穿越機DJI Avata在森林病蟲害監測中的應用研究

詹振亮

（福建林業職業技術學院，福建 延平 353000）

森林病害是由于生物或環境因素導致林木在生理、組織和形態上發生一系列的病理變化；森林害蟲是指危害森林及林產品的昆蟲。當前我國共有8 000 余種森林病蟲害，可導致林木生長不良、產量和質量下降，甚至引起林木或整個林分的枯死和生態環境的惡化。因此森林病蟲害防治是林業管理中的一項重要工作。隨著“綠水青山就是金山銀山”的發展理念深入人心，各地加大了對森林病蟲害的預防和治理力度。

在科學技術水平不斷提升的背景下，基于無人機技術的林業作業方法逐步替代傳統林業作業方法。傳統的森林病蟲害調查方式以人工為主，雖然能取得較好的調查效果，但費時、費力，時效性較差。不適用于大區域。利用無人機遙感技術快速、動態的特點對森林病蟲害進行監測，大大減少了作業中人力、物力的投入，也提升了林業作業效率及質量水平，在森林防火、森林病蟲害防治、林政執法等工作中均能發揮出作用，已經成為當前林業遙感領域的研究熱點。總體來看，無人機技術已然發展成為當前與未來驅動林業升級發展的一項主流技術手段[1]。

林木受到病蟲害感染后，其原有正常生理活動將受到嚴重影響，在植物外觀上的表現一般為樹葉被啃食殆盡、枝干蛀蝕、葉片不正常變色等。 而可見光無人機監測技術則是利用無人機在林區上空采集高清晰度的影像資料，并提取影像資料中每個像素的色彩，將其與往期或標準數據進行對比，最終通過影像資料的圖斑色彩變化來判斷林木是否存在病蟲害問題[2]。但是由于林木周圍環境和林木本身的生長規律，其在不同時節，葉面的顏色也存在一定差異，故這些自然變化會對遙感圖斑技術的應用產生不利影響。

目前，無人機航拍監測病蟲害有以下問題：①難以區分或消除目標病蟲害以外的其他因素對光譜特征的影響；②森林病蟲害監測中寄主樹木在受害前中期受害程度不清且前期不易發現；③無人機森林病蟲害監測中害蟲及病害種類識別不清。

本研究嘗試利用無人機遙感技術對森林病蟲害進行監測。采用航拍光譜影像來獲取受害林分的位置信息，穿越機到達目標點在林間穿梭，對受害樹木進行樹種識別、病蟲害種類分析和嚴重度空間分析，以實現對病蟲害的及時、準確調查和監測。

1 穿越機DJI Avata簡介

穿越機又稱無人競速機，一種高速度、高機動性、小體積的多旋翼無人機，被譽為“空中F1”[3]。跟熟悉的四軸航拍飛行器完全不同，屬于高競速小型無人機。有的穿越機最高時速可達260 km，可以輕松穿越一些障礙物，帶來兼具速度與激情的視覺體驗[4]。穿越機因其飛行速度快，操控難度系數大，安全性能低等原因常用于影視拍攝和飛行競技等領域，在林業上的用途鮮有提及，國內外也很少有學者將其應用于森林病蟲害監測中。

2022 年8 月25 日，大疆正式發布了DJI Avata 無人機。其安全性高，速度較低，體積小巧，圖傳距離遠等特點。與DJI Phantom 4 多光譜版相比，為穿越機在林業上的應用提供了可能。DJI Avata與DJI Phantom 4 參數對比表，見表1。

DJI Avata 是一款自帶槳葉保護罩的小巧無人機，質量約410 g，尺寸為180 mm×180 mm×80 mm，最長18 min懸停時間。機身堅固耐用，輕微碰撞后仍可正常飛行，可以通過佩戴飛行眼鏡以第一人稱視角進行操控，使其能在各類場景中靈活穿行。拍攝方面，DJI Avata 搭載了一顆1/1.7 英寸4 800 萬像素f/2.8 的傳感器，支持拍攝155°超廣角的4K/60 fps視頻，還有超強增穩和地平線增穩，畫面抖動幅度有效降低，同時DJI Avata 具有Turtle 模式，在此模式下DJI Avata 甚至可以倒掛飛行，“查找我的無人機”功能會利用ESC嗶嗶聲和閃光輔助定位。圖傳能力上，Avata 搭載大疆目前旗艦級DJIO3+圖傳，SRRC 標準下最遠圖傳距離可達6 km，可提供1 080 P 圖傳畫質，20 GB 機載存儲，圖傳碼率最高可達50 Mbps，延時為30 ms[5]。

2 DJI Avata和DJI Phantom 4協同工作技術流程

2.1 前期準備

查閱資料，詢問有關工作人員，掌握林場面積、主要樹種分布，分析天氣情況，盡量避開雷雨和大霧天氣，選擇無風或天氣晴好的天氣飛行[6]。檢查飛行電池電量及電池數量是否能夠滿足作業任務規劃；檢查遙控器電量；檢查儲存卡是否攜帶，并且注意儲存卡的空間是否滿足作業要求；檢查機體是否完好，螺旋槳是否完整性。

2.2 現場勘查

開始作業前，應檢查作業現場環境，核實規劃是否存在盲區或禁飛區。選擇四周空曠、地面平整、堅硬的地面作為起飛點。特別要注意飛行區域地形，避開高壓電塔、基站信號塔等障礙物。飛行還應注意何處取電，方便電池充電。

2.3 航線規劃及飛行參數設置

在顯示飛行器位置的地圖中，選定并調整飛行區域。設置好飛行方向，高度、重疊率、拍照模式等。

2.3.1 選擇最佳飛行高度

飛行高度越低，地面采樣距離（GSD）越小，地面物體分辨率越高，看得越清楚，但作業總時長會延長。因此需要根據拍攝的對象和目的來選擇最優飛行高度。以林業樹木長勢監測為例子，應該根據不同樹種、不同生長階段來選擇最優飛行高度。

如果不確定飛行高度對應的分辨率是否足夠，可以把Phantom 4 多光譜相機模式調至Live NDVI 模式，然后手動起飛抬升飛機，觀察在某高度下是否能清晰看到觀測對象。同時，需要注意測區內是否有障礙物，飛機飛行高度必須高于測區內所有障礙物高度。

2.3.2 設置合適的重疊率

提高重疊率可以一定程度上優化建模質量，但重疊率過高會增加航線延長作業時間。因此推薦使用航向80%、旁向70%的重疊率設置。

2.3.3 設置等時間隔拍照模式

相機拍照模式有“等時間隔”和“航點懸停”2 種拍照模式。“等時間隔”不需要停頓，飛行效率更高。在大多數場景下，建議使用“等時間隔”拍照設置等時間隔拍照模式。

但是，在起伏大的山區，“等時間隔”可能存在同一組照片多個波段之間拍攝場景差別過大的情況，造成重建失敗。因此，如果在山區航測時，若使用“等時間隔”拍攝出現重建失敗，建議切換到“航點懸停”模式。

2.4 選擇靠近測區的起飛地點

飛機起飛降落地點應該盡量靠近測區，使得起降航程最短。如果測區覆蓋范圍較大，建議在測區中央區域起飛。

2.5 執行作業及返航

保存設置后，閱讀注意事項并點擊“確定”，右滑開始作業滑塊。當無人機起飛后，就會進入程序設定的軌道飛行，單反相機也會自動開啟攝像功能，有效檢測地面林木。使用精靈4多光譜版進行光學影像獲取,內置相機的傳感器為6個1/2.9英寸CMOS，包括1個用于可見光成像的彩色傳感器和5個用于多光譜成像的單色傳感器單個傳感器：有效像素208萬（總像素212萬）。

為了提升建圖精度，建議關閉畸變修正。在飛行作業中，請將遙控器天線切面面向飛行器，以獲得最佳信號。執行大面積測繪任務時，支持斷點續飛。如果任務完成前電池電量不足，可手動結束任務，App 將記錄斷點，更換電池后繼續作業。當無人機完成檢測任務后，即可按照既定的程序返航，臨近地面時可轉換為人工控制降落。

2.6 生成數字正射影像圖。

利用Pix4 Dmapper 軟件完成影像數據拼接處理，生成數字正射影像圖。其操作步驟如下：建立工程，加入影像，設置影像屬性，快速處理檢查，使用像控點編輯器加入控制點，全自動處理初始化設置，點云加密，數字表面模型及正射影像生成，質量報告分析，點云以及正射影像編輯輸出。

2.7 標記疑似被害木

通常情況下，一旦林木受到病蟲害感染后，其原有正常生理活動將受到嚴重影響，在植物外觀上的表現一般為樹葉被啃食殆盡、枝干蛀蝕、葉片不正常變色等。以松材線蟲病為例，感病的在無人機光學影像上黃褐色、紅褐色，與健康松樹的墨綠色存在明顯區別。可使用SSD、YOLO v4、Faster RCNN 算法檢測松材線蟲病變色木,其精度分別為75%、67.2%和73.1%[7]。亦可輔以目視判讀方法，實現對無人機影像染病松樹檢測。

2.8 DJI Avata監測疑似被害木

精靈拍攝多是從高空垂直向下拍攝，監測林分的樹冠頂層部分。對于樹木的樹干、枝條、樹冠中下層，傳統的拍攝方式并不能很好的進行拍攝。而穿越機長僅180 mm、寬180 mm、高80 mm，因其體型小，能夠自如的在林中進行穿梭，對疑似被害木的樹干、枝條、樹冠中下層進行拍攝，監測是否有蛀干害蟲的蛀孔，枝梢害蟲的活動、樹冠中下層葉部病害等。

2.8.1 病蟲害的種類識別及危害程度

DJI Avata 通過獲取的疑似受害林木位置信息，穿越機到達目標點，在林中穿梭，對受害樹木進行樹種識別。通過穿越機拍攝樹木樹干、葉、葉序、花、果實等照片或視頻，上傳數據庫進行圖像識別，輔以人工識別，以獲得初步樹種鑒定結果。為進一步鑒定病蟲害種類奠定基礎。再通過穿越機拍攝害蟲的危害狀，害蟲不同蟲態形態特征、病害病癥病狀等照片或視頻，上傳數據庫進行圖像識別，輔以人工識別，以獲得初步病蟲害鑒定結果。同時對受害樹木進行嚴重度空間分析。不同的病蟲害種類，通過選用相應的森林病蟲害調查嚴重程度分級表進行分級，如食葉害蟲根據受害林木受害葉片的多少進行分級。

2.8.2 病蟲害前期監測

由于樹木在病蟲害危害前期危害程度較輕，主要表現為葉部分變黃、枝梢部位枯萎、樹干有侵入孔等，樹木整體暫時還表現較為健康狀態，精靈從高空拍攝拍攝所形成的正射影像圖中表現不明顯，因此常常忽略，不能及時發現。只有當病蟲害發展到比較嚴重時樹冠有明顯變化時，在精靈所拍攝形成的正射影像圖中才能識別，使得病蟲害不能及時防治，加劇了病蟲害帶來的損失，增加了森林病蟲害防治難度和防治成本。而Avata 通過在林間穿梭，能夠通過飛行眼鏡實時觀察到樹木樹冠、枝干等情況，能夠在病蟲害危害不嚴重時及時發現，為防治病蟲害搶得先機，減少病蟲害帶來的危害，降低防治成本。

2.8.3 病蟲害施藥后效果評估

DJI Avata 等多旋翼無人機所拍攝的影像不但能夠被應用于森林病蟲害監測中，還能被用于病蟲害施藥后的效果評估中。森林中的林木大多比較高大，一般采用人工觀測的方法對林木的施藥效果進行評價，但由于受枝葉遮擋，只能對林木的底層進行施藥效果評價，位于林木中高處及內部的枝葉的施藥效果無法評價。只有通過人工攀爬到高處進行樣本采集，這樣既然耗時，又有從高處墜落的危險。但使用DJI Avata 不僅能夠拍攝大量樹木外部葉面和枝條的圖像進行評測，還能利用其小巧的身形，在空隙中拍攝，獲取影像，監測樹冠中部和內部的施藥效果。

2.8.4 飛行安全及耐用性

以往的無人機如精靈、御等槳葉周圍都沒有保護罩，槳葉都是外露的，碰撞后基本上都會停槳炸機，而DJI Avata 因為更輕更小，而且自帶槳葉保護罩，一般的碰撞不會影響到飛機姿態，仍能繼續飛行，可以在很小的空間內穿梭拍攝，速度不快的話，就算炸機，也不容易損壞機身。但是要注意在高處炸機墜落仍有損壞風險。另外，DJI Avata 采用一體化鏤空設計，使其更加輕巧，更適合其林間穿梭。還把GPS、云臺相機、飛控等零部件都做成了模塊，便于損壞后單獨更換。有研究者暴力測試表明，DJI Avata 滿桿撞擊墻面樹枝玻璃后任能正常啟動飛行，用水和干粉滅火器噴灑DJI Avata，其仍能繼續飛行。這使得林業工作者使用DJI Avata 監測森林病蟲害有更高的容錯率，為DJI Avata在林業中的廣泛應用提供可能。

3 森林病蟲害監測中DJI Avata的局限性

3.1 高密度林分監測難度大

在利用DJI Avata 監測森林病蟲害時，若林分密度過大，枝葉密集交錯，飛行空間受限嚴重，無法完整監測林木，可能無法有效地獲得森林森林病蟲害的實際情況；同時，密度越大的林分，枝葉對穿越機的干擾越大，飛行操作難度增加，炸機率提高，對飛手的操作水平要求也就越高。

3.2 惡劣天氣無法飛行

DJI Avata 僅410 g，擁有輕巧身形的同時，相較其他機型，受風的影響更大。雖然DJI Avata 能防水，但是如遇大風、雷雨等惡劣天氣，則無法使用DJI Avata進行監測。

3.3 對飛手操作技術有更高要求

DJI Phantom 4 等機型的飛行環境空曠，障礙物較少，且無人機自帶避障功能，只要操作得當一般不會炸機。但在操作DJI Avata 進行森林病蟲害監測時，除了要監測樹木，還要躲避枝條、樹干等障礙物。雖然一些輕微撞擊對DJI Avata影響不大，可直接穿過一些細小枝葉，但需要飛手有較高的操作技術水平。目前無人機從業人員水平參次不齊，而從零培養無人機飛手造價高昂、耗時較長，培養成本高，且飛行器造價較高，使用成本較高，對于傳統山林監測工作來說，并不存在明顯的經濟優勢，普及效率低，難以廣泛推廣。

3.4 續航時間短，圖傳距離有限，無法大范圍監測

DJI Phantom 4 等傳統的多旋翼無人機的飛行續航時間約為25 min，而DJI Avata 的續航時間約為15 min，這使得監測時需頻繁的起降以更換電池，限制了飛行距離。且DJI Avata 的圖傳信號容易受樹木、灌木等障礙物遮擋，阻礙長距離圖傳。這使得DJI Avata 無法進行大面積森林病蟲害監測工作，僅可作為小范圍的詳細監測。

4 應用展望

4.1 提升續航時間和圖傳距離

提高無人機的續航時長和圖傳距離是無人機領域的研究熱點，穿越機DJI Avata續航時長僅15 min左右。為提高工作效率，應加強對其性能的研發力度，提高DJI Avata 的電池續航時長，增強圖傳信號傳輸質量，以保證其擁有更廣闊的工作范圍。

4.2 降低林間穿梭難度

運用DJI Avata進行森林病蟲害監測需要穿梭于林間，躲避或撞擊枝葉等各種障礙物，要求飛手要有熟練的飛行技術，還需要具有對飛行環境的預判和應急狀況的處置能力。其要求要比一般多旋翼無人機高，這也導致其在傳統林區難以有效普及。為進一步提升DJI Avata的普及范圍，應增加全向避障功能，優化操作程序，增加保護裝置，降低其在林間穿梭難度。

4.3 提高載重，增加功能

目前DJI Avata 的功能較為單一，僅有拍照和錄像功能，限制了其發揮。若是能夠提高DJI Avata的載重能力，搭載新的功能模塊，如多光譜、紅外線等可以有效提高其在監測過程中的工作效率，更好地應用于林業各個方面。

5 結語

將穿越機應用于森林病蟲害監測的研究鮮有報道，本研究創新地將穿越機DJI Avata應用于森林病蟲害監測中，利用其身形小巧，能在林間穿梭的特點，探索其在病蟲害種類識別、危害程度、病蟲害前期監測等方面的應用途徑及效果，也為后續穿越機在林業中各方面的應用提供借鑒和參考。