无人机在湖北林业的应用现状及发展途径

袁传武 张维 罗勇 夏剑萍

摘 要： 本文详细分析了无人机在湖北林业上的应用现状以及存在的主要问题，指出了无人机在资源调查、森林防火、病虫害监测、野生动植物监测、精准植保、林业执法等方面的应用前景，提出了组建无人机研究团队，与高校和企业开展合作，加强人工智能应用研究，建立无人机校验中心及数据处理中心，研发林业无人机专用设备等发展途径，旨在为全面提升湖北林业科研能力和创新水平提供决策参考。

关键词： 无人机;林业应用;发展途径;湖北

中图分类号：S762.8 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2020）03-0051-04

随着无人机的性能不断提高，应用范围和应用领域迅速拓展，无人机在边防巡逻、管道巡线、应急救灾、地形测绘、考古发掘、国土监测等行业上的应用正迅速推进[1-2]。无人机具有高度机动性和灵活性，改善和颠覆了传统林业的管理和作业方式，呈现出前所未有的快速发展，在林业上的用途也越来越精细化和多元化，例如可在林区复杂环境下高效地接近目标并完成森林资源信息获取等[3-4]。虽然无人机在林业行业的研究和应用发展起步较晚，但也取得了一定的成果，福建等部分省份将无人机在林业中的应用作为“十三五”期间建设现代化林业的关键手段[5-6]。目前常用的是在无人机系统中搭载多种机载传感器（可见光传感器、多光谱传感器、高光谱传感器、红外传感器和激光雷达等），提升资源监测，森林巡护，病虫害监测，森林火灾预警及现场指挥，自然灾害（火灾、病虫害、冻灾等）灾后评估，林业精准植保，林业执法等方面的林业作业精度和范围[7-8]。

近两年来，湖北林业部门高度关注无人机在林业上应用，加大了无人机的硬件配备力度，并有针对性的开展了无人机应用的技术培训。2019年12月，湖北省林科院针对全省林业系统无人机应用情况，在武汉召开了无人机在湖北林业上应用学术研讨会。重点研讨了无人机系统在病虫害遥感监测、森林火灾监测、野生动植物监测与识别、森林资源调查、林业精准植保以及林业执法等核心业务方面存在的问题以及解决方案，以期推动无人机系统在湖北林业中的应用向纵深发展。随着无人机技术的日趋成熟，将无人机技术与高光谱遥感技术、人工智能技术和林业实地作业等方法结合起来互为补充，有助于实现湖北林业现代化管理水平，对提高湖北林业智能化治理能力和水平提供了重要的技术支撑。无人机作为一种实时监测以及获取森林基本信息的重要手段，将在湖北林业生产和管理中扮演着促进林业科学发展的重要角色。

1 无人机在湖北林业应用现状

无人机目前在湖北林业上的应用尚处于启动阶段，湖北省林业主管部门以及各地市州县市林业部门积极探索，取得了一定的进展。据统计，截至2019年12月，湖北省已有100多个县（市、区）的林业部门通过上级主管部门配发或自行采购方式，配置无人机近200台（套），其中主管部门配发占80%，自主采购占20%。还主办了机长、飞手等5期共100多人的培训班，以解决无人机的日常飞行等问题。

1.1 无人机应用情况

总体而言，无人机目前在湖北省的应用水平较低，各林业部门只是进行小范围森林资源监测或核查，没有充分发挥无人机特点及优势作用。

湖北省林业局购置了大疆PHANTOM4，智能鸟V516、智能鸟KC-Z4、智能鸟KC3400等13台无人机，分别配发给森林资源大别山专办、秦巴山专办、五陵山专办以及九峰国家森林公园、神农架国家公园、后河自然保护区、九宫山自然保护区等单位，用于森林资源监测及森林病虫害防治。湖北省林业有害生物防治检疫总站自2013年始向全省各县市州配置无人机。目前99个县市区森防站均配有大疆悟1、易瓦特S6各1台，全省36个国家级中心测报点均有小型无人机大疆悟2，部分地市州有中型人机全省共有7台，省站有固定翼监测无人机1台（易瓦特H7），用于开展林业病虫害的监测和防治工作的。湖北省航空护林站今年将购置5套无人机大型指挥车系统，用于森林资源监测及森林防火。

湖北省林业规划院自主购置了大疆经纬M600、大疆悟Inspire2、大疆御2pro3等7台无人机，用于森林资源二类调查数据的核查。襄阳市林业局自主购置购置了DY-SU6、大疆精灵4PRO、大疆精灵4RTK等无人机，用于200 hm2以下小面积正射影像航拍，视频拍摄、林地案件侦办、小型规划编制、重点造林工程监测、森林病虫害疫木判别等应用。宜昌市林业局自主购置了大疆精灵4、经纬600等5台无人机，用于森林航拍影像和视频进行松材线虫病等林业有害生物防治效果核查、检疫检查等工作。太子山林管局购置了3台无人机进行测绘、森林巡护等工作，并准备下一步将其应用于森林防火指挥。石首市、监利县等林业单位购置无人机近30架，主要用于林业喷药等机械化作业。

湖北省在林業植保上应用无人机技术较为广泛，很大程度上改变了传统植保的施洒过量而导致农药残留、水土污染以及效率低下等弊端。主要应用大疆T20，T16等大型无人机，载重量分别是40 kg和30 kg，每机防治面积毛竹（山区）20 hm2/d，杨树40 hm2/d，水稻66.67 hm2/d。2019年石首市的飞防协会（合作社）对当地200 hm2毛竹发生的黄脊竹蝗进行了控制，使用药剂为Bt复配剂，用药量12 000 mL/hm2，每机防治面积20 hm2/d，成本约12～15元/666.7 m2，防治效果达90%。该飞防协会同时利用大疆企业平台，前往新疆棉花生产区，为当地的棉花喷施脱叶剂，优秀的飞手每年可飞0.13万hm2，仅当飞手一项收入可达20万元。2018年6月宜昌市森林病虫防治检疫站首次在枝江市、点军区马尾松集中连片区利用无人机防治喷粉防治松褐天牛。主要是用4台可载重10 kg的喷粉款无人机，利用3 d时间，喷洒噻虫啉粉剂2.7 t，防治面积360多hm2，防治作业效率和质量较佳。2019年7月广水市利用无人机喷洒了3%噻虫啉微胶囊悬浮剂控制了0.4万hm2松褐天牛。

但是在大面积松林立木变色监测应用方面（松材线虫病）全省目前还处于初步阶段，即主要采用可见光判读，将无人机在林间拍照，获取图片，结合小班图进行判读等。在大范围应用森林资源监测方面，只是挂载可见光传感器载荷，进行小范围常规监测。没有挂载高光谱或多光谱传感器进行森林类型识别、林分空间结构研究、森林蓄积量精准估算等深层次应用。

1.2 无人机培训情况

国家林草局、湖北省林业局等林业行政主管部门高度重视无人机培训工作，分批次有针对性组织和开展了无人机飞手应用培训班，共培训了100多人，初步解决了湖北省林业行业无人机飞手的人才短缺问题，实现了无人机操作员持证执飞，基本上杜绝了“黑飞”现象，为全省林业无人机推广使用提供了技术保障。

2019年5～10月，国家林业局在武汉组织了两期由中国林科院各研究所、国家林业局规划院、湖北省林业局局直单位等共60多人的无人机飞手培训班，学员们全部取得了飞行执照。湖北省林业有害生物防治检疫总站通过易瓦特无人机公司培训了10名飞手。湖北省林业局信息中心采取3种培训方式共培训了50多人。一是通过无人机厂家进行技术培训。2018年12月，组织九峰国家森林公园、神农架国家公司、后河自然保护区、九宫山自然保护区等单位共12人，在武汉智能鸟无人机公司进行了基础理论学习和飞行培训;二是2019年8月，组织了局直单位6人进行旋翼、固定翼等两种机型的机长培训班，并取得12个飞行执照;三是2019年10月，组织了森林资源大别山专办、秦巴山专办、五陵山专办等单位共30人的无人机飞手培训班并取得飞行执照。

对于湖北乃至全国林业而言，无人机林业行业人力资源仍然严重匮乏，无人机应用林业领域的专业技术人数不足已成为制约林业行业深入应用的重要瓶颈。无人机林业行业的持续健康发展不仅需要健全法律法规的制度保障与研发技术创新升级，也更需要强化专业人才的教育与培养。

2 无人机在湖北林业应用中存在的主要问题

无人机在林业资源调查、森林病虫害防护、森林防火、林业执法管理等林业核心业务方面存在应用水平不高、遥感数据处理较难、缺乏面向林业行业专用的机载设备以及后期维护成本较高等现实问题。

2.1 无人机应用水平不高

林业资源监测部门无法将无人机航拍影像与森林资源小班数据等地理信息数据有效结合;森林防疫部门还无法利用无人机实现系统的智能化病虫害防治效果核查，检疫检查还大多依赖于人工排查，如何利用空间分析、遥感影像分类等技术实现林业有害生物监测仍需深入研究。森林防火部门因受无人机航飞时间限制，当前还无法实现火灾的及时监测预警，且全省尚未建立健全的防火指挥调度系统平台，无人机航拍数据仅能用作辅助决策。由于无法与森林资源数据相结合，很难利用无人机进行灾后评估。如何有效利用无人机航拍数据进行智能化数据处理，并应用在林业实际生产和管理工作中，提高无人机在林业中的应用水平和效率，仍是湖北省内各级林业部门的重要课题。

2.2 无人机遥感数据处理较难

目前无人机系统多使用小型数字相机作为机载遥感设备，与传统的航片相比，获取的遥感影像存在相幅小、数量多、影像重叠不规则等缺点，现有软件的图像处理算法难以获得良好的效果，造成遥感影像预处理工作需大量手工操作、效率低等问题。平均1 km2森林面积约需100多张遥感影像甚至更多，遥感数据的快速处理缺乏高性能电脑平台。目前，拼接这些图像时多使用是的国外的盗版软件，存在安全性和知识产权等问题。而且湖北省严重缺乏无人机图像数据处理专门人才，将成为未来湖北省林业无人机推广应用及发展的瓶颈。

2.3 缺乏面向林业行业专用的机载设备

农业喷药、电力巡检、公安巡逻等行业均配置有专业的无人机。林业行业具有特殊性，如森林影響气候，形成森林覆盖地区特殊的局部地区气候。具有温差大，湿度大，降水量多，风速大小不均，高山乱流等特点。广大林区大都地处偏远山区，无人机应用的地理环境较差，因此，需要抗风强、耐湿性好、稳定性强林业专用无人机系统。例如与农业喷药无人机相比，林业行业更需要开发适合林业病虫害特点的喷药专用药箱等机载设备。

2.4 无人机后期维护成本较高

无人机是高精尖的产品，受林区地形地貌状况、山体高度、天气状况、使用对象类别、林区道路状况等影响，飞丢、失控、炸机、干扰等问题将是林业无人机飞行中出现的最常见事故。飞行时受林区恶劣天气、地理环境因素影响，无人机机体机翼、电池等后期维护成本也将逐步增加，尤其是维护人员缺乏，这些都将成为今后林业应用无人机亟须解决的现实问题。

3 无人机在湖北林业应用前景及发展途径

3.1 应用前景

综合运用大数据、物联网、卫星遥感、图像识别、无人机、机器人等新一代信息技术，在资源调查、森林防火、病虫害监测、野生动植物监测、精准植保、林业执法等不同应用领域，创新监管模式，开展林业资源和林业灾害的智能监测、智能预警和智能防控，为林业生产者、管理人员和科技人员提供网络化、智能化和最优化的科学决策服务，有效提升湖北林业综合治理能力和智能化水平。

（1）资源调查方面。利用无人机航拍影像快速实时地获取高分辨率、多尺度的地面观测数据，运用深度学习算法进行智能分析，进行动态监测，及时发现森林消长变化。

（2）森林防火方面。综合利用卫星监测、无人机巡护、智能视频监控、热成像智能识别等技术，针对某一特定区域进行火情监测、火情确认和火场实时监控。

（3）病虫害监测方面。利用拍摄的感病植被航拍图像数据进行智能图片识别，结合视频监控、物联网监测以及地面巡查数据，进行大数据挖掘分析，提高病虫害监测预警预报精度。

（4）野生动植物监测方面。综合应用红外相机、卫星定位追踪、图像智能识别等技术，对多种野生动植物进行实时信息监测，实现野生动植物的动态监测与分类识别。

（5）精准植保方面。综合应用大数据挖掘、深度学习技术，结合位置、网络、移动终端等服务，实时获取森林病虫害发生位置及面积，提高森林病虫害防治的精准作业能力。

（6）林业执法方面。结合人工智能与大数据技术，动态监测林区复杂环境，进行林区现场快速诊断，实时掌握林地使用情况，打击非法占地及非法砍伐等违法行为。

3.2 发展途径

组建无人机林业研究团队，就无人机深入应用问题与高等院校和IT企业开展技术合作，建立无人机遥感校验中心以及遥感数据处理中心，加强人工智能技术应用研究，积极研发林业行业专用无人机及机载设备，提升无人机在湖北林业中的实际应用水平和能力。

（1）建立无人机遥感校验中心。无人机应用本身是一个系统工程，从无人机飞行、数据处理到系统维护都需要大量的技术人员。为规范无人机林业行业发展，推动湖北省无人机林业应用健康、有序、高速发展，建立林业行业权威、公正的无人机校验检测中心，为湖北林业无人机应用提供权威校验检测认证和技术支持服务。包括无人机整机系统、动力系统、机电系统、通讯系统、任务系统、飞控系统的校验检测以及地面保障系统的服务能力。

（2）建立无人机遥感数据处理中心。建立无人机监测影像数据处理中心，推进全省无人机遥感监测信息数据资料的共享及应用。针对无人机遥感影像的特点以及相机定标参数、拍摄时的姿态数据和几何模型对图像进行几何和辐射校正，开发相应的软件进行交互式的处理。同时开发影像自动识别和快速拼接软件，实现影像质量、飞行质量的快速检查和数据的快速处理，满足整套林业应用无人机遥感系统实时、快速的技术要求。

（3）加强人工智能技术应用研究。目前要重点解决现有无人机在林业中的深入应用问题，组织相关无人机企业、高等院校以及科研院所，共同解决无人机在林业应用中存在的难点和疑点。人工智能技术相结合，加强高精度无人机遥感影像的自动解译研究，开展无人机在森林生态旅游地区中对重要游览区三维景观的还原研究，实现高精度无人机遥感影像数据在森林资源调查和监测中的高效和广泛运用，为景区和当地旅游宣传提供有力服务。同时，结合人工智能技术建立健康树光谱反射图数据库，以便于解决病虫害防治的滞后性（即预测）等，同时开展相应的基于无人机的森林病虫害精准监测、森林物候精准监测、地上生物量的精准估算等方面工作。

（4）研发林业行业专用无人机及机载设备。研究借鉴其他行业无人机应用经验，重点研究林业行业专用无人机配置和选型，根据林业业务需求，有针对性的研究和探讨在森林火灾、林业保护区域巡护、国有林场和自然保护区监测、区域调查等业务应用相应的无人机专用机型和专用传感器的配置。如无人机材料的改进，使得机身更加輕便，能抵御恶劣环境干扰，设计方面要保障飞机的稳定性。开展适应于林业行业的专用传感器研究，以便更好的获取相关的森林资源数据，解决目前植保无人机专用药剂的数量和品种不能满足需求，以及无人机高载荷时作业时间短、续航能力弱、林业专业药箱等一系列问题。

参 考 文 献

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（责任编辑：郑京津）