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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)種類多樣，在林業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的主要為固定翼和多旋翼無人機(jī)。
無人機(jī)最早出現(xiàn)于1914 年的英國，之后主要作為靶機(jī)、偵察機(jī)等應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，而在民用領(lǐng)域起步較晚。20 世紀(jì) 80 年代，西北工業(yè)大學(xué)研制的D-4 固定翼無人機(jī)對地圖測繪和地質(zhì)勘探做了嘗試，開創(chuàng)了我國無人機(jī)軍用轉(zhuǎn)民用的先河，是真正意義上的第一款中國民用無人機(jī)型號。2013 年6 月3 日，我國自主研發(fā)的Z5 型無人直升機(jī)在內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)根河航空林業(yè)站首航成功，這是中型無人機(jī)在林業(yè)上首次應(yīng)用。
無人機(jī)在林業(yè)上主要應(yīng)用于森林資源調(diào)查、森 林資源監(jiān)測、森林火災(zāi)監(jiān)測、森林病蟲害監(jiān)測防治、野生動物監(jiān)測、森林信息提取、營造林核查及林業(yè)執(zhí)法等。文章將無人機(jī)在林業(yè)上的應(yīng)用做一歸類，并提出無人機(jī)在我國林業(yè)上應(yīng)用存在的問題和建議。
1、 森林資源調(diào)查中的應(yīng)用
森林資源調(diào)查是林業(yè)上一項(xiàng)非常重要的工作， 其技術(shù)手段在不斷提高。近年來，無人機(jī)作為一種 新技術(shù)也在森林資源調(diào)查上得到應(yīng)用。傳統(tǒng)手段 在森林資源調(diào)查中需要耗費(fèi)大量人力物力，尤其是 在地理環(huán)境條件不好的區(qū)域，調(diào)查人員無法或艱難 到達(dá)的地方，利用無人機(jī)遙感技術(shù)可快速獲得所需 區(qū)域高精度的空間遙感信息，不僅對森林圖斑精確 區(qū)劃，而且低成本、高效率、高時效。如張園 等應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)在森林資源二類調(diào)查中取得較 好效果。
2、 森林資源監(jiān)測中的應(yīng)用
森林資源監(jiān)測是對森林資源的數(shù)量、質(zhì)量、空 間分布及其利用狀況進(jìn)行定期定位的觀測分析和 評價的工作，是森林資源管理和監(jiān)督的基礎(chǔ)工作。傳統(tǒng)方法是基于歷史數(shù)據(jù)分析和實(shí)地建立實(shí)測點(diǎn) 定時監(jiān)測，其誤差大、費(fèi)用高，而作為傳統(tǒng)地面實(shí)測的重要補(bǔ)充，無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用具有快速、準(zhǔn)確、實(shí)時等明顯的優(yōu)勢，不僅減少外業(yè)工作量，而且提高工作效率。無人機(jī)遙感技術(shù)在森林資源監(jiān)測中的主要應(yīng)用有森林火災(zāi)監(jiān)測、森林病蟲害監(jiān)測和野生動物監(jiān)測等。
2.1 森林火災(zāi)監(jiān)測
森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性極大的自然 災(zāi)害。早期監(jiān)測對于預(yù)防森林火災(zāi)至關(guān)重要。最 基礎(chǔ)的森林防火方式是通過人員定期、定時巡查。這種方式勞動強(qiáng)度大，不僅浪費(fèi)大量的人力和物 力，而且火點(diǎn)觀測精度低。雖然可采用衛(wèi)星遙感技 術(shù)，但其分辨率、時效性不高，而無人機(jī)在森林防火 中具有低成本、高時效、機(jī)動靈活、應(yīng)急快速、實(shí)時 巡查能力強(qiáng)等優(yōu)勢，有助于提早發(fā)現(xiàn)森林火情，及 時掌握火情信息，便于迅速部署防火力量，進(jìn)而減 少生命、財(cái)產(chǎn)損失。無人機(jī)在森林火災(zāi)監(jiān)測中應(yīng)用 案例較多，如何誠［4］ 等借助無人機(jī)遙感實(shí)現(xiàn)智能化無人機(jī)林火識別技術(shù);張?jiān)?等利用無人機(jī)遙感技術(shù)獲得的遙感圖像，再將森林火災(zāi)圖像轉(zhuǎn)化為 HSV 空間，選擇徑向基函數(shù)作為支持向量機(jī)的核函數(shù)進(jìn) 行森林火災(zāi)識別，結(jié)果對森林火災(zāi)的檢測及識別準(zhǔn)確度大于 87 %，為探明林火的發(fā)生提供有效手段;馬瑞升［6］ 等利用無人機(jī)成功探測到火點(diǎn)及覆蓋面積，并可報(bào)警提示，提供火點(diǎn)的具體坐標(biāo)。
2.2 森林病蟲害監(jiān)測
森林病蟲害是威脅森林健康的首要因素，其對森林資源的破壞或損失也是巨大的，是“不冒煙的森林火災(zāi)”。傳統(tǒng)病蟲害的監(jiān)測手段主要依靠巡邏檢測等人工手段，其主觀性強(qiáng)且具有時間滯后性，尤其在大面積、地形情況復(fù)雜的情況下，傳統(tǒng)手段顯出更大弱勢。而無人機(jī)遙感技術(shù)在病蟲害監(jiān)測中具有監(jiān)測面積廣、實(shí)時、客觀、高效率等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以有效降低人力及物力成本，而且便于全面掌握森林受災(zāi)的整體情況，提出更為快速有效的應(yīng)對措施，進(jìn)而減少病蟲害對森林資源的損害。近年來，無人機(jī)在森林病蟲害監(jiān)測中的應(yīng)用研究也不少，如吳瓊［7］利用無人機(jī)遙感技術(shù)獲取的圖像，再提取圖像中像素點(diǎn)的特征向量，可精確劃分出病蟲害發(fā)生的區(qū)域;李衛(wèi)正［8］等利用無人機(jī)遙感技術(shù)獲得的圖像，通過分析處理有效地獲取森林病死木、病蟲害的位置信息;呂曉君［9］等利用無人機(jī)對病蟲害危害的松樹進(jìn)行低空航拍獲得影像，再利用松樹受害后樹冠顏色改變的特征，可對目標(biāo)蟲害的枯死木進(jìn)行定位標(biāo)注，并統(tǒng)計(jì)出作業(yè)區(qū)內(nèi)變色樹木的數(shù)量。
2.3 野生動物監(jiān)測
野生動物不僅事關(guān)大自然的生態(tài)平衡，還對人類的生存及發(fā)展有著重大意義。及時掌握野生動物的種類、數(shù)量、分布等基本情況對保護(hù)野生動物至關(guān)重要。傳統(tǒng)監(jiān)測方法是人工直接計(jì)數(shù)法、樣帶樣方推算法等，這些方法精度低且成本高，而無人機(jī)具有非常明顯的優(yōu)勢，不僅對野生動物的擾動少、可進(jìn)入人難以到達(dá)的區(qū)域、可避免某些野生動物對監(jiān)測人員的傷害，而且具有高時效性，低成本等優(yōu)勢。目前，無人機(jī)在野生動物監(jiān)測中的應(yīng)用相對較少，如邵全琴［10］等利用無人機(jī)遙感對大型野生食草動物種群數(shù)量及分布規(guī)律進(jìn)行研究，得出與傳統(tǒng)的地面調(diào)查方法相比，基于無人機(jī)遙感的大型野生食草動物種群數(shù)量調(diào)查，具有快速、經(jīng)濟(jì)、可靠等優(yōu)點(diǎn);新疆阿爾金山國家級自然保護(hù)區(qū)和北京師范大學(xué)的科研人員采用無人機(jī)對其保護(hù)區(qū)野牦牛進(jìn)行監(jiān)測;云南西雙版納國家級自然保護(hù)區(qū)相關(guān)人員運(yùn)用無人機(jī)及熱成像監(jiān)測設(shè)備對其保護(hù)區(qū)內(nèi)野生動物進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)野生亞洲象、水鹿、赤麂、野豬等40 頭。
3、 森林信息獲取中的應(yīng)用
無人機(jī)遙感技術(shù)使得森林信息能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時、動態(tài)地獲取。無人機(jī)在森林信息獲取中的應(yīng)用主 要有森林蓄積量估算、森林生物量估測、森林郁閉 度估測等。
3.1 森林蓄積量估算
森林蓄積量是指一定森林面積上存在著的林 木樹干部分的總材積。傳統(tǒng)森林蓄積量調(diào)查需要 耗費(fèi)大量的人力和物力，且效率低。雖然利用衛(wèi)星 遙感影像極大地節(jié)省人力和物力，但其適合大尺度 的蓄積量調(diào)查，而對于小尺度精準(zhǔn)測量精度不夠， 因此基于無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行森林蓄積量的估算 不僅效率高、外業(yè)工作量低，又有一定的精度保證， 是一種有效的方法。關(guān)于無人機(jī)遙感技術(shù)在森林 蓄積量測算中的研究很多，如孫夢營等將無人機(jī)融入九棵樹多邊形樣地算法，經(jīng)過精度分析，蓄積 量等各林分調(diào)查因子相對誤差介于 8.80 % ～12.57 %，相關(guān)系數(shù)介于0.624～0.927，滿足森林資源
二類調(diào)查需求，適用于小尺度精準(zhǔn)林業(yè)作業(yè);付凱婷 利用無人機(jī)獲取圖像，并提取冠幅進(jìn)而對桉樹林分的蓄積量進(jìn)行估測 ，其 中最高的精度為98.94 %，最低的精度為64 %，總體精度為91.20 %，總體滿足林業(yè)的精度要求。
3.2 森林生物量估測
森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)最重要的特征，對 森林生物量值的準(zhǔn)確計(jì)算有助于研究生態(tài)系統(tǒng)的 生產(chǎn)力，整個生物圈的碳循環(huán)及全球氣候變化。收 獲法是估算森林生物量最準(zhǔn)確的方法，但這種方法 耗費(fèi)大量的時間、人力及物力［14］。雖然利用衛(wèi)星遙 感影像可節(jié)省大量的人力和物力，但其適合大尺度 的估測，對于小范圍單木生物量的精確測量還不 夠。而無人機(jī)遙感技術(shù)就體現(xiàn)出其優(yōu)越性。目前， 利用無人機(jī)遙感技術(shù)對森林生物量估測也有研究， 如何游云［14］利用無人機(jī)獲取高分辨率影像，從影像 中提取單木樹冠面積，結(jié)合模型及經(jīng)驗(yàn)方程式來估 測森林生物量。
3.3 森林郁閉度估測
森林郁閉度是指森林中喬木樹冠遮蔽地面的程度，是評價森林資源質(zhì)量的重要指標(biāo)［15］。郁閉度獲取傳統(tǒng)方法是目測法、樣點(diǎn)法、樣線法等，但其不適合大范圍或大尺度的郁閉度測定，且勞動強(qiáng)度大、成本高及誤差大。雖然衛(wèi)星影像的應(yīng)用可以大面積估測郁閉度，由于受空間分辨率的影響，提取的郁閉度信息精度不會太高，而無人機(jī)遙感獲取的影像分辨率高等優(yōu)勢提取森林郁閉度信息是準(zhǔn)確可靠的。關(guān)于無人機(jī)遙感技術(shù)在估測森林郁閉度方面也有學(xué)者在研究，如王偉［1］利用無人機(jī)獲取影像，再使用面向?qū)ο蠓诸惙椒ê投喑叨确指罴夹g(shù)對林分郁閉度估測，其估測值與人機(jī)交互判讀結(jié)果相比，精度可以達(dá)到0.90 以上，且基本符合實(shí)地目測結(jié)果。
4、 其他方面的應(yīng)用
無人機(jī)在林業(yè)上的應(yīng)用遠(yuǎn)不止上述幾個方面， 還可以應(yīng)用到營造林核查、林業(yè)執(zhí)法管理等方面。
4.1 營造林核查
營造林核查是林業(yè)日常工作，由于營造林普遍面積較大，采取人工目視檢查工作強(qiáng)度大且難于全面檢查到位。利用無人機(jī)獲取的影像，通過影像分析可以計(jì)算造林面積、株數(shù)，再通過統(tǒng)計(jì)死亡株數(shù)和總株數(shù)得出成活率和保存率，這樣不僅降低工作強(qiáng)度，也極大提高工作效率和工作質(zhì)量。如王黎 將無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用到營造林核查中，并與傳統(tǒng)手段對比發(fā)現(xiàn)無人機(jī)航測技術(shù)的效率和質(zhì)量均高于傳統(tǒng)手段。
4.2 林業(yè)執(zhí)法管理
在林業(yè)執(zhí)法管理中，亂砍濫伐、違法征占林地、毀林開墾等破壞森林資源等違法行為時有發(fā)生，如 何對破壞森林資源的違法行為及時發(fā)現(xiàn)并有效取 證，給林業(yè)管理提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)人工巡檢方式，
勞動強(qiáng)度大，效率低，且信息獲取不準(zhǔn)確，而衛(wèi)星遙感技術(shù)由于其成本高、時效性差，無法滿足實(shí)時監(jiān)控的需求。無人機(jī)的應(yīng)用給林業(yè)執(zhí)法管理帶來新的解決途徑，可以滿足林業(yè)執(zhí)法對時效性、準(zhǔn)確性的要求。
5、 總結(jié)
綜上所述，無人機(jī)在林業(yè)上的應(yīng)用涉及諸多方 面，給林業(yè)工作帶來新的方法和思路，極大地提高 林業(yè)工作的效率和質(zhì)量，但其也存在一些問題，比 如無人機(jī)續(xù)航能力會大大制約其應(yīng)用，不適合大尺 度空間的應(yīng)用。隨著無人機(jī)遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步， 我們可以進(jìn)一步拓展無人機(jī)在林業(yè)上應(yīng)用的廣度 和深度，為現(xiàn)代林業(yè)、精準(zhǔn)林業(yè)提供更為有力的技 術(shù)支撐，使之更好的服務(wù)林業(yè)生產(chǎn)管理工作。
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