無人機遙感技術在自然保護地生態資源保護監測中的應用——以甘肅某地為例

張　斌

無人機遙感技術在自然保護地生態資源保護監測中的應用——以甘肅某地為例

張斌

（甘肅博峪河省級自然保護區管護中心甘肅隴南746400）

隨著科學技術的進步，無人機遙感技術已經被普遍應用在林業工作中，提高了生態資源調查與保護監測的效率和質量。文章分析了自然保護地在生態資源保護監測方面所面臨的問題，介紹了無人機遙感技術的特點，分析了其在自然保護地生態資源保護監測中應用存在的問題及優勢，以期通過解決問題、發揮優勢，推動林業不斷發展進步。

無人機；遙感技術；林業；生態資源；調查；保護監測；應用

甘肅白龍江插崗梁省級自然保護區（以下簡稱“插崗梁保護區”）地處青藏高原東北邊緣，位于甘肅省甘南藏族自治州舟曲縣境內，岷山山系北麓，迭山山系南緣，屬于長江水系嘉陵江支流的白龍江中上游，與甘肅多兒國家級自然保護區、阿夏省級自然保護區相毗鄰，構成了完整的生態系統和重要物種走廊。特別是插崗梁保護區的核心區域，屬生物多樣性富集地，森林資源豐富，是大熊貓等珍稀野生動物生活的主要廊道，人跡罕至。其因特殊的地理位置，在保護生態功能、生物多樣性以及涵養水源等方面有著重要作用。林業資源保護是我國社會經濟發展中的重要工作，對我國經濟體系穩定運行和環境保護工作的開展都具有重要影響[1-2]。在信息技術、遙感技術、智能化技術融合利用水平不斷提升的背景下，無人機遙感技術在林業資源保護與監測中所起到的作用不斷提升。基于此，文章簡要闡述無人機遙感技術概念，對其在林業資源保護與監測中的具體應用進行分析，明確無人機遙感技術在實際應用中存在的不足，并對無人機遙感技術在林業管理方面的應用前景進行分析。

插崗梁保護區的管理機構是甘肅白龍江插崗梁省級自然保護區管理局（以下簡稱“插崗梁保護局”），全局總經營面積194.1萬畝，有林地面積161.7萬畝，自然保護區面積124.7萬畝，森林蓄積量為809.3萬m3，森林覆蓋率為63.22%。主要負責環境與資源監測、自然環境和自然資源保護，自然保護區內的森林防火、林政執法、禁種鏟毒、林業有害生物防治和檢驗檢疫以及科學研究和宣傳教育等工作。目前保護區內現代化科技輔助設備應用相對滯后，仍以人力巡護為主，現有海康UAV-MX10B無人機 2架，已在禁毒、防火等實際工作中發揮出了積極作用。

1 自然保護地在生態資源保護監測方面所面臨的問題

1.1 地理條件惡劣

插崗梁保護區屬西秦嶺構造帶陸地地貌中的中、高山地貌類型，西北高，東南低，海拔在1 700 m～4 504 m，相對高度差2 804 m。保護區內重巒疊嶂、溝壑縱橫、植被茂密、地形復雜，部分地段巖石裸露、斷崖林立、山溝狹窄、水流湍急，有些地方僅靠汽車和人力根本無法到達。

1.2 巡護難度大、效率低

插崗梁保護局人均管護面積達3 500畝，且大多數地域為山地和叢林，日常巡護難度非常大。有些林班距離駐地達30余km，巡護隊伍全程基本上只能靠步行，往返一趟有時需要2 d～3 d，巡護人員常常超負荷工作，體力消耗快，中途補給困難，巡護效率低，周期長。

1.3 人力巡護存在安全風險

巡護安全風險主要表現在巡護途中如遇暴雨、雷雨等惡劣天氣，遭遇小范圍洪水、泥石流、塌方、落石和落雷風險就較大，會給巡護人員帶來安全隱患。隨著對自然保護地保護措施的不斷更新和保護力度的不斷加大，保護成效日漸凸顯，保護地內亞洲黑熊、狼等野生肉食動物族群增加，日常巡護中巡護人員遭遇野生肉食動物攻擊的風險也日漸增大[3-4]。

1.4 人力巡護不適宜在自然保護地核心區開展

中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《關于在國土空間規劃中統籌劃定落實三條控制線的指導意見》指出：“生態保護紅線內，自然保護地核心保護區原則上禁止人為活動”。巡護工作雖然在自然保護地保護工作中起著關鍵性作用，但或多或少也會給自然保護地尤其是核心保護區的生態環境帶來一定的外在影響，有違國家劃定生態保護紅線的初衷。

1.5 森林防火面臨諸多挑戰

縱觀近年來國內外防火形勢，森林火災范圍大、勢頭猛，澳大利亞和美國相繼爆發超大規模森林火災，人民群眾生命財產安全和全球生態安全遭遇到有史以來最嚴厲的考驗。四川涼山州連續兩年發生森林火災的慘痛教訓，令人扼腕嘆息，痛定思痛，深究其根本原因還是由于發火點的位置難以及時掌控，等發現火災時，火場已形成規模，大火已無法控制。以往在開展林業監測工作時，會在原有調查資料的基礎上，進行室內判讀工作，再根據調查需求進行實地調查。然而，受森林內部地形和環境的影響，調查人員無法準確獲知森林實際情況，衛星遙感技術雖然可以幫助調查人員解決這一問題，但其受天氣影響較大，導致拍攝的圖片分辨率較低，不能真實反饋森林情況。因此，調查人員可以根據實際調查需求，合理使用無人機，借助無人機在復雜的森林內展開對地形和環境情況的調查，可以在無人機上裝載高清攝像設備，在較短時間內進行森林圖片的拍攝，為調查人員進行森林實際勘查提供精確的圖片信息，不但保證了森林信息獲取的準確性，而且提升了森林調查的工作效率，保證了調查人員的安全，在提高森林資源各種數據的精確度、各類小班區劃的準確性等方面都具有重要作用，為科學經營森林資源提供了依據，為林業發展和生態建設的科學決策提供了更精準的數據支持。

2 無人機遙感技術的特點

隨著無人機在各行各業的持續應用，各行業根據自身使用需求，不斷對無人機遙感技術進行完善，促進了無人機遙感技術的多元化應用與發展。無人機遙感技術具有以下特點：一是采集的影像分辨率高。相比衛星遙感技術，無人機遙感技術受外部因素的影響較小，在影像采集過程中實現了高分辨率，為各行業進行監測、治理提供了重要依據。二是智能化程度高。無人機借助無線遙感技術和程序控制裝置進行操作和應用，實現了操作運行自主化，有助于工作效率的提升。三是運行性能穩定[5]。無人機具有良好的環境適應性，氣壓、高度、風力等外界因素對無人機的影響較小，在協助各行業開展工作的過程中，主要是借助其穩定性的特點，滿足各行業的使用需求，為各行業工作的開展提供便利條件。因此，無人機遙感技術在林業中的應用，為林業資源調查、林業管理、林業防火和林業病蟲害防治工作的開展提供了重要幫助。

3 無人機遙感技術在自然保護地生態資源保護監測中應用存在的問題

3.1 續航時間短，抗風能力差

小型無人機普遍存在續航時間短、抗風能力差的問題，這也是小型無人機不能在高海拔地區推廣的主要原因之一，高海拔地區頻繁變換的小氣候，以及山體間空氣流動產生的渦流，對小型無人機來說是致命的，基本不具備飛行所需條件。目前市面上大部分小型無人機續航時間僅有20 min～30 min，抗風能力僅為3～5級，在高海拔地區使用時必須是晴朗且無風的天氣，還需要攜帶多組電池以備不時之需，同時，無人機包裝箱巨大、沉重，只能依靠人力背運到指定地點，使用條件苛刻、制約因素多是致使小型無人機不能在高海拔地區推廣的另一個重要原因。但就筆者目前了解的情況來看，此類問題并不能制約無人機技術在高海拔地區的普及和應用，有部分燃油動力無人機續航時間可達到5 h～8 h，甲醇電池動力無人機續航時間可達到12 h。同時，這些無人機的抗風能力可以達到6～8級，在晴天和正常風速的情況下，能夠完全滿足高海拔地區的巡航需要。

3.2 數據同步差，無線信號傳輸存在盲點

無人機監測到數據后，需要實時傳輸到地面工作站，地面站與無人機之間的數據傳輸是通過數據鏈實現的，同時還具備遙控、遙測和跟蹤定位的功能。在4G網絡時代，這類問題解決起來的確比較困難，但隨著我國5G技術的普及應用，數據傳輸將會有質的飛躍，H.265以及5G技術的出現，不但可以實現無人機的遠程精細操控、飛行數據安全保障、數據傳輸更快捷等，而且賦予無人機更多的應用空間和發展前景。高海拔林區由于人煙稀少，很多地方存在死角和盲區，無法做到通信網絡信號全覆蓋，但是隨著我國北斗衛星民用波段的啟用，無人機完全可以采用北斗衛星導航+光伏中繼站組網的模式實現作業區無線信號全覆蓋[6]。

3.3 無人機資金投入問題和專業技術人員培養問題

在技術上，無人機監測設備正在向小型化、輕型化、集成化發展，在不久的將來，隨著無人機技術的普及和應用，無人機在價格方面將會持續下降至合理區間。與此同時，無人機將變得更加智能化、專業化，但在操作使用和后臺軟件應用方面將更簡捷化、人性化。目前我國有多家無人機駕駛培訓機構，技術人員只需要一個月的時間就可以掌握無人機駕駛技能，取得相應機構頒發的無人機駕駛許可證書。在對技術人員進行短時間的后臺數據處理軟件培訓后，相關人員能夠較為快速地掌握相應的操作和使用技能。

4 無人機遙感技術在自然保護地生態資源保護監測中應用的優勢

4.1 利用無人機開展巡護更加便捷

無人機具有操作簡便、體積小、機動性強等優點，在茂林深處、懸崖崖頂等人跡罕至的區域，無人機速度快、機動性強的優點越發凸顯，在這些地方開展人力巡護往往要動用大量人力，進行拉網式排查或巡回式復查，尤其是高海拔地區，空氣中氧氣含量較低，巡護人員血氧不足更容易消耗大量的體力，同時，林內視線較差，肉眼難以發現被樹林、竹林遮擋的區域。使用無人機中低空飛行巡護，不僅不需要出動大量的人力，同時還會比人力巡護的效果更好，效率更高。如無人機搭載的光電吊艙具有紅外線測溫、測距、風速風向測定等功能，在群山深處、茂林之間可迅速捕獲森林火災發火點位置，獲取火焰溫度、過火面積、地理坐標等信息，通過后臺處理軟件對火場數據進行詳細分析，可準確測算火災蔓延方向和速度，為防火指揮贏得寶貴時間。一些無人機還具有預定航線設定功能，可提前設定航線和飛行高度，在目標區域上方進行巡回飛行，在完成飛行任務后，無人機還可以自動返航至起飛點，具有用時少、周期短、精準度高、數據采集快等優點。這類無人機只需要設置好安全飛行高度，并在制高點設立幾個信號中繼站，就可以實現無線信號互傳、無人機自主飛行，同時還可以避免高海拔地區山體間的不規則擾流對無人機的干擾，以及在茂林中因視線不好，引起誤操作造成無人機墜落[7-8]。

4.2 利用無人機獲取信息更加精準

無人機搭載的數據傳輸設備可在野外與飛行器駕駛員進行交互，按飛行器駕駛員發布的指令獲取目標信息，同時還能實現地位坐標定位、目標鎖定的功能，將采集到的影像、照片實時傳送至飛行器駕駛員。搭載熱成像設備的無人機，在可視范圍內能準確識別發熱源，只需要通過對拍攝圖像進行比對分析，就可以準確找出隱藏在群山之中和茂林深處的野生動物和人，通過色溫分析，還可以了解到動物熱源體是健康、患病還是瀕死狀態。這類無人機可用于自然保護地內禽類、哺乳類野生動物活動情況和生活環境調查，也可以用于調查自然保護地內人類活動情況。近幾年以CMOS為代表的圖像傳感器日漸成熟，使高分辨率的數碼相機成為無人機在保護監測中的重要武器。而隨著傳感器不斷向大面陣、多光譜、數字化方向發展，可有效提升航拍精度。搭載高清攝像頭的無人機，可清晰拍攝出可視區域內的所有目標，也可以通過放大功能拍攝到目標細節，這類無人機可用于目標區域調查、可疑目標偵察、第一現場定位等。無人機相配套的后臺數據處理軟件可以對拍攝的高清照片進行大數據分析，可以方便地繪制出航線圖、林相圖、地形圖等，其中光譜分析軟件可以有效甄別毒品原植物，也可用于甄別野生珍稀植物、林分調查、病蟲害監測等。

4.3 利用無人機可以更好地監測生態環境

無人機可以在空中立體飛行，擁有絕佳的監測視角。通過無人機的巡查可以獲得宏觀的監測數據，同時后臺可實時拼接無人機影像，形成直觀的正射圖，便于發現異常情況。針對環境監測的不同需求，需要不同的機載環境監測傳感器，如面向水環境、大氣環境監測的各種熱紅外成像儀、輕型紅外航掃儀、紅外掃描儀、微波輻射計等，以及粒子探測儀、差分吸收光譜探測系統、電化學類氣體監測設備等等，選擇類型多樣，可滿足各種不同的需求，也可以通過無人機供貨商的個性化定制，使之更貼合實際工作需求。尤其是在高海拔地區利用無人機系統，可以對目標區域進行全天候、高頻次的環境及資源監測，從而更好地維護好保護區的自然生態環境[9]。

雖然從目前來看，我國無人機在環境監測領域的應用尚處于初期階段，很多監測傳感器有待于進一步開發，一些新型實用功能也有待進一步完善，但我國已經提出了建立一體化環境監測網絡體系的構想，提高數據分析自動化將成為無人機在環境監測領域應用的重要方向，實現無人機在多個環境監測領域的自主應用已不再是發展難題。以無人機技術和“森林眼”為基礎構建的全自動環境及資源監測系統，可有效加快高海拔地區的現代化建設進程，更好地推進自然保護地生態資源的監測、保護及利用。

5 結語

無人機遙感技術的快速發展給林業工作人員開展自然保護地生態資源調查與保護監測工作提供了極大的便利，可大幅提高工作的效率和質量，同時在保護森林生態資源方面也將發揮很大的作用，其借助高清晰度的影像拍攝以及實時監測，使資源信息的準確性得到大幅提升。然而，當前在生態資源調查與保護監測工作中，無人機遙感技術的應用還有很大的不足，有關人員必須要結合工作實際進一步加強研究，提高無人機遙感技術的應用水平，更加高效地開展資源調查與保護監測工作，為林業的持續健康發展奠定良好的基礎。

[1]榮澤山,王愛博.無人機遙感技術與GIS數據處理在林業系統中的應用[J].吉林農業,2019(17):100.

[2]林陽.無人機遙感技術在林業資源調查與監測中的運用[J].林業科技情報,2019,51(3):28-30,33.

[3]臧進勇.無人機遙感技術在林業中的應用[J].農家參謀,2019(10):130.

[4]尤俊榮.無人機遙感技術在林業資源調查與監測中的應用[J].現代園藝,2020,43(10):109-110.

[5]地力夏提·包爾漢.無人機遙感技術在林業資源調查與監測中的應用[J].廣東蠶業,2021,55(5):111-112.

[6]聶麗.無人機遙感技術與ArcGIS數據處理在林業系統中的運用[J].南方農業,2021,15(26):43-45.

[7]東國玲.無人機遙感技術在林場管理中的應用[J].廣東蠶業,2020,54(6):77-78.

[8]徐炳龍.淺談無人機技術在林業調查工作中的應用[J].南方農業,2020,14(18):71-72.

[9]李志美.無人機在林業調查中的應用探索[J].綠色科技,2018(21):153-154.

10.3969/j.issn.2095-1205.2022.01.48

S779

A

2095-1205(2022)01-142-03

張斌（1977- ），男，漢族，甘肅鎮原人，本科，林業助理工程師，研究方向為林業技術。