無(wú)人機(jī)遙感（UAV-RS）在高精度森林資源監(jiān)測(cè)的應(yīng)用分析

曾劍生 李春干

1. 廣西天茂測(cè)繪科技有限公司 廣西 南寧 530023；

2. 廣西大學(xué)林學(xué)院 廣西 南寧 530001

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)得到迅猛發(fā)展，其以自身所具備的優(yōu)勢(shì)，在諸多領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。無(wú)人機(jī)遙感是無(wú)人機(jī)與遙感技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，通過(guò)該技術(shù)能夠?qū)臻g遙感信息進(jìn)行快速獲取，由此可為森林資源監(jiān)測(cè)提供條件。下面就無(wú)人機(jī)遙感在森林資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展開(kāi)分析探討。

1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)及其應(yīng)用特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)遙感簡(jiǎn)稱UAV-RS，它是由無(wú)人機(jī)（UAV）和遙感（RS）組成的一項(xiàng)非常先進(jìn)的技術(shù)。通過(guò)對(duì)RS技術(shù)、傳感器技術(shù)、遙測(cè)與遙控技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、GPS-RTK技術(shù)的有效利用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)空間遙感信息的快速獲取，包括國(guó)土資源、自然環(huán)境以及地震災(zāi)區(qū)等[1]，整個(gè)過(guò)程具有智能化、自動(dòng)化的特點(diǎn)，同時(shí)可對(duì)獲取到信息進(jìn)行分析處理。UAV-RS的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在機(jī)動(dòng)性、快速性和經(jīng)濟(jì)性等方面，該技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)如下：

1.1 無(wú)人機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)歸屬于飛行器的范疇，可通過(guò)無(wú)線電進(jìn)行遙控操作，不需要載人，能夠完成各種不適宜有人駕駛的任務(wù)，如災(zāi)害調(diào)查、遙感監(jiān)測(cè)等等。根據(jù)飛行特點(diǎn)可將無(wú)人機(jī)分為兩類，一類是固定翼，另一類是直升機(jī)。其中前者具備遙控和程控兩種操控方式，無(wú)人機(jī)本身的抗風(fēng)能力比較強(qiáng)，可以同時(shí)搭載多種遙感傳感器，起飛和降落方式多，且不需要太大的場(chǎng)地，但要求場(chǎng)地空曠，適用于林業(yè)資源監(jiān)測(cè)。后者突出的特點(diǎn)是可以定點(diǎn)起落降，對(duì)場(chǎng)地要求不高，機(jī)身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操控難度大，種類比較有限，適用于突發(fā)事件調(diào)查。

1.2 遙感傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)

遙感傳感器可以按照不同的遙感任務(wù)，利用相應(yīng)的設(shè)備，如數(shù)碼相機(jī)、紅外掃描儀、光譜成像儀、SAR（合成孔徑雷達(dá)）等，完成任務(wù)。它的特點(diǎn)體現(xiàn)在如下方面：重量輕、體積小、精度高、性能完備、信息存儲(chǔ)量大、數(shù)字化等。

2 無(wú)人機(jī)遙感在森林資源監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用

在森林當(dāng)中有著大量的資源，對(duì)這些資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠?yàn)橘Y源管理提供依據(jù)，有助于促進(jìn)森林的可持續(xù)發(fā)展。UAV-RS在森林資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：調(diào)查規(guī)劃、病蟲害監(jiān)測(cè)、林火監(jiān)測(cè)、森林生物量測(cè)定以及樹(shù)種識(shí)別等。

2.1 調(diào)查規(guī)劃

森林資源監(jiān)測(cè)可為林業(yè)調(diào)查規(guī)劃提供依據(jù)，采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行調(diào)查時(shí)，需要借助大量的人力資源完成樹(shù)種、樹(shù)高、地塊類型以及林地蓄積等方面的調(diào)查工作[2]，不但耗時(shí)較長(zhǎng)，還會(huì)導(dǎo)致其他資源的耗費(fèi)，并且工作效率不高。通過(guò)對(duì)UAV-RS的應(yīng)用，可以使林業(yè)調(diào)查規(guī)劃工作過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單。在無(wú)人機(jī)上搭載高清攝像機(jī)、光譜成像儀或激光雷達(dá)，對(duì)目標(biāo)林區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而獲取相應(yīng)的遙感影像，利用這些影像，通過(guò)無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)點(diǎn)云生產(chǎn)精確的數(shù)字高程模型（DEM）和多期數(shù)字表面模型（DSM），從而獲得得到多期森林冠層表面模型(CHM)，通過(guò)多期CHM能夠分析森林全林分高生長(zhǎng)的空間情況，可為林地資源調(diào)查提供支撐。

2.2 病蟲害監(jiān)測(cè)

在森林當(dāng)中，病蟲害對(duì)林木資源的危害性較大，若是大面積發(fā)生病蟲害，則可能導(dǎo)致樹(shù)木大量死亡。由于病蟲害的種類既多且雜，加之森林覆蓋范圍廣，憑借人力對(duì)病蟲害進(jìn)行監(jiān)測(cè)很難實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)林業(yè)發(fā)展給予了足夠的重視，林業(yè)資源不斷增多，但從總體情況看，整個(gè)林地生態(tài)系統(tǒng)仍然顯得比較脆弱，給病蟲害的發(fā)生提供了條件。為此，加大林區(qū)病蟲害監(jiān)測(cè)力度顯得尤為必要，通過(guò)監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲害的情況，可為防治方案的制定以及相關(guān)措施的選用提供依據(jù)。在林業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)中，可對(duì)UAV-RS進(jìn)行合理運(yùn)用，通過(guò)該技術(shù)能夠?qū)α謪^(qū)內(nèi)的病蟲害進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，借助相關(guān)設(shè)備，如可見(jiàn)光攝像機(jī)、多光譜和高光譜成像儀等，可實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)害蟲的監(jiān)測(cè)，并在發(fā)現(xiàn)害蟲后及時(shí)發(fā)出預(yù)警提示。比如，在無(wú)人機(jī)上搭載多波段成像傳感器，能夠?qū)驿P病進(jìn)行分析，通過(guò)相關(guān)波段，并結(jié)合植被指數(shù)數(shù)據(jù)，能夠辨別出樹(shù)木葉子是否存在梨銹病[3]。發(fā)現(xiàn)病害后，可利用無(wú)人機(jī)搭載農(nóng)藥噴施設(shè)備，對(duì)病蟲害進(jìn)行防治，降低病蟲害對(duì)林木生長(zhǎng)的影響。

2.3 林火監(jiān)測(cè)

在所有能夠?qū)ι仲Y源造成威脅的因素當(dāng)中，火災(zāi)無(wú)疑是影響程度最高的因素之一，若是森林發(fā)生火災(zāi)，則可能使其中的資源大量損失，撲救不及時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果。所以對(duì)林火進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯得尤為必要，特別是一些火災(zāi)發(fā)生概率較高的林區(qū)。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效果不佳，為提高監(jiān)測(cè)效率，可對(duì)UAV-RS進(jìn)行應(yīng)用，由此除了可以預(yù)防林火的發(fā)生之外，還能對(duì)火災(zāi)發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行探測(cè)，為災(zāi)后評(píng)估提供可靠依據(jù)。UAV-RS在林火監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用如下：

（1）探測(cè)林火

借助UAV-RS可對(duì)林區(qū)內(nèi)的火災(zāi)進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)森林內(nèi)的某個(gè)區(qū)域起火之后，利用無(wú)人機(jī)可以對(duì)起火點(diǎn)及火災(zāi)覆蓋范圍進(jìn)行有效探測(cè)，以無(wú)線通信技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示，對(duì)起火點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行傳輸，為火災(zāi)快速撲救提供依據(jù)。

（2）提取遙感圖像

UAV-RS可對(duì)空間遙感圖像進(jìn)行提取，隨后將火災(zāi)圖像轉(zhuǎn)化為顏色模型，再選取相應(yīng)的函數(shù)便可完成火災(zāi)識(shí)別。實(shí)踐表明，UAV-RS在森林火災(zāi)中的探測(cè)與識(shí)別進(jìn)度能夠達(dá)到87%以上，可對(duì)火災(zāi)進(jìn)行有效探測(cè)[4]。

（3）判斷火災(zāi)

可在無(wú)人機(jī)上搭載熱成像數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，利用視頻圖像，并配合灰度閾值，可對(duì)森林內(nèi)的火災(zāi)進(jìn)行探測(cè)，由此可以判斷出是否起火。

（4）火災(zāi)智能識(shí)別

利用UAV-RS能夠?qū)ι只馂?zāi)發(fā)生前后的圖像進(jìn)行獲取，在明確相似度閾值的基礎(chǔ)上，可將接近閾值的情況判定為火災(zāi)。由此可實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的智能化識(shí)別。不僅如此，UAV-RS還能對(duì)火災(zāi)發(fā)生后的場(chǎng)景進(jìn)行評(píng)估。

2.4 樹(shù)種識(shí)別

在森林當(dāng)中有著種類繁多的樹(shù)木，對(duì)樹(shù)種進(jìn)行有效識(shí)別是森林資源監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容之一。通常情況下，以地面觀測(cè)的方法能夠得到部分森林資源的信息，但由于觀測(cè)方法本身存在的不足，導(dǎo)致對(duì)一些樹(shù)種的特征無(wú)法進(jìn)行有效識(shí)別。比如樹(shù)種冠幅的輪廓、顏色以及紋理等，而地面觀測(cè)缺失的這些內(nèi)容，恰好是空中觀測(cè)的主要特征。由于常規(guī)的衛(wèi)星遙感在該方面的觀測(cè)中無(wú)法確保精確度，并且時(shí)間也很難保持連續(xù)，若是想要獲取分辨率較高的數(shù)據(jù)，則必須花費(fèi)高昂的代價(jià)[5]。UAV-RS的出現(xiàn)為這一問(wèn)題的解決提供了途徑，通過(guò)該技術(shù)在森林資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，可對(duì)樹(shù)種進(jìn)行有效識(shí)別。UAV-RS在樹(shù)種識(shí)別中的具體應(yīng)用如下：

以闊葉林作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，借助UAV-RS對(duì)其中的樹(shù)種進(jìn)行區(qū)分，按照多個(gè)時(shí)段進(jìn)行調(diào)查，據(jù)此對(duì)圖像時(shí)間序列進(jìn)行收集。通過(guò)對(duì)樹(shù)種的識(shí)別分類，可確定林區(qū)內(nèi)植物最佳萌動(dòng)期；在無(wú)人機(jī)上搭載光譜線機(jī)和激光雷達(dá)，對(duì)森林資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將獲取到的兩種數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)多種樹(shù)種的有效識(shí)別，這種方法比單一數(shù)據(jù)的效果更佳；依托UAV-RS數(shù)據(jù)，可對(duì)林下植被覆蓋進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)影像分割、樣本訓(xùn)練等方法，可以對(duì)林下有、無(wú)植被覆蓋進(jìn)行區(qū)分，精度在85%以上[6]。

2.5 森林生物量測(cè)定

森林是一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要能量與物質(zhì)作為支撐，而森林生物量則是森林通過(guò)長(zhǎng)期生產(chǎn)與代謝積累的成果，包括林木生物量、林下植被層生物量等，是森林資源監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，常被作為森林碳平衡評(píng)估的參數(shù)使用。可以借助UAV-RS技術(shù)，對(duì)森林生物量進(jìn)行測(cè)定，這里的森林生物量主要是指地上，不包括地下植被層。具體應(yīng)用如下：

利用UAV-RS技術(shù)，并結(jié)合相關(guān)的野外數(shù)據(jù)，可對(duì)森林資源進(jìn)行全面清查，據(jù)此能夠?qū)AV-RS在森林生物特性獲取方面的表現(xiàn)情況進(jìn)行評(píng)估。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，UAV-RS在森林生物量的獲取方面具有較為顯著的效果，可以進(jìn)行推廣使用；可應(yīng)用UAVRS對(duì)森林內(nèi)樹(shù)木的林冠面積及胸徑進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)該結(jié)果，可構(gòu)建林地生物量模型，通過(guò)該模型能夠估算出森林內(nèi)的地上生物量；使用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)，獲取森林資源的相關(guān)數(shù)據(jù)，再依托回歸模型，估測(cè)森林中的地上生物量，估測(cè)結(jié)果的精度非常高；依托UAV-RS數(shù)據(jù)，對(duì)樹(shù)冠高度模型進(jìn)行構(gòu)建，據(jù)此對(duì)森林內(nèi)單根樹(shù)木的高度進(jìn)行提取，然后利用分水嶺分割的方法，對(duì)樹(shù)木的冠幅進(jìn)行獲取，結(jié)合胸徑反演模型，可以獲得單木的胸徑尺寸，結(jié)合生物量異速生長(zhǎng)發(fā)生，便可計(jì)算出森林內(nèi)的單木生物量，這樣便可按照林木總量，估算出森林內(nèi)的總生物量。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人機(jī)遙感在森林資源監(jiān)測(cè)中具有良好的應(yīng)用效果，除了能夠用于林業(yè)調(diào)查規(guī)劃之外，還能對(duì)病蟲害、林火進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且可以識(shí)別樹(shù)種和測(cè)定森林生物量。未來(lái)應(yīng)加大對(duì)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的研究力度，從而使其更好地為森林資源監(jiān)測(cè)服務(wù)。