四轴无人机在林业管理中的应用

李 想，李 阳

（1.陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300；2.陕西省西安植物园陕西省植物研究所，陕西西安 710061；3.陕西省植物资源保护与利用工程技术研究中心，陕西西安 710061）

森林被称为“地球之肺”，是人类最宝贵的生物资源之一，不仅为人类提供生产和生活必需的原材料，而且在维持生态平衡中起到至关重要的作用[1]。根据2014年中国林业统计年鉴，我国林地面积3．125 9 亿hm2，森林面积2．076 8 亿hm2，森林覆盖率21．63%[2]。森林生态系统的变化对我国植物资源、生态环境、生态安全和人文环境起着重要作用[3]。对森林资源进行高效和准确的监测是保证林业生态安全和经济效益的关键[4]。我国森林面积辽阔，结构复杂，森林植物生长周期长，传统的林业管理存在手段落后、管理水平低下和管理粗放等情况，已无法满足当今科学且高效地管理林业资源的需要。借助现代化高新技术辅助林业管理，构建科学和高效的现代化林业管理体系，是林业发展的趋势，也是生态文明建设的必然需求。

对森林资源的调查和监测不仅是我国林业管理的核心任务，也是我国林业实现可持续经营、建设生态文明社会的重要工作之一[5]。传统的森林管理手段主要有人工实地监测、固定点监测、卫星遥感监测和载人飞机调查等方式[6]。人工实地监测和固定点监测劳动强度大、效率低且人为主观因素影响大，很难保证监测地点的选取完全随机且具有代表性；卫星遥感数据的空间分辨率精度不能满足监测和研究需求，且容易受天气影响；载人飞机调查的经济成本高。近年来，随着传感器检测技术、智能控制技术及材料技术等的发展，无人机技术逐渐成熟。目前无人机已经从固定翼飞行器发展到旋翼飞行器。旋翼飞行器中的四旋翼（四轴）无人机因为构造简单、飞行灵活且更容易接近任务目标[7-8]，逐渐被应用到地图测绘、地质勘测和气象探测等方面。林业作业系统环境复杂，而四轴无人机作业效率高，无需专用的起降机场且可以携带一定装备，可以很好地承担林业信息采集甚至播种和喷药等任务。因此，便携又具有一定承载能力的四轴无人机成为目前林业管理中较经济的选择。

1 无人机的发展与结构

无人机是指具备动力装置，可以通过程序或其他驾驶设备控制的不载人飞行器[9]。根据机翼类型可划分为固定翼无人机和旋翼无人机。近年来，随着飞行器自主飞行控制能力的加强，旋翼无人机发展快速。旋翼无人机有着固定翼无人机无可替代的优点。旋翼无人机的机械结构简单，仅需调节旋翼电机的转速即可完成控制，飞行行为更灵活；机翼小，不受机翼限制，能更好地应用于各种环境中；由于机翼特点，具有自主起飞和降落的功能，可以系统智能地调节高度，可实现垂直悬停、俯仰升降和偏航转向等飞行姿态，并可长时间保持飞行姿态。

四轴无人机是最具代表性，也是研究最为广泛的一种旋翼无人机[8-9]。相较于其他类型的多旋翼无人机，四轴无人机的结构紧凑，相邻旋翼间产生的扭矩更容易互相抵消；具有4 个独立的电机作为输出驱动，可任意切换飞行姿势和飞行速度，抗风能力更强；操纵简单易上手。由于研究较深入，四轴无人机所匹配的云台稳定，航线设计等更为完善合理。四轴无人机因为体积小便于携带、飞行稳定、定位精确、受天气影响小和云台承载灵活多样等特点，可以承载遥感、红外、可见光和多光谱等系统的影像功能，且其所载云台拥有实时高清成像和红外成像快速获取等功能，使得四轴无人机在对环境复杂的林区进行相关管理工作时具有极大优势。

2 四轴无人机在林业管理中的应用

2．1 四轴无人机在森林资源调查中的应用

森林生态系统是全球陆地最重要的生态系统，复杂的群落结构和物种组成使其物质转换和能量循环非常旺盛；其生产力高，提供给人类的生态功能最多[2]。随着现代社会经济的快速发展，地球生态系统尤其是森林生态系统遭受严重破坏[1]，这将影响生态环境，进而影响经济的发展和进步。因此，一个国家和地区需要对区域的森林资源进行长期监控和调查，更好地掌握森林资源的现状和发展方向，以便及时制定相应的管理政策，保护和利用森林资源。森林资源调查属于林业管理工作的基础[5]。

结合地理信息系统（GIS）及全球定位系统（GPS）等，许多学者利用无人机遥感对森林资源进行了各种调查研究。无人机遥感技术不仅可以准确获取森林的位置和面积[10]，还可通过数学形态学计算方法进一步确定造林成活率[10]和森林密度[11-12]等。通过搭载不同的图像传感器，以及快速发展的模型和算法，目前可通过无人机遥感图像获取森林的郁闭度[13-14]、树冠[13,15-16]、高度[16-17]、树龄[10]、树种[10]及单木高度[18-19]和单木冠幅等数值[19]，其准确率逐步上升[12,19]。国家林业和草原局在部分区域开展的森林资源调查、营造林核查、林业执法、灾后调查及枯木调查等方面的研究表明，无人机的影像技术可代替很大一部分的人工实地调查，并且对森林资源年度变更、一类清查和二类清查等调查工作起到很大的辅助作用[20]。

对于一个立体的森林生态系统，不仅需要拍摄面积广，还需要在不同层次的深度上进行拍摄。四轴无人机操作简单，易于控制，可实现低空飞行，所拍摄的影像分辨率较高。此外，四轴无人机的旋翼小、体积小、可垂直升降和悬停，可对森林生态系统的不同层片进行拍摄，有利于完整、详细及准确地调查森林生态系统的群落结构和物种组成。通过搭载不同传感器，四轴无人机在森林资源调查中可发挥更大的作用。

2．2 四轴无人机在森林防火中的应用

森林火灾是严重危害林业生产和森林生态系统安全的重大灾害之一。及时、准确地对森林火灾进行实时监测是林业管理中重要的工作之一。传统的林业火灾监控手段主要是瞭望台观测、地面巡视、飞行巡护和卫星遥感[21]。瞭望台观测和地面巡视不仅覆盖面有限、人工成本高且存在视觉盲点，监测效率低。因为平台的固定周期及分辨率不高，卫星遥感对森林火灾的监测常常存在不及时的情况，而且受天气影响较大。飞机巡护是目前常见的森林火灾监测手段之一，但无人机具有更灵活、更安全、更便携和更经济的优点。无人机可实现水平360°和垂直120°方位监控。其携带的GPS 系统可自动定位火情位置，智能识别火情，对于重点区域和可疑地点可通过地面控制中心及时改变其飞行轨迹，达到重点详查的目的[22]。美国“牵牛星Altair”无人机搭载红外灾害评估系统，发现主要火灾点时，可每30 min 将数据传输给地面控制中心[23-24]。俄罗斯的“ZALA421-08”无人机同时搭载摄像机、照相机和热像仪，可24 h 不间断地发送传输结果，以便地面控制中心更快地发现火灾区域并开展救援工作[25]。近年来，利用无人机监控林业火情也在我国逐渐开展。陕西、广西、内蒙古、湖南、黑龙江、江西、吉林和广东等省（自治区）分别开展了无人机监控森林火灾的工作，并取得一定成效[26]。2011年，广东省仁化县利用无人机监测炼山林火，监测面积达到113 hm2，地面控制中心通过该无人机发送的实时影像观察林火发生、火的强度、蔓延方向和过火面积，并结合无人机发送的周围山地环境、地表可燃物环境和气象环境等数据，及时、准确和高效地制定了灭火方案，大大缩减了灭火时间[27]。目前，我国自行搭建的“森林防火无人机预警系统”提供了一套经济、安全和高效的森林防火系统，该系统集成了红外成像技术、GPS 技术和数字图像传输技术等，以森林火情监测为主，其中四轴无人机云台搭配彩色CCD 任务载荷或红外探测仪，可对火灾发生地的地理坐标、受灾面积、火势大小及蔓延情况等进行监测并传输回地面控制中心。

近年来，随着传感器的多样化和精细化发展，目前用于森林火灾的四轴无人机可通过搭载红外传感器、可见光传感器和火灾传感器从多个角度监测森林火情，可准确、及时监测火情。目前四轴无人机遥感系统汇集图像分割序列、图像稳定及坐标定位等多用途图像处理功能，不仅可发现火灾地点，还可将火灾现场及附近的完整信息传输给地面控制中心。地面控制中心可根据火灾的实时火情及时制定和修改相关任务计划，减少人员伤害和财产损失。四轴无人机的应用将大大推进森林火灾监测和救援工作。

2．3 四轴无人机在森林病虫害监测中的应用

森林病虫害具有爆发迅速和扩散面积广等特点，每年给国家造成巨大的经济损失。森林病虫害的防治工作是国家减灾工程的重要组成部分[22]。森林病虫害的传播特点是由点状或带状存在，接着大面积爆发。在森林病虫害大面积爆发前进行消杀是最有效且最经济的途径。这就需要对森林进行及时有效的监测[28]。传统的人工监测很难在森林生态系统中做到大面积地毯式调查，而卫星遥感等方式又因分辨率等问题很难在森林病虫害初期发现问题。利用四轴无人机搭载可见光相机和高光谱成像仪，低空近距离对森林生态系统进行拍摄，可获取目标区域的高分辨率影像及高光谱数据。利用四轴无人机遥感数据可及时发现森林病虫害，实现预警监测，确定灾情发生的准确位置及扩散范围，为治理灾害和评估损失提供支持。

2．4 四轴无人机在其他林业管理中的应用

我国森林面积辽阔，森林资源丰富多样，提供了丰富的物质资源。很多不法分子为了短期利益，不顾国家法律法规，非法占用森林用地、乱砍滥伐森林树木和乱捕滥杀野生动物等，严重破坏了我国的森林资源和森林生态系统的平衡[22]。我国森林腹地地广人稀，因人力、财力和精度的限制，传统的人力巡逻和飞机巡航等手段覆盖面积小，时效性差。四轴无人机成本低、耗能低，可对所管辖林区进行大面积日常巡检，其携带的高清摄像系统可获取精确的森林生长状况并拍摄证据，其携带的通话系统可对不法行为进行高空喊话和警告制止等行为，为林业执法工作提供强有力的保障。

3 四轴无人机在林业管理中的应用展望

随着社会进步及科技发展，现代林业、精准林业和智慧林业等概念和理论不断被完善。我国林业管理也逐步从传统的粗放型进入到数字化、信息化和智能化的时代。将高新技术引入林业管理，提高我国林业管理水平是刻不容缓的任务。

随着传感器检测技术、智能控制技术和材料技术等的快速发展，四轴无人机及其配套系统的发展越来越成熟。无人机遥感系统具有成本低、易维护、效率高、时效性强和对环境要求低等特点。但目前我国低空无人机在林业管理中的应用和研究尚处在初级阶段。四轴无人机在森林资源调查、森林火灾监测和森林病虫害监测等方面具有很好的应用前景，但目前尚缺乏完善的配套技术系统。例如针对林业管理所设计的具体硬件设备、相关图像处理软件和相关计算机算法等。在未来的研究中，可针对具体研究任务开发出具体的四轴无人机监测系统，推动无人机在林业管理领域的广泛应用。