無人機(jī)在植樹造林中的應(yīng)用

徐永服， 劉 娟， 單紹朋

(畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)林業(yè)局， 貴州 畢節(jié) 551700)

為提高我國森林植被覆蓋率，實現(xiàn)推進(jìn)中國特色社會主義事業(yè)“五位一體”總體布局的生態(tài)文明建設(shè)，植樹造林工程成為各級林業(yè)部門重點規(guī)劃實施的工作任務(wù)。近年來，隨著小型無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)憑借低成本、高靈活性和實時性等優(yōu)勢在造林工程實施以及林業(yè)信息監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為使更多林業(yè)工作者認(rèn)識和了解無人機(jī)技術(shù)，促進(jìn)無人機(jī)技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用推廣，對無人機(jī)發(fā)展歷史及其在植樹造林中的應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹。

1 無人機(jī)發(fā)展簡史

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，簡稱UAV)通常是指由機(jī)載動力驅(qū)動，由人為遠(yuǎn)程操作或自主程序控制飛行，可執(zhí)行多種任務(wù)并能回收重復(fù)使用的無人駕駛飛行器，其特點為有較強(qiáng)的機(jī)動性和安全性、監(jiān)測成象的數(shù)據(jù)精確性和分辨率較高、大量減少工作時間和勞動強(qiáng)度、提高工作效率[1]。

無人機(jī)發(fā)展大致經(jīng)歷了3個時期[2]：1) 萌芽時期。最初可追溯至第一次世界大戰(zhàn)時期，1914年，英國指揮官卡德爾和皮切爾提議研制一種無人駕駛空中炸彈，可自行飛到目標(biāo)上空消滅敵人，多次試驗后以失敗告終；隨后三年，彼得·庫伯和艾爾姆·A·斯皮里發(fā)明了第一臺自動陀螺穩(wěn)定儀，成為無人機(jī)誕生的奠基人。之后不足二十年時間，“蜂后”式無人機(jī)的出現(xiàn)標(biāo)志著無人機(jī)發(fā)展進(jìn)入新階段，此后無人機(jī)廣泛用于戰(zhàn)場，執(zhí)行各種偵察任務(wù)，但由于當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)比較薄弱，完成任務(wù)的效果不佳，軍方也逐漸冷落無人機(jī)。而我國無人機(jī)至1966年12月才首飛成功。2) 發(fā)展時期。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，1982年以色列首創(chuàng)無人機(jī)與有人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，開啟了無人機(jī)真正的發(fā)展之路。3) 蓬勃時期。21世紀(jì)初，為改善無人機(jī)的體積和功能，以方便攜帶和操作，催生了民用無人機(jī)的誕生。隨后出現(xiàn)了諸多無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，如我國大疆公司、美國3DRobotics公司等。2015年，各大運營生產(chǎn)商成功融資，為無人機(jī)行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了十分有利的條件。隨著無人機(jī)的發(fā)展，如今小型無人機(jī)已經(jīng)進(jìn)入全民應(yīng)用階段，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)[3]、工業(yè)[4]、軍事[5]、林業(yè)[6-9]等領(lǐng)域。

2 無人機(jī)在植樹造林中的應(yīng)用

植樹造林工程是林業(yè)部門的重要工作之一，做好前期的造林規(guī)劃設(shè)計、造林驗收以及后期的造林工程矢量數(shù)據(jù)文件匯總等工作是提升造林工程實效的關(guān)鍵。在此過程中，通過人工巡邏、衛(wèi)星遙感監(jiān)測和載人飛機(jī)與無人機(jī)開展相關(guān)調(diào)查是必要的工作環(huán)節(jié)。其中，人工巡邏存在勞動強(qiáng)度大、效率低等弊端，且最終成效易受調(diào)查人員技術(shù)水平影響。衛(wèi)星遙感監(jiān)測和載人飛機(jī)的調(diào)查成本大；而小型無人機(jī)體積小、易操作，能夠更好地適應(yīng)環(huán)境、執(zhí)行多種任務(wù)、迅速傳達(dá)信息、精確完成任務(wù)、成本相對較低且回報較高[10]，因而在植樹造林中相關(guān)工作中的應(yīng)用越發(fā)廣泛。

2.1 林業(yè)種植

基于無人機(jī)不受空間與地形地貌限制的優(yōu)勢，利用無人機(jī)能夠有效獲取植樹造林整體工程數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行地塊分析，掌握各地塊的植物分布、林班分布以及高危險地帶樹木情況，為科學(xué)開展林業(yè)種植規(guī)劃提供有力的技術(shù)支撐。另外，可利用無人機(jī)攜帶林木種子到人無法到達(dá)的高危險區(qū)域散播，能夠有效提升造林操作水平和效率，降低造林成本和人工造林的危險性。此外，植樹造林實施后，利用無人機(jī)監(jiān)測實施區(qū)域中植物的生長狀況，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)地形圖和國家標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星影像進(jìn)行影像校準(zhǔn)，將監(jiān)測分析結(jié)果反映給實施操作人員，有利于對造林工程實施進(jìn)行及時整改，科學(xué)開展補(bǔ)植補(bǔ)造。

2.2 造林斑塊設(shè)計

植樹造林工程受地質(zhì)地貌、地層巖性、土壤、降雨量、氣候、時限以及人為活動等諸多因素影響，在實施過程中具有一定的不確定性和不可預(yù)期性，因此，造林斑塊的設(shè)計是進(jìn)行植樹造林最基本和最重要的環(huán)節(jié)之一，其結(jié)果直接影響造林工程斑塊空間分布和造林工程面積的精準(zhǔn)性，并最終影響植樹造林工程的可實施性。造林斑塊的設(shè)計和樹種結(jié)構(gòu)配置與原有森林植被的自然分布狀態(tài)密切相關(guān)，在森林植被觀測工作中，無人機(jī)能夠在懸崖、陡峭的荒草坡、濕地低空飛行，通過自帶的高清攝影機(jī)準(zhǔn)確獲得高清的正射影像數(shù)據(jù)，技術(shù)人員運用ArcGIS10.2軟件，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地形圖和標(biāo)準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，進(jìn)一步利用勾匯的矢量數(shù)據(jù)計算規(guī)劃區(qū)域的造林面積、自然植被情況、樹種結(jié)構(gòu)，為規(guī)劃設(shè)計人員合理設(shè)計造林小班、造林樹種、造林密度等提供依據(jù)，以做到因地制宜、適地適樹，確保造林成功率。

2.3 造林驗收

針對地形地貌復(fù)雜、地塊破碎和土壤瘠薄、生態(tài)環(huán)境惡劣區(qū)域的植樹造林工程項目驗收，如以貴州為代表的喀斯特地區(qū)，可通過無人機(jī)觀測，高效評估抽查植樹造林的面積、數(shù)量和質(zhì)量等情況，為檢查林木的成活率和保存率等指標(biāo)是否合格提供支持。

3 結(jié)語

無人機(jī)因其不受空間與地形地貌限制，以及影像觀測效率高，使用成本相對較低等顯著優(yōu)勢，在植樹造林相關(guān)工作中得到了應(yīng)用。貴州是我國主要的喀斯特地區(qū)，地形地貌復(fù)雜、地塊破碎土壤瘠薄、生態(tài)環(huán)境惡劣，對實施植樹造林工程帶來了諸多挑戰(zhàn)。在貴州喀斯特地區(qū)利用無人機(jī)技術(shù)支持植樹造林工程的實施，有助于更加科學(xué)有效地對此類地區(qū)進(jìn)行坡耕地綜合治理，優(yōu)化地區(qū)植物群落結(jié)構(gòu)，減少水土流失，進(jìn)而改善此類地區(qū)生態(tài)環(huán)境。未來，隨著無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及我國林業(yè)發(fā)展對相關(guān)技術(shù)投入的支持力度加大，無人機(jī)在林業(yè)中將有更廣泛的應(yīng)用前景，對促進(jìn)林業(yè)發(fā)展發(fā)揮更大作用。