無人機在森林資源管理中的應用

符長青

森林作為陸地生態系統的主體，除了提供人類生存發展所須的原材料外，在緩解全球氣候變化，保護區域生態環境及全球碳平衡等方面發揮著不可替代的作用。然而，傳統的森林資源管理存在管理水平低、技術手段落后、人力成本高等諸多問題。近年來，隨著技術的快速發展，無人機迅速運用到林業領域，為森林資源管理注入了新的活力，對推動現代林業、智慧林業和精準林業的建設和發展具有重要意義。

林業無人機的定義

隨著無人機技術，特別是動力、復合材料、通信、飛行控制、導航和移動通信等新技術的快速發展，民用無人機性能大幅提升，任務載荷功能不斷擴展。民用無人機擁有視角廣闊、視頻實時傳輸、操控靈活、機動性高、成本低等特點，可按照作業要求，執行多種任務，而專用于森林資源管理的無人機稱為林業無人機。

林業無人機具有重量輕、自動化水平高、安全性好，機動性高、無人員傷亡、成本低等多種優勢，可以在森林（林區）中快速接近目標，高效完成信息獲取、數據回傳、森林消防等工作。

林業無人機屬于航空護林裝備的范疇。航空護林是森林資源管理工作的重要組成部分，在森林資源保護、生態平衡維持中發揮了重要作用。航空護林通常采用有人機（飛機、直升機）和無人機兩大類裝備。航空護林的發展水平體現了一個國家林業發展水平的高低，受到世界各國的高度重視。林業無人機的獨特優勢和我國對民用無人機發展的高度重視，為我國大力發展航空護林技術，追趕世界先進水平提供了一條新的快捷路徑。

森林資源管理通常采用衛星遙感、人工實地監測、固定點監測等傳統方法，但這些傳統方法普遍存在運行成本高、操作靈活性低、實時性不佳等缺點，無法滿足森林資源管理工作的實際需求。林業無人機對森林資源進行監測，是提升林業信息化和精準化水平的重要方向，也是實現精準森林資源管理目標的有效途徑。相較傳統森林資源監測方法，林業無人機不受地面道路的限制，快速飛抵目的地上空，實時準確地獲取多時相、高分辨率影像數據，提升森林資源管理的自動化、智能化水平，滿足智慧林業建設的需求。

林業無人機的應用領域

無人機非常適合在林區、山區等復雜地形下開展作業，為改善森林資源管理的工作條件，提高工作效率，加快林業現代化發展帶來了契機。林業無人機搭載多種信息采集設備，結合5G移動無線通信技術，可高效完成特征目標信息采集工作，獲取森林資源的多層級數據，而這些數據將應用于森林資源管理的各個領域。

森林資源調查

森林資源調查是實現森林資源有效管理與森林資源可持續利用的重要前提。及時、準確的森林資源信息有利于相關管理部門更好地進行決策，提高森林資源管理水平，并不斷推動森林資源管理的可持續發展。

我國國家林業和草原局從2003年開始，在全國范圍內采用SPOT5等高分辨率衛星數據進行森林資源調查，掀起了衛星遙感森林資源調查的熱潮。目前，各地在一類調查工作中已普遍采用衛星數據與地面人工調查數據相結合的方法，取得了較好效果。但是，這種方法有許多缺點，一是衛星容易受天氣和云層影響，遙感圖像分辨率低，而且數據更新周期長，使用成本高；二是衛星只適合大尺度的森林蓄積量（森林蓄積量是指一定森林面積上存在的林木樹干部分的總材積）調查，而對于小尺度的蓄積量調查，其測量精度不高。

在森林區劃調查中，小班區劃調查受益于林業無人機遙感技術良好的集成性和適用性，識別精度及錯判率均能滿足需求，克服了人工林地評估時間長、受環境條件影響大等缺點，可有效彌補衛星影像分辨率低、精度不高和時效性差等缺點，極大降低了成本，減少了基層工作量，并能有效提高資源調查的效率和質量。因此，林業無人機開展森林資源調查已越來越成為相關部門的主流選擇方案。

森林巡查

林業無人機開展森林巡查作業，即利用通信、傳感器、飛行控制等技術對大范圍森林生態系統的狀態、環境進行實時監測。林業無人機進行森林巡查的優點是，投資小、成本低、自動化程度高、安全性好，具有明顯的技術優勢，可大大提升森林巡查的效率，其他任何技術手段無法比擬。

傳統森林巡查主要由護林員定期地沿特定路線觀測森林和記錄數據。由于林區缺少道路且環境復雜，人工須要1～2天才能完成10km巡查，蜿蜒的山路及茂密的林木對護林員視線造成了遮擋。這種人工巡查方法不僅工作量、勞動強度大、效率低、局限性大，而且無法及時發現問題，難以保證森林巡查的質量。

與傳統人工巡查相比，林業無人機可自動生成巡查航線，搭載可見光攝像機在預定區域對森林資源進行日常巡查，獲取森林資源信息，將視頻實時傳輸給地面指揮中心，為指揮中心的決策工作提供支持。無人機獲取的林區全方位信息后期經拼圖后，可測算林區面積。

林業無人機具有快速響應能力，可大幅提高林業執法部門的工作效率。例如，盜伐林木案件一旦發生，林業無人機在空中對被盜伐的林木進行航拍，精確獲取盜伐濫伐林區的面積、株樹，加強對非法采伐的監視。對于林地違法征占、毀林開荒等案件，相關部門利用林業無人機，快速獲取案發區域的影像，確定森林受損的地點并分析受損程度，以便及時對林地征占、毀林開荒等行為進行處置。

森林病蟲害防治

森林病蟲害的種類非常多，不同的病蟲害造成的損壞部位也各不相同，有的是樹干，有的則是樹根。被損部位以及損害方式都會對林木生長造成嚴重的危害，林木的外貌會因此發生很大的變化，例如葉片變得枯黃，嚴重的危害甚至會導致林木枯死。近年來，我國森林病蟲害呈現危害程度增強、危害面積增加的趨勢，一方面大面積森林病蟲害每年發生，造成成片樹木死亡，經濟損失巨大，危害極為嚴重；另一方面，傳統人工巡查方法難以應對大面積森林病蟲害，存在效率低、成本高、勞動強度大等缺點。

林業無人機用于森林病蟲害防治，首先監測森林病蟲害發生的情況，并選用有效的殺蟲藥物；然后，無人機在空中噴灑藥物，達到消滅森林病蟲害的目的。無人機噴灑藥物，解決了人工投放殺蟲藥物不均、高山陡峭地無法投放等難題，能大幅度提高森林病蟲害防治和減災效率。

無人機遙感技術應用于森林病蟲害監測，具有監測面積廣、實時、客觀、高效等優點，可有效降低成本，全面獲取森林受災的整體情況。相關部門利用無人機遙感信息，提出更為快速有效的應對措施，進而減小病蟲害對森林資源的損害。

野生動植物保護

森林生態系統是多種生物群落及非生物環境形成的動態系統。其中，野生動植物不斷繁殖和生長，構成了復雜的生物群落結構。野生植物給微生物提供了棲息之地，具有防止水土流失、改善生態環境等作用；很多野生動物都是害蟲的天敵，可維持自然生態平衡。森林生態系統的健康狀況直接影響了動植物數量變動和結構平衡，野生動植物數量的增減顯示了森林系統狀況的好壞。例如，野生動植物的健康狀況下降，會導致生物質量下降，進而減少物種數量，導致野生動植物數量不斷減少；森林生態系統的健康狀況下降，容易導致某些稀有物種生病死亡，進而減少野生動植物的數量，甚至引起各種較為脆弱的野生動植物滅絕。

森林生態系統面臨的威脅主要來自人類對資源的不合理應用，人類的干擾活動會引起森林變化，影響森林生態系統的健康。因此，為維持森林生態系統的自然平衡，人類必須遵循自然規律，首先重視林木生長與發育，讓森林生態系統向健康、穩定的方向發展。因此，野生動植物監測、識別與保護是森林持續發展的基礎，意義特別重大。我國早已立法保護有益或者有重要經濟、科學研究價值的野生動植物，任何非法采伐、獵捕、走私、收購、運輸、出售珍貴瀕危野生動植物的重大案件，都要受到法律嚴懲。

林業無人機應用于野生動植物保護，首先在空中監視森林野生動植物的狀況，實時監測野生動植物的空間位置和動態，實時傳輸數據信息，提高野生動植物資源監測、管理、保護和利用水平；其次，為保護野生動植物，無人機在空中進行大面積搜索，不受地形和視野限制，不易引起所監視目標的注意，機載監視設備可實時提供穩定、高分辨率視頻。森林管理部門借助無人機回傳的信息，一旦發現非法采伐獵捕野生動植物的犯罪份子，將第一時間派出森林警察前往事發地區展開抓捕行動。與地面警力相比，林業無人機可快速尋找、識別目標，并精準定位犯罪嫌疑人的位置，具有成本低、效率高、效果好等明顯優勢。

精準林業

精準林業是一種基于知識的林業技術系統，旨在有效利用森林生態資源，實時評估研究對象的工作質量、數量和時間數據等內容。精準林業的主要工作包括樹木長勢、病害和蟲害的發生趨勢進行分析模擬，針對林木生長環境和生長條件的時空差異性，生成直方圖，為各林班施肥噴藥提供方案，以及對精準林業的實施效果、經濟效益進行評估。

森林質量的定義是，森林在生態、社會和經濟效益方面所發揮的功能與貢獻的價值總和。森林質量提升是一個基于具體林分特點、預期實現的功能和目標，實現精準化經營方案和措施，綜合提升森林生態、社會和經濟效益的過程。

森林經營是實現森林質量精準提升的過程和手段，森林質量精準提升是森林經營的目標和結果。精準林業可量化影響樹木長勢的因素，最終生成空間差異性信息，實施可變量投入，達到低成本、低消耗、高效率、良好環保等目標。

精準林業依賴于地球空間信息基礎理論及其他高新科學技術的發展而建立，主要以3S技術、信息技術、無人機技術、智能化決策技術、可變量控制技術等為技術支撐體系，以生態學、造林學、工程學、系統學、控制學、測繪學為指導，在自動化、智能化、一體化、時效性、準確性、可靠性等方面滿足人們的需要。它能優化資源，保護環境，實現林業的可持續發展，實際上這也是社會經濟發展的基本戰略目標。在精準林業系統建立的過程中，林業無人機作為最有效的森林生態系統調查、巡查手段，已充分顯示出無法比擬的優越性，有效彌補衛星影像存在的分辨率低、精度不高和時效性差等缺點。

飛播造林

飛播造林是指飛機在林區播種，對大面積宜林荒山進行綠化。天然飛籽成林具有速度快、效率高、省勞力、質量好的優勢，而對于大面積荒山荒坡地域，飛播造林具有良好的效果。例如，在陜北黃土高原等人煙稀少、交通不便的地區，飛播造林已成為荒山綠化、生態平衡調節的重要手段。但是，傳統有人機實施飛播造林，受限于天氣、地形等因素，不能按照飛播區域的地形部位、坡向、植被類型等實施精準播種，而且種子消耗量大、幼苗成活率低。林業無人機具有機動靈活、安全方便等特點，非常適用于較為分散的小區域播種，能有效彌補傳統有人機飛播造林作業的不足。

在森林遭遇火災后，大片森林中往往會出現面積不一、被林火燒毀的過火區。當森林火災被撲滅后，過火區須要及時補種樹木。林業無人機集群在這些分散的過火區塊進行補種，是一種速度最快、成本最低的補種方法。

如果傳統有人機對這些零散分布、不規則的區塊實施飛播造林，不僅成本高、效率低，而且效果差。例如，2020年夏秋兩季，美國遭遇了罕見森林大火，其中加利福尼亞州超過16000km2的森林被野火燒毀。野火被撲滅后，林業部門為趕在多雨季來臨之前播種，采用大規模無人機集群及時補種，大幅提高了樹木種子的發芽率和幼苗成活率，效果極佳，其他各州借鑒了這一成功經驗。2021年，美國聯邦航空管理局批準無人機集群可在亞利桑那州、科羅拉多州、蒙大拿州、新墨西哥州和內華達州開展樹木再植作業。

林區應急救援

近年來，極端氣候頻發，自然災害及次生災害造成的突發性危害呈現加重加大的趨勢。例如，國內數量眾多的國家森林公園，風景秀麗、得天獨厚的人文和自然資源，每年吸引著大量游客，伴隨而來的是，各類非法穿越行為屢禁不止，野外遇險事件時有發生，林區應急救援工作面臨嚴峻且復雜的新形勢。林業無人機使用成本低、受天氣影響小，能快速起飛并回傳實時影像，為應急搜救工作提供有力支持，極大提升了林區突發事件處置能力和應急管理水平。

森林郁閉度估測

森林郁閉度是指森林中喬木樹冠遮蔽地面的程度，是評價森林資源質量的重要指標。獲取郁閉度的傳統方法包括目測法、樣點法、樣線法等，但勞動強度大、成本高、誤差大，不適合大范圍或大尺度林區的郁閉度測量。雖然衛星影像應用可以估測大面積林區的郁閉度，但由于受空間分辨率的影響，提取的郁閉度信息精度不高。相較而言，林業無人機獲取的遙感影像分辨率高，提取的森林郁閉度信息更加準確可靠，成本低、誤差小，其他估測方法無法比擬。

營造林核查

營造林核查是林業部門森林資源管理的日常工作。由于營造林普遍面積較大，檢查采用人工目視的方法，工作強度大且難于全面檢查到位。相較而言，林業部門利用林業無人機獲取影像，并分析影像，算出造林面積、株數，再統計死亡株數和總株數，得出成活率和保存率，不僅能降低工作強度，而且大幅提高了工作效率和工作質量。

林業執法

林業執法是保護森林資源的強有力措施之一，也是林業無人機的另一個重要應用場景。如今，野外林場被亂砍濫伐，林地違法征占、毀林開墾、野生動植物盜伐盜獵與非法貿易等違法犯罪行為時有發生。如何及時發現破壞森林資源的違法行為并有效取證，是林業管理部門亟須解決的問題。傳統實地執法是森林資源管理人員在林間進行執法，缺點是有效覆蓋范圍小，人力成本高，難以在接近性較差的林間環境中開展執法作業。同時，野外復雜惡劣的實際環境容易給執法人員帶來傷害。為了彌補傳統執法手段的不足，林業管理部門應用林業無人機對林區環境進行動態監視，實時掌握林地的使用情況，并及時制止違法行為。在林業執法過程中，突發事件往往具有不確定性，如果執法工作人員在處置過程中不能使用正常的宣傳工具與群眾溝通，可通過林業無人機搭載的空中喊話器、高分貝喇叭對現場人員進行空中喊話，傳遞政府領導者的講話和正確的輿論導向，以及表達林業執法意圖。林業無人機可參與土地執法檢查、土地管理動態巡查、違法土地案件整改、耕地保護等工作，降低了執法人員的工作強度，極大提升了執法工作效率，已成為林業執法工作的主流裝備之一。

森林消防滅火

與傳統森林消防滅火方式相比，森林消防無人機機上無人，執行消防滅火任務時，無須考慮機上人員的生命安全，不必考慮任務的危險性。如果森林滅火采用消防無人機，消防人員遠程操控無人機作業，可遠離高危區域，有效避免或減小森林大火對消防人員的傷害。另外，消防無人機能及時發現和報告火情。

森林消防無人機搭載不同的任務載荷，承擔空中巡查、火情偵察、火場監視、空中指揮與調度、空中灑水或化學滅火劑（含阻燃劑）拋灑、防火隔離帶開設、防火線點燒、人工降雨、火場應急救援、滅火物資運送、后勤物質補給、防火傳單和其他宣傳品空投、“移動航站"前方指揮保障、火場信息采集等多種消防任務。當森林發生火災時，消防無人機集群可輪番對著火區域投擲滅火彈或噴射滅火干粉，取得快速滅火的效果。 ■