森林保護學專業課程中無人機教學的探索與思考

孫 思，單體江，毛子翎

（華南農業大學 林學與風景園林學院，廣州 510642）

目前，在我國的森林保護工作中，使用無人機開展調查監測已屬于常態[1]。以作者所在的廣東省為例，在調查松材線蟲病的過程中，項目承擔單位均使用了無人機。這是由森林保護調查工作的特點——面積廣大、位置偏僻及林業有害生物有一定特殊危害癥狀決定的[2-3]。無人機遙感的優勢正好對應了這些特點。

由于以上原因，基層一線的林業單位，如區縣林業局、鄉鎮林業站、林場和承擔林業項目的相關公司等，均購置了相當數量的無人機。而畢業生又大量充實到這些單位，因此在森林保護學專業的教學工作中加入無人機的內容，已經十分緊迫。

華南農業大學林學與風景園林學院2016年即在森林保護學專業的碩士研究生課程中開展了無人機教學工作，經過幾年積累后，又于2020年在森林保護學專業本科生課程中開展了無人機教學工作。作為這些課程的主講教師，本文作者在教學過程中有了一些體會和思考，主要是以下3點。

1 課程內容的編排

本課程的內容既要講解無人機的使用，又要兼顧林業有害生物的內容。因此，課程內容分為3大部分，分別是無人機的使用，林業有害生物和使用無人機調查林業有害生物的案例。

1.1 無人機的使用

第一部分具體包括以下內容：電子地圖、無人機影像拼接軟件和無人機操作介紹。

介紹電子地圖的目的是為了航線規劃。教師需要向學生說明航線規劃是無人機操作的核心內容，只有掌握了航線規劃，無人機才真正成為“無人”機；如果只是手動操作，無人機與航模無異。而航線規劃的第一步就是在電子地圖上劃定航拍范圍，教師需要在常用的電子地圖，如谷歌地圖或奧維互動地圖上講解如何尋找地點地名，劃定矢量面，并將其導入操作無人機的地面站軟件等操作。特別需要向學生說明的是，單架次無法完成大面積拍攝時，如何對矢量面進行切割的問題。解決了這一問題，就解決了很多人心中的“輕型無人機續航能力較低，不能拍攝大面積”的疑問。

對于無人機圖像拼接軟件，目前市面上的主流軟件Pix4dmapper和Photoscan等的操作都是流程化的，難度并不大。教師可選擇少量圖片示范運行一遍完整的流程，講解的重點放在軟件運行完成后生成的各類成果，主要包括數字正射模型（DOM）、數字表面模型（DSM）、數字地形模型（DTM）和三維飛行動畫等。

無人機的操作是一個無法回避的問題。目前部分單位將航拍的任務外包，但多數情況下仍然需要本單位自行操作。如果不掌握好操作，林業有害生物調查工作難以靈活機動的開展，甚至可能導致飛機出現事故。

根據作者的教學經驗，除非能達到人手1臺無人機，否則無法細致地開展操作的教學工作。因此目前采取的方法是，只花1～2個課時進行操作的示范，主要示范內容是手動控制無人機和航線規劃外業部分。讓學生了解大致流程和注意事項即可。真正要達到熟練操作無人機的水平，只有在工作中勤加練習，逐漸積累經驗。

1.2 林業有害生物

森林保護專業的學生在學習本課程前，已經學習了以森林昆蟲學和森林病理學為核心的大量有關林業有害生物的課程。而本門課程是從航拍的角度講解可在航拍圖上觀測到的林業有害生物，與其在航拍圖上的識別特征。具體內容分為2部分。

第一部分講解國外研究進展。一些林業發達的國家，如美國和加拿大等，早已普遍開展了使用有人駕駛飛機調查林業有害生物的工作，積累了大量有價值的影像資料和調查經驗，值得借鑒學習。第二部分講解廣東省的情況，例如松材線蟲病、松突圓蚧、薇甘菊、桉樹食葉害蟲和桉樹梢枯潰瘍病等。這些林業有害生物在航拍圖上各有特點，因此講解的側重點各不相同。松材線蟲病重點在講解染病松樹在不同時期顏色的變化；薇甘菊重點在講解航拍調查的窗口期——薇甘菊的花期；松突圓蚧重點在講解如何觀察分辨整片發黃，但又不至于死亡的松樹林；桉樹食葉害蟲和桉樹梢枯潰瘍病，重點在講解病蟲害如何擴展。這屬于病害流行學的內容。在以前沒有航拍技術的情況下，這部分內容研究難度大，講解難度大。現在通過航拍，不管是調查還是講解，都形象生動了許多。

國內國外的內容結合講解，既能讓學生了解到早期中國和國外的差距，又讓學生學習到現今中國由于民用無人機技術的領先，林業有害生物航拍調查的工作也隨之突飛猛進。

1.3 使用無人機調查林業有害生物的案例

講解實際案例是講解一個調查項目的全過程，包括內業和外業。具體分為：前期內業——航線規劃；外業——現場航拍；后期內業——影像處理與分析。如前文所述，航線規劃已有詳細講解，此時再融入案例的實際情況，走一遍流程即可；航拍不作為理論課的重點。因此，案例講解的重點在于影像分析。而影像分析離不開遙感圖像分析軟件和地理信息系統（GIS）這兩大類軟件，這就必須要求課程有一定的學時講解這些軟件的操作。由于這類軟件都是一個龐大的系統，所包含的內容與操作極多，因此，講解時不可能面面俱到，主要考慮與本課程的內容相結合即可。一般主要講解的是點、線、面矢量的操作與統計分析，以及出圖的技術等。

選擇案例要考慮2方面的情況，既要考慮該案例在森林保護工作中的典型性，又要考慮該案例在教學中學生的易接受性。因此，教師應按照由易到難、循序漸進的順序講解案例。例如，對于松材線蟲病導致的枯死木提取，先講解在GIS中人工打點的方法，此時不涉及遙感圖像分析軟件。在學生掌握這一基本技術后，再講解利用遙感分析提取枯死木的技術，并導入GIS統計分析并出圖。同理，對于面狀發生的病蟲害，可先講解在GIS中人工勾繪發生區域的方法，再講解利用遙感分析提取發生范圍的技術。

2 講解思路

2.1 基礎理論與應用的內容比例

無人機航拍與衛星遙感不同，衛星遙感屬于航天遙感，無人機遙感屬于航空遙感，但兩者的基本原理有很多相同點。在以衛星遙感為核心的林業遙感已經講解了大量基礎理論的前提下，無人機的課程應該盡量壓縮講解理論的比例，以只講解無人機遙感必須的知識點為宜。

例如，課程一般不再講解光譜學和坐標系的知識，而只說明圖像分析過程中涉及的紅、綠、藍及近紅外波段的知識即可。課程也不再詳細講解衛星遙感分析的關鍵知識點——NDVI植被指數，而是借NDVI植被指數過渡到無人機遙感的常用指數——可見光植被指數。課程的主要精力用于具體案例中航拍圖片的講解與分析，讓學生體會到從一個全新角度觀察平時所觀察到的樹木和林地的樂趣。

2.2 硬件（無人機）與軟件的關系

在無人機遙感工作流程中，無人機航拍只是其中一個環節。要較好地開展利用無人機調查林業有害生物的工作，還必須掌握多種軟件的使用。例如，前面已經提到的軟件就有電子地圖軟件、無人機圖像拼接軟件、遙感圖像分析軟件和地理信息系統軟件（GIS）等。這都需要一定時間的學習和積累才能熟練掌握。

許多學生對無人機都十分感興趣，有著學習的熱情。但當學生們了解到還要學習大量軟件后，又失去了熱情。這就需要教師在課程開始時，不但要講解無人機航拍的樂趣，還要強調說明軟件和硬件兩者的同等重要性。同時，教師還可以從使用軟件分析可以大大減輕外業工作量的角度，來激發學生的學習興趣。例如，使用遙感圖像分析軟件和地理信息系統軟件對航拍結果進行分析，可以輸出受害樹木的位置、面積，甚至株數等結果，而無需深入林中調查。這也向學生傳遞了林業調查工作包含了較高的技術含量，而不是一味的艱苦體力勞動。

2.3 新技術的應用

圍繞無人機遙感的相關軟硬件技術一直在日新月異地發展。從硬件來說，使用的主流輕型無人機剛開始只搭載了可見光傳感器（相機），后來又有了熱成像和多光譜（近紅外）傳感器，現在還有激光雷達和高光譜傳感器。而軟件從剛開始的常規遙感分析到現在的深度學習，成為了研究熱點。軟件和硬件的內容繁多，應以學生的接受程度和工作單位的實際需要為標準，來進行選擇性講解。

例如，對于不同的傳感器獲得的數據，除可見光為核心的講解內容外，還可加入較多的多光譜傳感器的內容。因為多光譜傳感器的主要作用是監測植物的生長勢，而各類林業有害生物導致的結果就是林木的生長勢不良。因此多光譜傳感器在林業有害生物調查監測中的作用不言而喻。高光譜傳感器也可用于林業有害生物的監測，但由于其價格昂貴，且圖像分析難度較大，在基層林業單位中較少購置這類設備。熱成像傳感器主要用于森林火災的監測，激光雷達主要用于森林培育和森林經理等方向。因此這幾類傳感器在講解時簡單介紹即可。

對于人工智能中的深度學習，目前在松材線蟲病引起的枯死松樹識別上應用十分廣泛，屬于研究熱點[4]，已有大量論文發表。而學生們對于深度學習也并不陌生，如人臉識別已經大量應用于各類生活場景中。但學生對其具體過程，特別是涉及到編程的內容，都感到陌生或無興趣。因此教師需要對學生講解示范的是，目前在許多主流軟件中，如遙感應用的核心軟件GIS，都已經融合了深度學習的功能。其過程為流程化的操作，無需編程的知識也可學習掌握。

3 發展方向

無人機遙感的興起是因為其能夠補充衛星遙感的劣勢，但不是代替衛星遙感。兩者是優勢互補的關系。隨著我國航天技術的飛速發展，發射的衛星數量和種類越來越多，衛星遙感的應用也必將得到進一步加強。早期由于分辨率所限，衛星影像上難以分辨單株樹木。近年來由于衛星影像的分辨率大幅提高，從部分高分辨率的衛星影像上已經足以分辨出單株松樹。因此一些單位已經開展了使用衛星影像調查枯死松樹的工作，國家層面也已經開展了使用衛星影像督查各地松材線蟲病防控效果的工作。

同時，授課時要說明，除個別有害植物，如薇甘菊以外，遙感調查并不能觀察到有害生物本身，而只是觀察到受害樹木及其表現出的各種癥狀。要準確鑒定有害生物的種類，必須要結合地面踏查的工作。以調查枯死松樹為例，廣東省常見的致死原因，除松材線蟲病以外，還有干旱、過度割脂和人為破壞等。這幾種原因致死的松樹在航拍圖上較為相似，通常要通過地面調查來鑒定死亡原因。因此學生必須具備地面調查的功底，如松材線蟲病常見的樹干天牛蛀屑，木質部藍變等癥狀。

只有將三者結合運用，才能在將來做好林業有害生物的調查工作。因此本文作者提出以GIS為核心，地面調查、無人機遙感、衛星遙感3種調查技術相結合的“三位一體”思路。即學生需要掌握這3種技術并熟練使用GIS軟件。課程的編排也要由現在的衛星遙感和無人機遙感各為獨立的課程，逐漸轉變為以案例為載體，地面調查、無人機遙感、衛星遙感結合使用的形式，讓學生具備能夠分析何種場景、何種林業有害生物適合何種調查方式的能力。

由于林業有害生物調查工作需求的巨大，教師可以從科研中不斷總結吸取經驗，再加上無人機相關技術的突飛猛進，實際上作者每年講授的課程都作了一些調整和改進。同時也因為本課程覆蓋的范圍不斷擴展，如已經開設了藥用植物病蟲害防治，特別是南藥的病蟲害防控，都融入了無人機遙感的內容。相信森林保護學課程中的無人機教學工作會一直處于這種不斷調整上升中，以更加適應學生和社會需求。