無人機在林業中的應用

盧小娟 曾露陽

摘要 隨著RS遙感技術、GPS衛星定位系統技術、GIS地理信息系統、電子無線電控制技術等技術的飛速發展，無人機及其相關技術在我國許多領域尤其是林業工作中得到了廣泛應用。本文重點討論了無人機技術在森林經理、森林培育、森林保護、林業自然災害調查、林業基礎設施建設、林業執法等實際林業工作中的應用。

關鍵詞 無人機；林業；應用

中圖分類號 S779 ? 文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）11-0139-04

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一種自帶飛行控制系統和導航定位系統的無人駕駛飛行器。無人機由通用飛行部件、遠程自動操作程序、自動駕駛儀、自動導航系統和無線通信系統組成。在不同領域的具體應用中，根據工作需要攜帶不同的儀器和系統[1]。無人機種類多樣，在農業上被廣泛應用于植物生長和病蟲害監測、噴撒肥料、病蟲害防治，在規模化生產上優勢明顯。胡興年等[2]將無人機應用于規?；绝喒沧髦校a生了良好的經濟效益和生態效益。陳紅蘭[3]應用植保無人機于安徽安慶市對棉花進行病蟲害防治，使化肥農藥減施18%、棉花增產7.2%、節省用工24%，避免了因大量使用氮肥造成多施不多收和土壤板結現象，減輕了農藥對農作物和土壤造成的污染，更好地保護了生態環境。余洪菊等[4]用無人機噴施農藥防治水稻田雜草安全性高、作業效率高、除草效果好。在林業上應用較為廣泛的是固定翼和多旋翼無人機。我國林業資源早期主要采取人工實地監測方式調查，森林培育為人工作業，森林火災通過瞭望臺觀察防控，森林病蟲害采用人工噴灑藥物等方式防控，所有的林業工作幾乎都是人工現場完成。隨著科技發展，我國林業工作交由衛星遙感技術完成，但對于影像精度要求較低，分辨率從2.5 m僅提高到0.5 m。利用無人機技術能顯著提高遙感影像的精度，可以確保其精度控制在0.2 m之內。因此，無人機結合GIS系統，可以更精確、及時、方便地動態化監測和管理森林資源[5]。無人機具有簡便、快捷、實時的優點，隨著GPS全球定位系統技術、RS遙感技術、GIS地理信息系統、電子無線電控制技術等技術不斷發展，無人機在林業各個領域得到了廣泛應用。

1 無人機在林業工作中應用的優點

無人機現普遍應用于生態環境監測、森林資源調查、營造林建設及驗收管理、護林防火、森林病蟲害防治、森林資源管護、項目建設開發、林業執法等各項生產領域，其應用不斷推進了智慧林業建設。與有人機相比，無人機具有成本低、能耗少、操作簡單、無需特殊機場的特點。與人工作業相比，具有快捷簡便、省時省力、斑塊范圍調查準確、可到達地形類型豐富等優點。無人機應用在節省財力和物力的同時，可以有效地降低人員操作風險，非常適合森林和山區等復雜地形作業。

1.1 經濟實用

無人機具有經濟實用的特點，其遙感系統成本遠低于衛星、載人飛機以及人工作業；輻射回收場地的需求低于衛星和載人飛機，無需租用場地起降，日常維護極為簡單；操作比衛星和載人飛機簡單，面向公眾，易于控制。因此，無人機遙感極大地降低了林業資源數據獲取的資金投入成本。

1.2 機動靈活

無人機航拍具有較高的自由度，飛行高度通常在1 km以下空域，不需要提前進行空域申請，可以隨時隨地進行航拍。無人機啟航方便，可以從田野、山嶺、海灘、空地等區域快速起飛獲取遙感圖像，并通過滑行、跳傘、撞網、一鍵返航等方式進行召回。

1.3 參數精準度高

人工勾繪精度較差，特別是沒有經驗的人員。無人機低空起飛可獲得高分辨率遙感圖像，圖像空間分辨率可精確到分米，能準確地反映大多數地物的形狀、質量和色調。無人機還可以通過在不同時間進行航拍，避免一定方向陰影對圖像的影響。

1.4 氣候影響小

無人機是一種能夠在多云氣候下運行的低空導航設備，不僅填補了衛星光學遙感被云層遮擋的空白，還解決了載人航天遙感受惡劣天氣限制的問題[6]。

2 無人機技術在林業工作中的應用

2.1 在林業經理中的應用

2.1.1 森林資源和生態環境監測 ?森林資源和生態環境監測是一個極為復雜的過程。無人機具有靈活、高效、便捷的特點，克服了傳統遙感技術更新時間久和空間分辨率低的局限，可以滿足遙感動態觀測需求和定制化要求，應用激光雷達遙感結合人工智能方法，可以從單木尺度對某一植物擴張進行監測，也可以從林分尺度對林分蓄積量與生物多樣性指數進行估測[7]。結合定點監測，可以進行野生動物監測，監測野生動物種群、數量、生活規律和活動軌跡。

在生態環境監測中，應用無人機可以實時監測植被變化、水土流失情況、水質和水污染等生態指標變化情況，為生態治理和生態修復提供本底材料。

2.1.2 森林資源調查 ?森林資源調查是林業工作中的一項重要任務，具有工作量大、爬山難度大、強度高、數據精度要求高等特點，傳統的調查工作需要耗費大量的人力、物力，且調查效率相對較低，不能實現全覆蓋，調查精度也較低。而應用無人機技術，可利用無人機遙感系統機動靈活的特點，快速到達作業區域，受地形和氣象環境影響較小，能實時獲取森林資源的高清航空數據。目前可通過無人機遙感圖像獲取的森林類型、分布情況、林分結構、郁閉度、樹冠、高度、樹齡、樹種及單木高度和單木冠幅等數據，結合3S（GPS、RS、GIS）技術，測算森林面積和林蓄積量，電腦化管理森林資源數據。

2.2 在森林培育中的應用

2.2.1 無人機播種造林 ?在地域遼闊、人跡罕至的地區，飛播造林是國土綠化的有效方法。80年代我國實施造林滅荒綠化工程，在我國西北、西南等地區采用飛機撒播馬尾松等種子，造林綠化了大片國土。飛播造林曾采用軍用飛機等較大型飛機，但在面積不大卻交通不便的地方，無人機飛播造林是一種有效快捷方法。

2.2.2 營造林綜合核查 ?利用無人機獲取的高清航拍圖像，利用地理信息系統，計算造林面積、造林密度、成活（保存）率、林木生長情況和工程質量情況，進行營造林綜合核查。將傳統的人工調查和無人機調查方式結合應用，可以提高林業營造林核查效率、減少外業工作時長、完善核查結果，使數據更加全面準確。

2.3 在森林保護中的應用

2.3.1 森林病蟲害監測及防治 ?傳統的森林病蟲害監測及防治主要依靠人工作業，難以實現監測與防治的及時性和有效覆蓋。隨著攝像傳感器水平不斷提升，無人機遙感技術受到巨大關注，極大提升了對森林病蟲害實時監測能力。將遙感技術與GPS地理坐標相結合，對有癥狀的病樹實現快速定位，相較傳統人工勘察定位的方法具有明顯優勢。將采集的可見光圖像及紅外圖像進行分類與綜合分析，用顏色和紋理作特征輸入向量識別病害樹木，實現了對輕度、中度、重度患病樹木進行精準分類。哪些樹是枯死木，自動勾繪的同時，可計算出病蟲害面積，同時具備效率高、速度快、探測范圍大、定位識別準確、組織實施靈活等優勢，特別是對于難以到達的復雜區域的探測效果更好。

森林病蟲病防治中，利用無人機噴施農藥，不僅可以有效避免在噴施過程中林業工作人員與農藥的直接接觸，保障工作人員安全，而且噴藥均勻、作業不受高度影響。據初步估算，1臺植保無人機1 d正常噴藥作業面積可達13.32～13.67 hm2，相當于傳統噴淋機作業面積的7～10倍，有效減少人力成本，極大提高了病蟲害防治作業效率。

2.3.2 森林防火 ?森林火災是嚴重危害林業生產和森林生態系統安全的重大災害之一。及時、準確地對森林火災進行監測是林業管理中的重要工作之一。傳統的林業火災監控手段主要是瞭望臺觀測、地面巡視、飛行巡護和衛星遙感[8]。瞭望臺觀測和地面巡視覆蓋面有限、人工成本高且存在視覺盲點，監測效率低。衛星遙感對森林火災的監測常常存在不及時的情況，且受天氣影響較大。無人機技術具有成本低、時效強、及時發現、及時預警、安全撲救等優點，火情發生時，能夠通過操作無人機拍攝圖像、熱成像技術等，即時傳輸監測數據，直觀地確定起火點和火勢范圍，有利于工作人員及時組織撲救并對火情蔓延情況進行科學預判，更有效地組織人民群眾進行轉移。同時，火災撲救工作具有相當的危險性，而無人機可以及時輸送救助物資及設備，保證消防工作的有效進行。無人機具有使用簡便、機動性好、便于投放、沒有人員安全風險的優點，特別適合森林防火作業中的人工增雨，1臺無人機可攜帶10枚增雨焰條，可通過地面遙控點燃焰條，10枚增雨焰條可滿足100 km2的人工降雨作業區域。

2.3.3 林地林木巡查管護 ?對長期在林地巡查監測的一線護林人而言，更準確獲取森林信息、提高巡查覆蓋廣度和密度是需要解決的痛點。森林內情況復雜，山路蜿蜒、林木茂密，護林員和傳統攝像頭不可能做到實時無死角監控。采用無人機對林業資源進行巡查管護，能及時發現林木偷盜、亂砍濫伐、侵占林地、毀林開墾、偷挖偷獵國家重點保護野生動植物等違法行為，其攜帶的通話系統可對不法行為進行高空喊話和警告制止，能及時制止各種違法行為。更為重要的是，基層使用無人機所采集的三維模型、照片、視頻等資料，都可通過云臺共享至上級部門，讓信息流通無阻、溝通高效，有利于決策部門快速響應，也讓護林工作更高效優質。

2.4 在林業基礎設施建設中的應用

根據林區骨干道路的設計目的、功能要求等，搜集地形圖數據、土壤類型圖、遙感影像數據、GPS數據、DEM（數字高程模型）數據等相關基礎資料。通過無人機獲取的遙感影像數據與DEM疊加，展現三維可視化場景，讓人直觀、形象化地認識道路沿線相關的地質地貌狀況，可直觀鎖定坡度較小、距離較短的道路規劃路線。無人機還可以采集到高清且豐富的影像信息，清晰觀察林地上的各種情況，避開墳山、高壓線塔架、發射塔等障礙物，方便道路設計人員進行林區道路線路的布設，避免與墳主和物主產生糾紛。

2.5 在林業自然災害調查中的應用

發生臺風、暴雨、泥石流等自然災害后，采用無人機進行林木受災面積、受災情況調查，可及時采取救災措施、進行災后恢復重建工作及時報險進行理賠，從而減少臺風災害造成的經濟損失。因暴雨和泥石流造成的道路損毀、滑坡和泥石流，采用無人機調查可避免因通行不便帶來的調查困難。

2.6 在林業執法中的應用

傳統林業執法人工執法覆蓋面不廣、獲取信息時效性差，后期結衛星遙感圖進行取證，但衛星遙感圖缺少實時性且分辨率偏低，導致投入了大量的人力物力并且耗費大量時間仍然取證困難。無人機林業執法相比于傳統林業執法，具有時效性高、成本低、操作簡單、安全可靠等優點，配備視頻傳感器和可見光攝像機，能夠實現對山林快速巡查監測，節約執法成本，大大提高巡查管護的覆蓋面和精度，能夠及時發現偷砍盜伐森林等違法行為，對違法征占林地、草地、濕地、毀林開荒等行為進行現場拍照取證，可作為林業違法行為的行政處罰和刑事案件的有效證據，是林草管理中的“空中保護傘”。

3 無人機在林業中的應用展望

目前，無人機應用存在一些缺點，譬如續航時間短，無人機無電時會墜毀丟失；抗風能力差，在大風和亂流中易偏離飛行線路，難以保持平穩的飛行姿態；無線信號傳輸存在盲點，影響調查測量精度；抗干擾能力較差，強信號干擾易造成與地面工作站失去聯系；精通無人機操作的技術人員缺乏，影響無人機在林業中的有效應用。

我國是林業大國，森林覆蓋面積居于世界前列，林業工作高質量發展需要更精確高效的林業信息檢測手段，靈活運用無人機等先進的科學技術手段對傳統的林業技術進行改革是大勢所趨。隨著社會進步及科技發展，未來將會有更多的高科技將被應用到無人機領域，無人機的系統功能和性能將持續提升，如無人機電池容量增大，續航時間會更長；遙感技術和光學儀器制造技術的提高，無人機遙感成像精度更高，隨著3S技術功能日漸強大，無人機在林業中的應用必將更廣泛，在林業工作中發揮越來越重要的作用。隨著現代林業、精準林業和智慧林業等概念和理論的不斷完善，林業也將從傳統的粗放管理進入到數字化、信息化和智能化的時代。

參考文獻

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[3] 陳紅蘭.安慶棉花生產應用植保無人飛機的思考與建議[J].安徽農學通報，2020，26（10）：75-76.

[4] 余洪菊，蔣山，蔡廣青.五氟磺草胺等藥劑飛機航噴防除水稻田雜草試驗[J].安徽農學通報，2018，24（14）：78-79.

[5] 張福民. 林業調查規劃設計中3S+無人機技術的應用[J].中國林副特產，2022（2）：106-107，110.

[6] 馮姍，曾祥忠.四通道可見光光譜相機的設計[J].應用光學，2019，40（3）：393-397.

[7] 徐喆.基于無人機遙感與AI算法的亞熱帶森林監測方法研究[D].南昌：江西農業大學，2021.

[8] 張思玉，張惠蓮.森林火災預防[M].北京：中國林業出版社，2006.

（責編：張 蓓）