

運(yùn)用無人機(jī)遙感技術(shù)，對(duì)森林水源實(shí)施監(jiān)控，以掌握土壤資源和地下水來源，并形成一定的自然資源信息庫，從而開展森林資源研究。因?yàn)闊o人機(jī)遙感的成本低、作業(yè)簡便的優(yōu)勢，所以已經(jīng)普遍的運(yùn)用在了全國森林資源的監(jiān)控管理工作中。與此同時(shí)，定期監(jiān)控森林中自然資源的具體情況以及其使用情況，能夠給人們帶去更深的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而有效輔助相關(guān)部門處理水資源污染問題，更能極大程度維護(hù)水資源利用秩序，對(duì)于保持生態(tài)環(huán)境和推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展具有極大幫助作用。

3.5 助力于林業(yè)執(zhí)法

在森林執(zhí)法過程中，經(jīng)常會(huì)遇到一些困難。例如：森林面積大，巡查困難，違法案件難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，違法案件難以取得證據(jù)。在林業(yè)執(zhí)法中，無人機(jī)飛行以其便捷的操作、高速的飛行、高清的航拍和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)勢，特別適用于對(duì)高山、遠(yuǎn)山、密林等地區(qū)的非法采伐林木、非法占用林地的調(diào)查取證和日常巡查工作[4]。

通常情況下，這類工業(yè)級(jí)無人駕駛飛機(jī)的飛行時(shí)間超過1h，其巡邏范圍接近10km2，相當(dāng)于每日兩個(gè)工作小組的巡邏任務(wù)，從而極大地提高了森林公安和林業(yè)執(zhí)法的工作效率。由于無人機(jī)具有體積小、重量輕、續(xù)航里程長、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此它不僅能滿足森林公安民警全天候巡山護(hù)林的需要，同時(shí)也能適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境。無人機(jī)的高清航拍能力不僅能夠?qū)崟r(shí)采集違法行為的證據(jù)，并將其傳輸?shù)降孛嬲?，從而為?zhí)法人員提供了可靠真實(shí)的證據(jù)，維護(hù)了森林資源的安全[5]。

通過運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合執(zhí)法，利用其實(shí)時(shí)傳輸功能，能夠在最短時(shí)間內(nèi)鎖定違法行為，并將其地理坐標(biāo)廣播分發(fā)給正在對(duì)林區(qū)進(jìn)行巡邏的森林公安部門，從而使最近的森林公安部門能夠快速到達(dá)違法行為的發(fā)生地點(diǎn)。利用其響應(yīng)速度快、反饋及時(shí)的航線掃描優(yōu)勢，對(duì)所轄林區(qū)進(jìn)行日常巡邏，以實(shí)現(xiàn)對(duì)違法行為的精準(zhǔn)定位，并對(duì)違法行為分子進(jìn)行定位跟蹤、警告制止等措施。同時(shí)，通過與地面監(jiān)控中心的通信和視頻通話，也能有效獲取違法人員的位置信息，以便于更好地開展監(jiān)管活動(dòng)。同時(shí)，運(yùn)用航拍、測量等技術(shù)模塊，精準(zhǔn)地獲取違法行為的信息，例如對(duì)盜伐林木的面積、株數(shù)等進(jìn)行測量，為林業(yè)執(zhí)法工作提供了有力的證據(jù)。

4 結(jié)語

總之，無人機(jī)技術(shù)在森林資源調(diào)查、病蟲害監(jiān)測、森林防火防災(zāi)、調(diào)查森林水文狀況和林業(yè)執(zhí)法管理等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。利用現(xiàn)代化的高科技來輔助林業(yè)管理工作，建立一種切實(shí)可行的現(xiàn)代林業(yè)森林資源管理系統(tǒng)，使其走向可持續(xù)發(fā)展的趨勢，不僅是林業(yè)發(fā)展的趨勢，也是生態(tài)文明建設(shè)的需要。