淺談無人機技術在林業調查工作中的應用

王振生

（廣西壯族自治區國有東門林場，廣西 扶綏 532100）

1.無人機技術概述

無人機，也被稱為無人駕駛航空系統/車輛(UAS/UAV)，或遙控飛機，無人機這個術語被故意改成無人機系統，以反映無人機操作中涉及的復雜系統。軍方通常使用 RPA 一詞。自20 世紀50 年代以來，無人機的主要任務一直是空中偵察。此外，還有人將無人機分為五種用途：目標和誘餌、偵察、戰斗、研究和開發，以及民用和商用。

2.無人機技術在林業調查工作中的應用探究

2.1 森林防火

無人機在森林防火的重點在于早期發現地面巡邏無法覆蓋的偏遠地區的森林火災，以及準確掌握和及時了解重大森林火災現場的各種動態信息，還可以解決飛機巡邏無法在夜間飛行、因煙霧而降低能見度的問題。無人機作為現有林業監測手段的有力補充，顯示出其相對于其他方法的優越性，將廣泛應用于森林火災的監測、預防、撲救和災后評估等方面，它們還用于確定熱點和防火口的位置，然后將水輸送到火災發生的地點。通過跟蹤和繪制火災模式，幫助消防員確定火災蔓延情況，使消防員能夠作出明智的決定。

2.2 病蟲害檢測與預防

近年來，由于不良的氣象、土壤等非生物因素使森林病害逐漸增多，導致林木生長不良，產量、質量下降，甚至引起林木枯死和生態條件的惡化。較以往人工巡邏及噴灑農藥的方式，無人機的出現大大節省了人力物力，通過無人機噴灑藥物、監測能有效的提升林業有害生物監測預警、檢疫御災、防治減災水平，有效預防和控制了林業有害生物災害的嚴重發生。

2.3 森林管理的優化和發展

集約化森林經營是提高森林生產力和滿足不斷增長的木材需求的有效途徑。快速生長的森林植株的管理類似于精細農業的做法，并且可以通過無人機遙感加以推廣，非典型運動是在正確的時間和正確的地點施肥。研究人員用無人機遙感獲得了近紅外圖像，用于繪制森林結構健康圖，他們發現光譜輻射測量法和野外取樣測定的葉片氮含量之間有著明顯的相關性。這種方法利用無人機幫助降低集約化森林管理的成本，提高經濟效益。

3.無人機技術在林業調查工作中的展望

不準確的森林調查數據會導致政府、單位和個人森林所有者做出錯誤的決定，并可能對經濟產生巨大的負面影響。由于錯誤的造林決定，每年給我國林場帶來的經濟損失不低于數10 億元。生長存量的估計必須基于取樣、測量和建模的結合，因此，為提高造林效率，在森林樣地中進行實地測量是至關重要的。利用漸進式3Dremote 傳感技術需要精心選擇樹狀和/或地塊水平的野外參考資料來進行數據標記，這些資料通常是用測徑器、測量磁帶、測高儀等手工采集的，有時還用重影鏡、巡航桿和增量鉆孔器來采集。最常見的樹高參數是胸徑(DBH)、6 米(d6)的胸徑和樹高(h)。然后根據這些基本測量數據估算單株樹木的材積和地上生物量。地塊水平信息可以通過地塊水平估計直接獲得，例如，用相關法或樹木水平特征的總結。這種常規方法很難跟上當代和未來森林調查所要求的野外參考數據收集的覆蓋面、規模和重復性。需要采用更具成本效益的自動化技術，以盡可能準確和迅速地提供現場參考數據。經過大約二十年的研究，地面激光掃描(TLS)正進入實際應用階段。對單掃描和多掃描兩種方法的性能進行了深入研究，結果表明，由于遮擋的影響，單掃描數據中有10-32% 的樹木是不可見的。多重掃描方法能夠覆蓋一塊區域內接近100% 的樹木，但受到人工和后處理成本的阻礙。然而，TLS 已被證明是可行的收集基本的樹木和小區屬性，如樹位，胸徑，干曲線，樹種，材積和生物量。自動化提取屬性的精度相當于那些基于關鍵的野外測量(DBH，d6，和 h)結合最佳異速生長模型的精度。

其他進一步提高現場參考數據收集效率和自動化水平的努力包括移動激光掃描(MLS)、攝影測量地面點云(簡稱 SfM)和使用眾包。MLS 有能力高精度和更容易地測量復雜和有問題的森林地區。最近的報告表明，MLS 允許的地塊收集比 TLS 快10 倍，大約2-4 厘米胸徑精度。MLS的缺點是，由于 GNSS 在森林中的陰影，MLS 的注冊精度需要提高，例如，通過即時定位與地圖構建定位(SLAM)。作為激光掃描的替代方案，攝影測量陸地點云也可以為胸徑提供2-4 厘米的精度，但其數據質量低于 TLS/MLS 。在眾包環境中使用全球導航衛星系統數據在實地參考方面的準確性有限 ，因此，有攝像機或距離測量系統的智能手機在眾包類型的數據收集方面更為可行，這尤其適合本國森林的森林所有者。對所有這些技術的研究正在進行中，最佳實踐也在不斷出現。

森林中無人機自主野外信息采集的概念包括兩個主要方面，即利用無人機平臺進行林冠內和林冠上的調查。最近的遠程遙控無人機系統的例子是由現場操作員操作的，但最終目標是將其與無人駕駛飛行器結合起來; 因此，操作員的干預可以降級，效率可以進一步提高。

當飛行在樹冠之上時，操作設置接近于普通的機載激光掃描(ALS)。GNSS 和慣性測量單位(IMU)提供的地理定位解決方案的絕對精度在2-5 厘米之內，因為無人機情況下與目標的距離通常很小。可以利用兩種不同的方法來獲得莖特征: (1)根據無人機點云得到的樹高和樹冠維數，利用數學或回歸模型估計莖特征; (2)直接測量無人機點云的胸徑或莖曲線，這需要一種特定的激光掃描器，允許一個非常窄的光束。

無人機平臺和自主駕駛系統的集成是自主采集林地數據的最終目標。梅賽德斯-奔馳公布了一款未來的運輸車的計劃，該車具有完全自動化的貨物裝載和無人機運輸功能。同樣地，未來的森林調查可以通過自動駕駛汽車和裝備激光掃描儀的無人機的組合來完成。幾個無人機可以用于在同一地區的冠層以上和內部飛行，或者，他們可以飛到鄰近的不同樣本地塊。當無人機/無人機由自動駕駛汽車托管，從無人機托管的地方接收可持續的電力供應時，在不同的地點和不同的座艙蓋層實施持久的獨立操作(例如，每天超過10 小時) ，沒有人類操作員在場。因此，預計一天可以記錄幾百塊田地。這個概念要15-20 年才能實現。然而，預計到2030 年15% 的全球新車將基于自動駕駛技術，因此，這一概念可以在短期內得到展示。因此，這種雙機器人視覺有可能成為現實。這個概念是所有可能由無人機處理的測量測量的通用解決方案。

4.結語

無人機遙感技術相對于現有遙感技術的優勢在林業調查的工作過程中具有十分顯著的優勢，新型無人機和傳感器的不斷發展使遙感應用更具吸引力。有些應用可以通過無人機遙感廉價完成，但是很難通過載人飛機遙感或衛星遙感來實現。在現代林業領域，合理的森林管理需要數字格式的詳細森林信息。無人機遙感技術在林業中的應用尚處于起步階段，但可以合理地預測，無人機遙感的作用將在不久的將來超過載人航空器遙感。無人機遙感的靈活性和低成本有利于將傳統林業數據轉換為數字格式，使林業實踐變得更加精確和有效。同時，森林火災“突發性強、蔓延迅速”的特點要求實時數據傳輸。

林場投資少，經營者相對稀缺，林區多元化，無人機的充分使用需要大量的無人機，無人機的研制也需要大量的資金支持。此外，由于地形、植被和氣象條件的影響，無人機在林區的抗風性能和接收信號不穩定。在森林防火工作中，根據監測圖像對數據進行分析和處理，將影響無人機的精度。所以培訓專業的無人機飛手，進行國有林場無人機領地保護工作的推進對于國有林場的發展具有十分重要的作用和影響。