無人機遙感技術在洮河自然保護區林業資源調查與監測中的應用

何春風

摘 要 隨著信息技術、遙感與智能化的融合與進步，無人機遙感技術在森林資源的研究與跟蹤中扮演著越來越重要的角色。為揭示無人機遙感技術給現代林業調查與監測帶來的變革與機遇，給相關領域的進一步研究與應用提供參考。簡要論述了無人機遙感技術的定義及其在林業調查中所展現的優勢，基于洮河國家級自然保護區的實際情況，從林業調查規劃、林木病蟲害監測、火災預防與檢測、林木參數提取與分析等角度剖析林業資源調查與監測工作中無人機遙感技術的實際應用。

關鍵詞 無人機遙感技術；林業資源；調查與監測；洮河國家級自然保護區

中圖分類號：S771.8 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.24.032

林業資源，作為地球生態系統的重要組成部分，既承擔著維持生物多樣性、調節氣候和水文循環等生態功能，又為人類提供了眾多經濟效益[1]。對林業資源的精準調查與監測是科研和政策制定中的重要議題。遙感技術，作為一種能夠在宏觀尺度上對地表特征進行非接觸性觀測的方法，其在林業資源調查與監測中的潛力逐漸得到了廣泛關注。而無人機（Unmanned Aerial Vehicle Drones，UAV），作為一種靈活、低成本、高效率的觀測工具，其與遙感技術的結合，無疑大大拓寬了林業資源調查與監測的可能性[2]。本文從理論與實際應用的角度，以洮河國家級自然保護區（以下簡稱洮河保護區）為例，探討無人機遙感技術在林業資源調查與監測中的具體應用，為我國林業資源的可持續管理探尋一種更加高效、精確的方法。

1 無人機遙感技術概述

遙感技術，融合了計算機、數學與地球科學等領域的知識，為科研和實際應用提供了先進的探測手段。目前，此技術已從初期的航空光學攝影進化到利用各種平臺和傳感器進行衛星探測，尤其是具有多個平臺和高分辨率的高光譜遙感，可以捕捉多個波段的光譜信息，從而為可見光到遠紅外的各種波段提供精確的數據。鑒于其對大范圍目標的高信息捕獲能力及優越的空間和時間分辨率，遙感技術在我國的資源勘查、城市規劃和災害預警等領域得到廣泛應用。

無人機遙感技術結合了無人機的飛行能力與遙感設備的數據采集特性，主要由地面控制站和飛行無人機組成。地面控制站不僅負責確定飛行路徑、監控飛行進展，并接收數據，還能實時控制無人機的行為[3]。林業資源調查與監測中，調查人員利用無人機遙感技術，可以基于實際的調查需求，預先規劃無人機的飛行軌跡與高度，依托于全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）、載波相位差分技術（Real Time Kinematic，RTK）實現立體測圖，進一步增強測繪的精度和完整性。同時，結合ERDAS IMAGINE、Post Flight Terra 3D等工具，保護區地面站可以將獲得的圖像迅速轉換為數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和數字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）的數據格式。相對于衛星遙感，無人機能夠提供更高的精確度（可達0.1 m），使工作人員更精確地了解林區的樹木數量、生長情況和病蟲害情況等。

2 林業資源調查與監測中無人機遙感技術的具體應用

2.1 林業調查規劃

洮河保護區總面積達287 760.00 hm2，其中林地面積為261 483.12 hm2，占土地總面積的91.4%。非林地面積為26 276.88 hm2，占土地總面積的8.6%，森林覆蓋率為44.4%，林地綠化率為71.33%。洮河保護區內動植物資源豐富，共有高等植物1 302種，國家重點野生保護植物31種，野生動物26目59科275種，有國家重點保護野生動物60種，其中國家Ⅰ級保護動物15種，國家Ⅱ級保護動物45種；列入國家保護的有益的或者有重要經濟、科學研究價值的陸生野生動物名錄的動物達115種。開展林業調查規劃工作對于制訂合理的林業發展計劃、維護生態多樣性，保護瀕危物種和珍稀植物等均具有重要的作用。

洮河保護區林業資源調查的主要對象是森林及其相關的生態系統，包括樹木、植被、土壤、野生動植物和水源等。此項工作要求工作人員進行廣泛而多樣的數據采集，利用高時空分辨率信息，追求實時或近實時的數據反饋。無人機遙感技術能夠在短時間內覆蓋廣大區域，獲取高分辨率和多時相的數據，從而為林業資源的詳盡評估和快速決策提供強大的技術支持。在林業調查規劃中，無人機遙感技術的具體應用體現在以下3個關鍵環節。

1）為了確保無人機遙感技術的有效應用，飛行計劃的仔細規劃和選擇適當的飛行路徑、高度及時間非常重要，直接影響數據采集的質量和效率。因此，無人機飛行前，工作人員應根據調查目標和地形特點，制訂飛行計劃，選擇合適的飛行路徑、高度和時間。確保無人機遙感技術的應用在林業調查中能夠充分發揮作用，提供高質量、高效率的數據，以便進行后續的分析和決策制定。2）傳感器的選擇。無人機應搭載多種傳感器，以捕捉不同類型的數據。除了傳統的RGB攝像頭，洮河保護區的人員在無人機上配備近紅外、熱紅外和多光譜攝像頭，以便全面捕獲林木生長狀態、水分含量等深層信息。3）數據驗證和校準。為確保所收集數據的準確性，調查人員采用ERDAS IMAGINE或Post Flight Terra 3D等專業的遙感軟件進行圖像處理，包括圖像拼接、校正和生成DEM或數字表面模型（digital surface model，DSM），以助力林業人員深入分析森林的結構、密度和其他關鍵生態參數。此外，無人機遙感技術還在林地年度變更工作中發揮著不可或缺的作用，基于“一張圖”的林地資源，能夠實時并精確地更新洮河保護區內的造林、采伐、征占用、自然災害發生情況等信息，確保林業數據的權威性和準確性，進而為洮河保護區內的林業調查規劃及動態監管工作提供有力支撐。

2.2 林木病蟲害監測

洮河保護區內林木病蟲害監測工作需要具有廣泛性、實時性和精確性等特點。無人機遙感技術可以覆蓋大面積的監測，提供快速的數據收集，并配合多光譜攝像頭等先進傳感器，準確地檢測和分類病蟲害，為森林管理者提供及時、準確的決策支持。

洮河保護區林業調查人員開展林木病蟲害監測工作時，基于無人機遙感技術，綜合考慮地形、樹種分布及歷史病蟲害數據進行目標區域的預評估，為無人機的任務規劃提供依據。然后，根據預評估結果，選擇特定波段的傳感器，如近紅外（Near Infrared，NIR）、紅外（infrared ray，IR）或短波紅外[short-wave （length） infrared （band），SWIR]相機，用于捕捉與病蟲害相關的植被指數變化，如歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）的異常波動。對于地形復雜的區域，調查人員利用LiDAR技術獲取高精度的點云數據，生成精細的DEM，用于規劃仿地飛行路徑，為后續分析病蟲害的分布情況提供立體背景。數據采集完成后，使用ERDAS IMAGINE或ENVI等高級遙感圖像處理軟件，對多時相、多波段的數據進行融合、分類和解譯，識別可能存在的病蟲害跡象和受害區域；采用專用的算法如隨機森林、支持向量機等機器學習方法，自動識別和區分各類病蟲害特征，提高數據處理的效率和準確性。此外，針對病蟲害擴散的緊急情況，工作人員應利用無人機進行實時監測，并與智能噴霧系統聯動，基于精細的DEM數據，根據洮河保護區內不同區域的受害程度采取差異化的噴灑策略，確保在復雜地形中實現藥物的均勻噴灑，最大限度減少藥物浪費，確保病蟲害得到快速、有效的控制。

2.3 火災預防與監測

林業資源調查與監測中，火災預防與監測工作需要高度的時效性、準確性和廣泛的覆蓋面[4]。洮河保護區作為重要的生態區域，擁有豐富的動植物資源和獨特的生態系統，森林火災無疑會對這一生態系統造成嚴重的破壞和影響。無人機遙感技術因其能迅速響應、高空勘察和獲取高分辨率影像等優勢，與林業火災預防與監測的需求高度契合。

洮河保護區的林業調查人員依托無人機遙感技術的精確性和即時性開展森林火災預防與監測工作，加強地空配合，控制重特大森林火災的發生。在森林中，陽光聚焦、樹下積蓄的枯枝落葉等造成的高溫，均為火災的潛在起點。日常工作中，調查人員除了運用無人機進行常規的林區巡查外，還為無人機配備了熱紅外傳感器，這是一個專門針對熱輻射的波段，能準確檢測出微小的溫度變化，從而迅速定位森林中的異常熱點區域，通過輻射溫度的反演算法，估算出地表的實際溫度，為火險評估提供關鍵數據。在季節性火險高發時期，調查人員利用多光譜傳感器，對森林蓄積物、植被濕度和其他易燃物進行高分辨率的圖像采集，獲取關于植被水分狀態的指標，如歸一化水指數（Normalized Difference Water Index，NDWI），為森林干旱度的評估提供了數據支持。當確定某區域水分不足，極易引發火災時，將該區域標注為高風險區域，并安排專門的地面巡查人員，指導地面團隊進行清理或其他防火活動。發生火災時，調查人員則基于無人機的實時圖像傳輸功能快速了解火勢的分布、傳播方向和速度，為前線滅火團隊制訂策略提供信息支撐。火情發生后，調查人員利用無人機上的LiDAR技術進行火線追蹤，并快速對災區進行立體掃描，生成火災后的地形和林冠結構數據。同時運用高光譜傳感器，分析火災區域的礦物質和生物質組成，以判斷火勢的燃燒深度和強度，從而更精確地評估火災的影響和損失，為后續的森林恢復和重建工作提供數據支持。

2.4 林木參數提取分析

林業資源調查與監測中，洮河保護區林木參數提取分析工作的主要對象是森林中的各種樹木，尤其是關鍵樹種和生態系統的代表性組成成分。為獲取樹木生長狀態、樹冠結構、直徑、樹高等基本參數，需要高分辨率、高精度的數據來準確揭示微觀和宏觀的森林結構。無人機遙感技術憑借其低空飛行、靈活性和搭載多種傳感器的優勢，能夠在森林密集、地形復雜的區域，捕獲細節豐富的圖像，通過精確地測量和分析如樹高、直徑、樹冠寬度、種類和生長狀況等關鍵參數，為林業工作者評估森林的物種多樣性、生物量和碳儲存量等提供數據支持，還能預測上述因素對森林氣候變化、病蟲害和人為干擾的響應，從而制訂更為科學、精細化的林業資源管理策略。

林業調查人員在開展林木參數提取分析工作的前期環節，根據林區的復雜性和特異性，基于無人機遙感技術，進行地面控制點的布設以確保高精度的幾何糾正。確定無人機飛行高度、速度和重疊率后，采用配備有高精度RGB相機和LiDAR系統的無人機獲取高分辨率的空間數據，在低空飛行中捕獲細致的林區影像。飛行任務完成后，數據的后處理階段至關重要。調查人員利用點云處理軟件，如PDAL或CloudCompare，進行LiDAR數據的濾波和分類，以剔除非林木對象。結合像素級的圖像分割技術，應用RGB和多光譜數據，細化樹冠分割，并提取特征如NDVI以評估林區植被的生長活力，準確地估計林分密度和立地條件[5]。對于需要進一步深入分析的區域，例如，疑似病蟲害侵襲或遭受其他生理壓力的區域，調查人員可利用無人機搭載的多光譜傳感器，基于前期獲得的數據信息，更為精細地獲取反映植被健康狀況的數據，如葉綠素含量和水分狀態等。

在林業資源調查與監測中，無人機遙感技術的應用不僅為林木參數提取分析工作提供超高分辨率的空間圖像，還能結合多光譜、熱紅外和LiDAR等傳感器數據，為深入洞察林木生理、生態和結構特性提供了可能性，提高了林木資源的數據質量和決策效率，為林業資源調查與監測賦予了更深的視角。

3 結語

在技術與生態交匯的當下，無人機遙感技術為林業資源調查與監測工作提供了全新的視角，將傳統觀測方法提升至更高的精度與深度。本文解析了無人機遙感技術的原理及其在提高林業資源調查效率和準確性方面的固有優勢，基于洮河保護區的現實情況，從林業調查規劃、林木病蟲害監測、火災預防監測到林木參數提取分析等關鍵環節，對該技術在林業資源調查與監測多個維度中的應用進行了全面梳理，揭示了此技術在推動林業資源管理向更高層次、更廣范圍發展的潛力。

參考文獻：

[1] 梁建榮.林業資源調查監測：無人機遙感技術[J].中國林業產業，2023（7）：74-75.

[2] 馮蕊.無人機遙感技術助力森林資源調查監測[J].中國林業產業，2023（6）：78-79.

[3] 陶佳亮.無人機遙感技術在林業資源調查與監測中的應用探究[J].新農業，2023（1）：34-35.

[4] 儲成林.無人機遙感技術在林業資源調查與監測中的應用[J].林業科技情報，2022，54（1）：59-61.

[5] 朱曉敏.淺談無人機遙感技術在林業資源調查與監測中的應用[J].南方農業，2020，14（20）：

76-77.

（責任編輯：張春雨）