無人機(jī)遙感技術(shù)在林業(yè)管理中的應(yīng)用

張強(qiáng)

摘 要：由于無人機(jī)遙感技術(shù)具有機(jī)動(dòng)靈活、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此被大量應(yīng)用于地形地貌復(fù)雜、地域面積較大的林業(yè)部門管理工作中。該文通過研究無人機(jī)遙感技術(shù)的工作原理及其在林業(yè)部門管理工作中的應(yīng)用，提出無人機(jī)遙感技術(shù)在后期研究工作中的重點(diǎn)方向，推進(jìn)無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展，以期讓無人機(jī)遙感技術(shù)更好地應(yīng)用于林業(yè)資源管理工作中，更好地服務(wù)于我國林業(yè)部門。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)遙感技術(shù)；林業(yè)管理；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：S771.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 無人機(jī)遙感技術(shù)工作原理

無人機(jī)是一種無人駕駛的可遠(yuǎn)程操控的飛行器。為了滿足社會(huì)發(fā)展和行業(yè)需要，無人機(jī)作為一個(gè)載體搭載著各種專業(yè)設(shè)備。因此，我們不難理解，無人機(jī)遙感技術(shù)就是無人機(jī)技術(shù)和遙感成像技術(shù)與地面基站遠(yuǎn)程控制及信息加工處理技術(shù)的組合。無人機(jī)遙感技術(shù)主要就是通過地面工作基站對(duì)無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，利用無人機(jī)作為工作載體，搭載遙感攝影成像設(shè)備和配套輔助裝置來對(duì)林地展開森林病蟲害、森林防火、林木采伐等情況及對(duì)應(yīng)的植樹造林等工作進(jìn)行統(tǒng)籌管理。

1.1 技術(shù)設(shè)備組成

無人機(jī)遙感技術(shù)主要是由地面工作基站、無人機(jī)及其搭載的配套裝置3個(gè)部分組成。地面工作基站主要是預(yù)先設(shè)置好飛行航線，然后通過3S系統(tǒng)（GPS、GIS、RS）實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行狀態(tài)和機(jī)身拍攝姿勢(shì)并進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，然后對(duì)采集獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理和加工。無人機(jī)主要包括動(dòng)力系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼等）、控制系統(tǒng)（控制計(jì)算機(jī)、指令接收?qǐng)?zhí)行單元等）及通信系統(tǒng)等。目前，動(dòng)力系統(tǒng)主要有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，后期會(huì)發(fā)展為新能源電動(dòng)機(jī)。搭載的配套裝置主要就是傳感器。傳感器首先是保障安全通行，并做好與地面基站的通信和控制工作，然后就是完成遙感成像、情報(bào)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集 （空氣采樣、溫濕度）工作。傳感器遙感成像設(shè)備主要有可見光相機(jī)（可見光照片的獲取，正射影像圖的生成）、可見光攝像機(jī)（目標(biāo)識(shí)別定位與追蹤）、紅外熱像儀（火災(zāi)識(shí)別、火災(zāi)定位）、高光譜成像儀（病蟲害識(shí)別）、合成孔徑雷達(dá)（地形地貌測繪）、激光雷達(dá)（林地參數(shù)）等。林業(yè)部門根據(jù)不同的工作需要選擇相對(duì)應(yīng)的傳感器。

1.2 工作流程

無人機(jī)遙感技術(shù)工作的主要流程有前期準(zhǔn)備工作、林地現(xiàn)場外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析與信息處理3個(gè)工作階段。

1.2.1 前期準(zhǔn)備

作業(yè)前首先確定調(diào)查區(qū)林地面積、植被情況以及試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的天氣情況，有無雨霧和大風(fēng)天氣。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)林地面積選擇合適的無人機(jī)，保證續(xù)航能力；根據(jù)植被發(fā)育情況和雨霧天氣選用可用作大重疊度攝影的高像素?cái)?shù)碼相機(jī)，根據(jù)風(fēng)速大小考慮是否選用固定翼無人機(jī)等。

1.2.2 林地現(xiàn)場調(diào)查

無人機(jī)起飛至穩(wěn)定后，切換到自動(dòng)飛行模式，傳感器系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備開始工作，地面工作人員實(shí)時(shí)查看無人機(jī)飛行狀態(tài)和作業(yè)情況，保證無人機(jī)按照預(yù)設(shè)的航線飛行，密切注意無人機(jī)飛行速度和高度，同時(shí)檢查此時(shí)的拍攝效果，并及時(shí)做出相應(yīng)調(diào)整。拍攝作業(yè)結(jié)束后再切換至人工操控模式直至降落。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析和信息處理

外業(yè)結(jié)束后，地面基站工作人員對(duì)外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行整理、校驗(yàn)，對(duì)因畸變誤差和無人機(jī)拍攝姿勢(shì)引起的圖像投影變形和旋轉(zhuǎn)等問題，通過光學(xué)原理進(jìn)行幾何校正，以獲得垂直投影圖像即林地調(diào)查平面圖像。根據(jù)整理的數(shù)據(jù)和信息判斷林地是否有病蟲害、火災(zāi)以及林地植被發(fā)育情況。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用

2.1 林地資源信息和相關(guān)參數(shù)的獲取

林木的幾何參數(shù)主要是通過ArcGIS軟件的ArcMap模塊對(duì)遙感圖像進(jìn)行分塊，并根據(jù)土地和樹種進(jìn)行分類，然后采用面向?qū)ο蠓ê腿斯ひ曈X法2種方法對(duì)中低郁郁閉度的林區(qū)分塊進(jìn)行選擇，再通過ArcGIS的高精度DOM模塊獲得DEM圖像，并獲得CHM文件，進(jìn)而從CHM文件中提取我們需要的林木的幾何參數(shù)。

從無人機(jī)搭載的高精度傳感器所獲取的高分辨率的遙感圖像中提取林地生物量信息，采用面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄌ崛文緲涔诿娣e數(shù)據(jù)，并結(jié)合已有現(xiàn)場實(shí)測的單木胸徑數(shù)據(jù)，建立樹冠面積與胸徑的函數(shù)模型，利用經(jīng)驗(yàn)方程，根據(jù)參數(shù)的相關(guān)性，采用統(tǒng)計(jì)回歸的方法，參照遙感數(shù)據(jù)反演估算生物量，另外，還可以基于可見光波段獲取植被指數(shù)，借助衛(wèi)星圖像評(píng)估大面積林地區(qū)域內(nèi)的森林生物量， 但受圖像分辨率影響較大。

2.2 病蟲害調(diào)查、森林火災(zāi)監(jiān)測、林業(yè)巡護(hù)和執(zhí)法

無人機(jī)攜載高光譜成像儀或者雙光譜攝像機(jī)和可見光相機(jī)，獲取調(diào)查的林地區(qū)域高分辨率影像和高光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)特征向量采用相似性分類法判別林地病蟲害，并確定病蟲害區(qū)域位置和范圍。無人機(jī)攜載可見光和紅外攝像機(jī)，根據(jù)特征向量采用相似性分類法判別森林火災(zāi)，并確定火災(zāi)區(qū)域位置和范圍。無人機(jī)搭載可見光相機(jī)和紅外熱像儀，對(duì)固定林地區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)特征向量采用相似性分類法判別林地違法情況，并確定違法區(qū)域位置和范圍。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)展望

雖然目前無人機(jī)遙感技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，但面對(duì)大面積的林地區(qū)域以及復(fù)雜的林地環(huán)境和監(jiān)測內(nèi)容，象小火點(diǎn)的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、大重疊度攝影、航線和控制穩(wěn)定等問題，如何高質(zhì)量、高效地做好林地管理工作，還需要對(duì)技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行提高以滿足工作需要。

目前，我們國家的森林火災(zāi)監(jiān)測能力比較薄弱，很難對(duì)小火點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到森林火災(zāi)時(shí)已經(jīng)造成大面積林地?fù)p失，加之從森林火災(zāi)應(yīng)急救援啟動(dòng)到森林滅火的過程很長，火勢(shì)蔓延將會(huì)給我國林業(yè)資源造成巨大損失。所以高精度的遙感技術(shù)設(shè)備的研究發(fā)展至關(guān)重要。

林地生物量主要是通過遙感數(shù)據(jù)反演估算，但所需數(shù)據(jù)繁多和計(jì)算復(fù)雜。由于森林資源監(jiān)測工作主要是通過ArcGIS 軟件協(xié)助完成，我們還應(yīng)該重點(diǎn)研究如何獲取更高精度的林木幾何參數(shù)。所以傳感器精度還需要進(jìn)一步提高，同時(shí)，還應(yīng)該將衛(wèi)星遙感和無人機(jī)遙感相結(jié)合以獲得更高的估算精度。

綜上所述，為了提高傳感器精度，低空飛行甚至是近地飛行技術(shù)還有待研究。面對(duì)復(fù)雜的林地環(huán)境，近地飛行難度極大，首先要保證航線正確和飛行穩(wěn)定，還有就是對(duì)于大面積的林地調(diào)查，現(xiàn)有的無人機(jī)動(dòng)力不足，續(xù)航能力差以及難以應(yīng)對(duì)不良天氣等缺點(diǎn)還有待改進(jìn)。

4 結(jié)語

森林是我國的重要資源，監(jiān)測林地環(huán)境工作非常重要，鑒于此，我們還需要研發(fā)高精度的技術(shù)設(shè)備，提高無人機(jī)遙感技術(shù)水平，以獲取高精度的林地監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息，為國家林業(yè)管理工作提供可靠的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]趙國帥.無人機(jī)遙感在林業(yè)中的應(yīng)用與需求分析[J].福建林業(yè)科技，2017（1）：136-140.

[2]路寬，佘振維，王圣先.無人機(jī)遙感在森林資源監(jiān)測中的應(yīng)用[J].低碳世界，2017（34）：355-356.