四軸無人機在林業管理中的應用

李 想，李 陽

（1.陜西國防工業職業技術學院，陜西西安 710300；2.陜西省西安植物園陜西省植物研究所，陜西西安 710061；3.陜西省植物資源保護與利用工程技術研究中心，陜西西安 710061）

森林被稱為“地球之肺”，是人類最寶貴的生物資源之一，不僅為人類提供生產和生活必需的原材料，而且在維持生態平衡中起到至關重要的作用[1]。根據2014年中國林業統計年鑒，我國林地面積3．125 9 億hm2，森林面積2．076 8 億hm2，森林覆蓋率21．63%[2]。森林生態系統的變化對我國植物資源、生態環境、生態安全和人文環境起著重要作用[3]。對森林資源進行高效和準確的監測是保證林業生態安全和經濟效益的關鍵[4]。我國森林面積遼闊，結構復雜，森林植物生長周期長，傳統的林業管理存在手段落后、管理水平低下和管理粗放等情況，已無法滿足當今科學且高效地管理林業資源的需要。借助現代化高新技術輔助林業管理，構建科學和高效的現代化林業管理體系，是林業發展的趨勢，也是生態文明建設的必然需求。

對森林資源的調查和監測不僅是我國林業管理的核心任務，也是我國林業實現可持續經營、建設生態文明社會的重要工作之一[5]。傳統的森林管理手段主要有人工實地監測、固定點監測、衛星遙感監測和載人飛機調查等方式[6]。人工實地監測和固定點監測勞動強度大、效率低且人為主觀因素影響大，很難保證監測地點的選取完全隨機且具有代表性；衛星遙感數據的空間分辨率精度不能滿足監測和研究需求，且容易受天氣影響；載人飛機調查的經濟成本高。近年來，隨著傳感器檢測技術、智能控制技術及材料技術等的發展，無人機技術逐漸成熟。目前無人機已經從固定翼飛行器發展到旋翼飛行器。旋翼飛行器中的四旋翼（四軸）無人機因為構造簡單、飛行靈活且更容易接近任務目標[7-8]，逐漸被應用到地圖測繪、地質勘測和氣象探測等方面。林業作業系統環境復雜，而四軸無人機作業效率高，無需專用的起降機場且可以攜帶一定裝備，可以很好地承擔林業信息采集甚至播種和噴藥等任務。因此，便攜又具有一定承載能力的四軸無人機成為目前林業管理中較經濟的選擇。

1 無人機的發展與結構

無人機是指具備動力裝置，可以通過程序或其他駕駛設備控制的不載人飛行器[9]。根據機翼類型可劃分為固定翼無人機和旋翼無人機。近年來，隨著飛行器自主飛行控制能力的加強，旋翼無人機發展快速。旋翼無人機有著固定翼無人機無可替代的優點。旋翼無人機的機械結構簡單，僅需調節旋翼電機的轉速即可完成控制，飛行行為更靈活；機翼小，不受機翼限制，能更好地應用于各種環境中；由于機翼特點，具有自主起飛和降落的功能，可以系統智能地調節高度，可實現垂直懸停、俯仰升降和偏航轉向等飛行姿態，并可長時間保持飛行姿態。

四軸無人機是最具代表性，也是研究最為廣泛的一種旋翼無人機[8-9]。相較于其他類型的多旋翼無人機，四軸無人機的結構緊湊，相鄰旋翼間產生的扭矩更容易互相抵消；具有4 個獨立的電機作為輸出驅動，可任意切換飛行姿勢和飛行速度，抗風能力更強；操縱簡單易上手。由于研究較深入，四軸無人機所匹配的云臺穩定，航線設計等更為完善合理。四軸無人機因為體積小便于攜帶、飛行穩定、定位精確、受天氣影響小和云臺承載靈活多樣等特點，可以承載遙感、紅外、可見光和多光譜等系統的影像功能，且其所載云臺擁有實時高清成像和紅外成像快速獲取等功能，使得四軸無人機在對環境復雜的林區進行相關管理工作時具有極大優勢。

2 四軸無人機在林業管理中的應用

2．1 四軸無人機在森林資源調查中的應用

森林生態系統是全球陸地最重要的生態系統，復雜的群落結構和物種組成使其物質轉換和能量循環非常旺盛；其生產力高，提供給人類的生態功能最多[2]。隨著現代社會經濟的快速發展，地球生態系統尤其是森林生態系統遭受嚴重破壞[1]，這將影響生態環境，進而影響經濟的發展和進步。因此，一個國家和地區需要對區域的森林資源進行長期監控和調查，更好地掌握森林資源的現狀和發展方向，以便及時制定相應的管理政策，保護和利用森林資源。森林資源調查屬于林業管理工作的基礎[5]。

結合地理信息系統（GIS）及全球定位系統（GPS）等，許多學者利用無人機遙感對森林資源進行了各種調查研究。無人機遙感技術不僅可以準確獲取森林的位置和面積[10]，還可通過數學形態學計算方法進一步確定造林成活率[10]和森林密度[11-12]等。通過搭載不同的圖像傳感器，以及快速發展的模型和算法，目前可通過無人機遙感圖像獲取森林的郁閉度[13-14]、樹冠[13,15-16]、高度[16-17]、樹齡[10]、樹種[10]及單木高度[18-19]和單木冠幅等數值[19]，其準確率逐步上升[12,19]。國家林業和草原局在部分區域開展的森林資源調查、營造林核查、林業執法、災后調查及枯木調查等方面的研究表明，無人機的影像技術可代替很大一部分的人工實地調查，并且對森林資源年度變更、一類清查和二類清查等調查工作起到很大的輔助作用[20]。

對于一個立體的森林生態系統，不僅需要拍攝面積廣，還需要在不同層次的深度上進行拍攝。四軸無人機操作簡單，易于控制，可實現低空飛行，所拍攝的影像分辨率較高。此外，四軸無人機的旋翼小、體積小、可垂直升降和懸停，可對森林生態系統的不同層片進行拍攝，有利于完整、詳細及準確地調查森林生態系統的群落結構和物種組成。通過搭載不同傳感器，四軸無人機在森林資源調查中可發揮更大的作用。

2．2 四軸無人機在森林防火中的應用

森林火災是嚴重危害林業生產和森林生態系統安全的重大災害之一。及時、準確地對森林火災進行實時監測是林業管理中重要的工作之一。傳統的林業火災監控手段主要是瞭望臺觀測、地面巡視、飛行巡護和衛星遙感[21]。瞭望臺觀測和地面巡視不僅覆蓋面有限、人工成本高且存在視覺盲點，監測效率低。因為平臺的固定周期及分辨率不高，衛星遙感對森林火災的監測常常存在不及時的情況，而且受天氣影響較大。飛機巡護是目前常見的森林火災監測手段之一，但無人機具有更靈活、更安全、更便攜和更經濟的優點。無人機可實現水平360°和垂直120°方位監控。其攜帶的GPS 系統可自動定位火情位置，智能識別火情，對于重點區域和可疑地點可通過地面控制中心及時改變其飛行軌跡，達到重點詳查的目的[22]。美國“牽牛星Altair”無人機搭載紅外災害評估系統，發現主要火災點時，可每30 min 將數據傳輸給地面控制中心[23-24]。俄羅斯的“ZALA421-08”無人機同時搭載攝像機、照相機和熱像儀，可24 h 不間斷地發送傳輸結果，以便地面控制中心更快地發現火災區域并開展救援工作[25]。近年來，利用無人機監控林業火情也在我國逐漸開展。陜西、廣西、內蒙古、湖南、黑龍江、江西、吉林和廣東等省（自治區）分別開展了無人機監控森林火災的工作，并取得一定成效[26]。2011年，廣東省仁化縣利用無人機監測煉山林火，監測面積達到113 hm2，地面控制中心通過該無人機發送的實時影像觀察林火發生、火的強度、蔓延方向和過火面積，并結合無人機發送的周圍山地環境、地表可燃物環境和氣象環境等數據，及時、準確和高效地制定了滅火方案，大大縮減了滅火時間[27]。目前，我國自行搭建的“森林防火無人機預警系統”提供了一套經濟、安全和高效的森林防火系統，該系統集成了紅外成像技術、GPS 技術和數字圖像傳輸技術等，以森林火情監測為主，其中四軸無人機云臺搭配彩色CCD 任務載荷或紅外探測儀，可對火災發生地的地理坐標、受災面積、火勢大小及蔓延情況等進行監測并傳輸回地面控制中心。

近年來，隨著傳感器的多樣化和精細化發展，目前用于森林火災的四軸無人機可通過搭載紅外傳感器、可見光傳感器和火災傳感器從多個角度監測森林火情，可準確、及時監測火情。目前四軸無人機遙感系統匯集圖像分割序列、圖像穩定及坐標定位等多用途圖像處理功能，不僅可發現火災地點，還可將火災現場及附近的完整信息傳輸給地面控制中心。地面控制中心可根據火災的實時火情及時制定和修改相關任務計劃，減少人員傷害和財產損失。四軸無人機的應用將大大推進森林火災監測和救援工作。

2．3 四軸無人機在森林病蟲害監測中的應用

森林病蟲害具有爆發迅速和擴散面積廣等特點，每年給國家造成巨大的經濟損失。森林病蟲害的防治工作是國家減災工程的重要組成部分[22]。森林病蟲害的傳播特點是由點狀或帶狀存在，接著大面積爆發。在森林病蟲害大面積爆發前進行消殺是最有效且最經濟的途徑。這就需要對森林進行及時有效的監測[28]。傳統的人工監測很難在森林生態系統中做到大面積地毯式調查，而衛星遙感等方式又因分辨率等問題很難在森林病蟲害初期發現問題。利用四軸無人機搭載可見光相機和高光譜成像儀，低空近距離對森林生態系統進行拍攝，可獲取目標區域的高分辨率影像及高光譜數據。利用四軸無人機遙感數據可及時發現森林病蟲害，實現預警監測，確定災情發生的準確位置及擴散范圍，為治理災害和評估損失提供支持。

2．4 四軸無人機在其他林業管理中的應用

我國森林面積遼闊，森林資源豐富多樣，提供了豐富的物質資源。很多不法分子為了短期利益，不顧國家法律法規，非法占用森林用地、亂砍濫伐森林樹木和亂捕濫殺野生動物等，嚴重破壞了我國的森林資源和森林生態系統的平衡[22]。我國森林腹地地廣人稀，因人力、財力和精度的限制，傳統的人力巡邏和飛機巡航等手段覆蓋面積小，時效性差。四軸無人機成本低、耗能低，可對所管轄林區進行大面積日常巡檢，其攜帶的高清攝像系統可獲取精確的森林生長狀況并拍攝證據，其攜帶的通話系統可對不法行為進行高空喊話和警告制止等行為，為林業執法工作提供強有力的保障。

3 四軸無人機在林業管理中的應用展望

隨著社會進步及科技發展，現代林業、精準林業和智慧林業等概念和理論不斷被完善。我國林業管理也逐步從傳統的粗放型進入到數字化、信息化和智能化的時代。將高新技術引入林業管理，提高我國林業管理水平是刻不容緩的任務。

隨著傳感器檢測技術、智能控制技術和材料技術等的快速發展，四軸無人機及其配套系統的發展越來越成熟。無人機遙感系統具有成本低、易維護、效率高、時效性強和對環境要求低等特點。但目前我國低空無人機在林業管理中的應用和研究尚處在初級階段。四軸無人機在森林資源調查、森林火災監測和森林病蟲害監測等方面具有很好的應用前景，但目前尚缺乏完善的配套技術系統。例如針對林業管理所設計的具體硬件設備、相關圖像處理軟件和相關計算機算法等。在未來的研究中，可針對具體研究任務開發出具體的四軸無人機監測系統，推動無人機在林業管理領域的廣泛應用。