無人機在湖北林業的應用現狀及發展途徑

袁傳武 張維 羅勇 夏劍萍

摘 要： 本文詳細分析了無人機在湖北林業上的應用現狀以及存在的主要問題，指出了無人機在資源調查、森林防火、病蟲害監測、野生動植物監測、精準植保、林業執法等方面的應用前景，提出了組建無人機研究團隊，與高校和企業開展合作，加強人工智能應用研究，建立無人機校驗中心及數據處理中心，研發林業無人機專用設備等發展途徑，旨在為全面提升湖北林業科研能力和創新水平提供決策參考。

關鍵詞： 無人機;林業應用;發展途徑;湖北

中圖分類號：S762.8 文獻標識碼：A 文章編號：1004-3020（2020）03-0051-04

隨著無人機的性能不斷提高，應用范圍和應用領域迅速拓展，無人機在邊防巡邏、管道巡線、應急救災、地形測繪、考古發掘、國土監測等行業上的應用正迅速推進[1-2]。無人機具有高度機動性和靈活性，改善和顛覆了傳統林業的管理和作業方式，呈現出前所未有的快速發展，在林業上的用途也越來越精細化和多元化，例如可在林區復雜環境下高效地接近目標并完成森林資源信息獲取等[3-4]。雖然無人機在林業行業的研究和應用發展起步較晚，但也取得了一定的成果，福建等部分省份將無人機在林業中的應用作為“十三五”期間建設現代化林業的關鍵手段[5-6]。目前常用的是在無人機系統中搭載多種機載傳感器（可見光傳感器、多光譜傳感器、高光譜傳感器、紅外傳感器和激光雷達等），提升資源監測，森林巡護，病蟲害監測，森林火災預警及現場指揮，自然災害（火災、病蟲害、凍災等）災后評估，林業精準植保，林業執法等方面的林業作業精度和范圍[7-8]。

近兩年來，湖北林業部門高度關注無人機在林業上應用，加大了無人機的硬件配備力度，并有針對性的開展了無人機應用的技術培訓。2019年12月，湖北省林科院針對全省林業系統無人機應用情況，在武漢召開了無人機在湖北林業上應用學術研討會。重點研討了無人機系統在病蟲害遙感監測、森林火災監測、野生動植物監測與識別、森林資源調查、林業精準植保以及林業執法等核心業務方面存在的問題以及解決方案，以期推動無人機系統在湖北林業中的應用向縱深發展。隨著無人機技術的日趨成熟，將無人機技術與高光譜遙感技術、人工智能技術和林業實地作業等方法結合起來互為補充，有助于實現湖北林業現代化管理水平，對提高湖北林業智能化治理能力和水平提供了重要的技術支撐。無人機作為一種實時監測以及獲取森林基本信息的重要手段，將在湖北林業生產和管理中扮演著促進林業科學發展的重要角色。

1 無人機在湖北林業應用現狀

無人機目前在湖北林業上的應用尚處于啟動階段，湖北省林業主管部門以及各地市州縣市林業部門積極探索，取得了一定的進展。據統計，截至2019年12月，湖北省已有100多個縣（市、區）的林業部門通過上級主管部門配發或自行采購方式，配置無人機近200臺（套），其中主管部門配發占80%，自主采購占20%。還主辦了機長、飛手等5期共100多人的培訓班，以解決無人機的日常飛行等問題。

1.1 無人機應用情況

總體而言，無人機目前在湖北省的應用水平較低，各林業部門只是進行小范圍森林資源監測或核查，沒有充分發揮無人機特點及優勢作用。

湖北省林業局購置了大疆PHANTOM4，智能鳥V516、智能鳥KC-Z4、智能鳥KC3400等13臺無人機，分別配發給森林資源大別山專辦、秦巴山專辦、五陵山專辦以及九峰國家森林公園、神農架國家公園、后河自然保護區、九宮山自然保護區等單位，用于森林資源監測及森林病蟲害防治。湖北省林業有害生物防治檢疫總站自2013年始向全省各縣市州配置無人機。目前99個縣市區森防站均配有大疆悟1、易瓦特S6各1臺，全省36個國家級中心測報點均有小型無人機大疆悟2，部分地市州有中型人機全省共有7臺，省站有固定翼監測無人機1臺（易瓦特H7），用于開展林業病蟲害的監測和防治工作的。湖北省航空護林站今年將購置5套無人機大型指揮車系統，用于森林資源監測及森林防火。

湖北省林業規劃院自主購置了大疆經緯M600、大疆悟Inspire2、大疆御2pro3等7臺無人機，用于森林資源二類調查數據的核查。襄陽市林業局自主購置購置了DY-SU6、大疆精靈4PRO、大疆精靈4RTK等無人機，用于200 hm2以下小面積正射影像航拍，視頻拍攝、林地案件偵辦、小型規劃編制、重點造林工程監測、森林病蟲害疫木判別等應用。宜昌市林業局自主購置了大疆精靈4、經緯600等5臺無人機，用于森林航拍影像和視頻進行松材線蟲病等林業有害生物防治效果核查、檢疫檢查等工作。太子山林管局購置了3臺無人機進行測繪、森林巡護等工作，并準備下一步將其應用于森林防火指揮。石首市、監利縣等林業單位購置無人機近30架，主要用于林業噴藥等機械化作業。

湖北省在林業植保上應用無人機技術較為廣泛，很大程度上改變了傳統植保的施灑過量而導致農藥殘留、水土污染以及效率低下等弊端。主要應用大疆T20，T16等大型無人機，載重量分別是40 kg和30 kg，每機防治面積毛竹（山區）20 hm2/d，楊樹40 hm2/d，水稻66.67 hm2/d。2019年石首市的飛防協會（合作社）對當地200 hm2毛竹發生的黃脊竹蝗進行了控制，使用藥劑為Bt復配劑，用藥量12 000 mL/hm2，每機防治面積20 hm2/d，成本約12～15元/666.7 m2，防治效果達90%。該飛防協會同時利用大疆企業平臺，前往新疆棉花生產區，為當地的棉花噴施脫葉劑，優秀的飛手每年可飛0.13萬hm2，僅當飛手一項收入可達20萬元。2018年6月宜昌市森林病蟲防治檢疫站首次在枝江市、點軍區馬尾松集中連片區利用無人機防治噴粉防治松褐天牛。主要是用4臺可載重10 kg的噴粉款無人機，利用3 d時間，噴灑噻蟲啉粉劑2.7 t，防治面積360多hm2，防治作業效率和質量較佳。2019年7月廣水市利用無人機噴灑了3%噻蟲啉微膠囊懸浮劑控制了0.4萬hm2松褐天牛。

但是在大面積松林立木變色監測應用方面（松材線蟲?。┤∧壳斑€處于初步階段，即主要采用可見光判讀，將無人機在林間拍照，獲取圖片，結合小班圖進行判讀等。在大范圍應用森林資源監測方面，只是掛載可見光傳感器載荷，進行小范圍常規監測。沒有掛載高光譜或多光譜傳感器進行森林類型識別、林分空間結構研究、森林蓄積量精準估算等深層次應用。

1.2 無人機培訓情況

國家林草局、湖北省林業局等林業行政主管部門高度重視無人機培訓工作，分批次有針對性組織和開展了無人機飛手應用培訓班，共培訓了100多人，初步解決了湖北省林業行業無人機飛手的人才短缺問題，實現了無人機操作員持證執飛，基本上杜絕了“黑飛”現象，為全省林業無人機推廣使用提供了技術保障。

2019年5～10月，國家林業局在武漢組織了兩期由中國林科院各研究所、國家林業局規劃院、湖北省林業局局直單位等共60多人的無人機飛手培訓班，學員們全部取得了飛行執照。湖北省林業有害生物防治檢疫總站通過易瓦特無人機公司培訓了10名飛手。湖北省林業局信息中心采取3種培訓方式共培訓了50多人。一是通過無人機廠家進行技術培訓。2018年12月，組織九峰國家森林公園、神農架國家公司、后河自然保護區、九宮山自然保護區等單位共12人，在武漢智能鳥無人機公司進行了基礎理論學習和飛行培訓;二是2019年8月，組織了局直單位6人進行旋翼、固定翼等兩種機型的機長培訓班，并取得12個飛行執照;三是2019年10月，組織了森林資源大別山專辦、秦巴山專辦、五陵山專辦等單位共30人的無人機飛手培訓班并取得飛行執照。

對于湖北乃至全國林業而言，無人機林業行業人力資源仍然嚴重匱乏，無人機應用林業領域的專業技術人數不足已成為制約林業行業深入應用的重要瓶頸。無人機林業行業的持續健康發展不僅需要健全法律法規的制度保障與研發技術創新升級，也更需要強化專業人才的教育與培養。

2 無人機在湖北林業應用中存在的主要問題

無人機在林業資源調查、森林病蟲害防護、森林防火、林業執法管理等林業核心業務方面存在應用水平不高、遙感數據處理較難、缺乏面向林業行業專用的機載設備以及后期維護成本較高等現實問題。

2.1 無人機應用水平不高

林業資源監測部門無法將無人機航拍影像與森林資源小班數據等地理信息數據有效結合;森林防疫部門還無法利用無人機實現系統的智能化病蟲害防治效果核查，檢疫檢查還大多依賴于人工排查，如何利用空間分析、遙感影像分類等技術實現林業有害生物監測仍需深入研究。森林防火部門因受無人機航飛時間限制，當前還無法實現火災的及時監測預警，且全省尚未建立健全的防火指揮調度系統平臺，無人機航拍數據僅能用作輔助決策。由于無法與森林資源數據相結合，很難利用無人機進行災后評估。如何有效利用無人機航拍數據進行智能化數據處理，并應用在林業實際生產和管理工作中，提高無人機在林業中的應用水平和效率，仍是湖北省內各級林業部門的重要課題。

2.2 無人機遙感數據處理較難

目前無人機系統多使用小型數字相機作為機載遙感設備，與傳統的航片相比，獲取的遙感影像存在相幅小、數量多、影像重疊不規則等缺點，現有軟件的圖像處理算法難以獲得良好的效果，造成遙感影像預處理工作需大量手工操作、效率低等問題。平均1 km2森林面積約需100多張遙感影像甚至更多，遙感數據的快速處理缺乏高性能電腦平臺。目前，拼接這些圖像時多使用是的國外的盜版軟件，存在安全性和知識產權等問題。而且湖北省嚴重缺乏無人機圖像數據處理專門人才，將成為未來湖北省林業無人機推廣應用及發展的瓶頸。

2.3 缺乏面向林業行業專用的機載設備

農業噴藥、電力巡檢、公安巡邏等行業均配置有專業的無人機。林業行業具有特殊性，如森林影響氣候，形成森林覆蓋地區特殊的局部地區氣候。具有溫差大，濕度大，降水量多，風速大小不均，高山亂流等特點。廣大林區大都地處偏遠山區，無人機應用的地理環境較差，因此，需要抗風強、耐濕性好、穩定性強林業專用無人機系統。例如與農業噴藥無人機相比，林業行業更需要開發適合林業病蟲害特點的噴藥專用藥箱等機載設備。

2.4 無人機后期維護成本較高

無人機是高精尖的產品，受林區地形地貌狀況、山體高度、天氣狀況、使用對象類別、林區道路狀況等影響，飛丟、失控、炸機、干擾等問題將是林業無人機飛行中出現的最常見事故。飛行時受林區惡劣天氣、地理環境因素影響，無人機機體機翼、電池等后期維護成本也將逐步增加，尤其是維護人員缺乏，這些都將成為今后林業應用無人機亟須解決的現實問題。

3 無人機在湖北林業應用前景及發展途徑

3.1 應用前景

綜合運用大數據、物聯網、衛星遙感、圖像識別、無人機、機器人等新一代信息技術，在資源調查、森林防火、病蟲害監測、野生動植物監測、精準植保、林業執法等不同應用領域，創新監管模式，開展林業資源和林業災害的智能監測、智能預警和智能防控，為林業生產者、管理人員和科技人員提供網絡化、智能化和最優化的科學決策服務，有效提升湖北林業綜合治理能力和智能化水平。

（1）資源調查方面。利用無人機航拍影像快速實時地獲取高分辨率、多尺度的地面觀測數據，運用深度學習算法進行智能分析，進行動態監測，及時發現森林消長變化。

（2）森林防火方面。綜合利用衛星監測、無人機巡護、智能視頻監控、熱成像智能識別等技術，針對某一特定區域進行火情監測、火情確認和火場實時監控。

（3）病蟲害監測方面。利用拍攝的感病植被航拍圖像數據進行智能圖片識別，結合視頻監控、物聯網監測以及地面巡查數據，進行大數據挖掘分析，提高病蟲害監測預警預報精度。

（4）野生動植物監測方面。綜合應用紅外相機、衛星定位追蹤、圖像智能識別等技術，對多種野生動植物進行實時信息監測，實現野生動植物的動態監測與分類識別。

（5）精準植保方面。綜合應用大數據挖掘、深度學習技術，結合位置、網絡、移動終端等服務，實時獲取森林病蟲害發生位置及面積，提高森林病蟲害防治的精準作業能力。

（6）林業執法方面。結合人工智能與大數據技術，動態監測林區復雜環境，進行林區現場快速診斷，實時掌握林地使用情況，打擊非法占地及非法砍伐等違法行為。

3.2 發展途徑

組建無人機林業研究團隊，就無人機深入應用問題與高等院校和IT企業開展技術合作，建立無人機遙感校驗中心以及遙感數據處理中心，加強人工智能技術應用研究，積極研發林業行業專用無人機及機載設備，提升無人機在湖北林業中的實際應用水平和能力。

（1）建立無人機遙感校驗中心。無人機應用本身是一個系統工程，從無人機飛行、數據處理到系統維護都需要大量的技術人員。為規范無人機林業行業發展，推動湖北省無人機林業應用健康、有序、高速發展，建立林業行業權威、公正的無人機校驗檢測中心，為湖北林業無人機應用提供權威校驗檢測認證和技術支持服務。包括無人機整機系統、動力系統、機電系統、通訊系統、任務系統、飛控系統的校驗檢測以及地面保障系統的服務能力。

（2）建立無人機遙感數據處理中心。建立無人機監測影像數據處理中心，推進全省無人機遙感監測信息數據資料的共享及應用。針對無人機遙感影像的特點以及相機定標參數、拍攝時的姿態數據和幾何模型對圖像進行幾何和輻射校正，開發相應的軟件進行交互式的處理。同時開發影像自動識別和快速拼接軟件，實現影像質量、飛行質量的快速檢查和數據的快速處理，滿足整套林業應用無人機遙感系統實時、快速的技術要求。

（3）加強人工智能技術應用研究。目前要重點解決現有無人機在林業中的深入應用問題，組織相關無人機企業、高等院校以及科研院所，共同解決無人機在林業應用中存在的難點和疑點。人工智能技術相結合，加強高精度無人機遙感影像的自動解譯研究，開展無人機在森林生態旅游地區中對重要游覽區三維景觀的還原研究，實現高精度無人機遙感影像數據在森林資源調查和監測中的高效和廣泛運用，為景區和當地旅游宣傳提供有力服務。同時，結合人工智能技術建立健康樹光譜反射圖數據庫，以便于解決病蟲害防治的滯后性（即預測）等，同時開展相應的基于無人機的森林病蟲害精準監測、森林物候精準監測、地上生物量的精準估算等方面工作。

（4）研發林業行業專用無人機及機載設備。研究借鑒其他行業無人機應用經驗，重點研究林業行業專用無人機配置和選型，根據林業業務需求，有針對性的研究和探討在森林火災、林業保護區域巡護、國有林場和自然保護區監測、區域調查等業務應用相應的無人機專用機型和專用傳感器的配置。如無人機材料的改進，使得機身更加輕便，能抵御惡劣環境干擾，設計方面要保障飛機的穩定性。開展適應于林業行業的專用傳感器研究，以便更好的獲取相關的森林資源數據，解決目前植保無人機專用藥劑的數量和品種不能滿足需求，以及無人機高載荷時作業時間短、續航能力弱、林業專業藥箱等一系列問題。

參 考 文 獻

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（責任編輯：鄭京津）