无人机技术在林业生产与管理中的应用分析

罗文书

摘 要 无人机具有部署灵活、操作简便高效、低成本的优势，可在林业生产与管理中发挥重要作用。对无人机在植树造林，病虫害防治，森林防火，森林资源调查（森林面积测算、林分结构测算、森林蓄积量估算），森林执法及野生动植物保护等方面的应用进行了简析。

关键词 无人机;林业生产;林业管理;应用

中图分类号：S779 文献标志码：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.053

无人驾驶飞机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）（以下简称无人机）是利用机载导航定位与飞行控制系统实现自主飞行或远程遥控飞行的飞行器，其凭借较低的制造成本、灵活便捷的部署性和高效的作业性等优势在林业生产和管理中得到广泛应用，扮演着促进林业发展的重要角色[1]。例如，无人机在森林防火、病虫害监测、森林执法、营造林核查及林业资源调查等领域中的应用价值极其显著[2]。本文对无人机技术在林业生产与管理中的应用进行了分析。

1  林业应用无人机的优势分析

1.1  提高精准度

基于高度发达的信息技术，无人机辅助可实现林业数据精确录入：无人机用于林业测量可实现厘米级精确测量、用于林业定位可实现分米级精确定位、用于林业摄影可获得多视角的高清影像、辅助林业作业可实现精准控制和精细化施工[3]。

1.2  提升效率

无人机作业效率为传统人工作业效率的几十倍，甚至上百倍。例如，无人机每日可核查的造林面积是人工核查面积的39倍，无人机每日可巡护的森林资源面积是人工巡护面积的20倍（多旋翼无人机）到33倍（固定翼无人机）[3]。

1.3  提高安全系数

无人机不受高山、峡谷等自然环境及严寒、高温等气候条件的影响，能在顺利完成指定任务的同时充分保障作业人员的安全。例如，在人员难以进入的区域，通过无人机多角度航拍能获取相关数据。无人机能在森林火灾、地质灾害、动物疫情暴发等高风险区域完成作业，降低人员的作业风险。

1.4  提高智能水平

借助人工智能技术，无人机可以智能识别野生动物，在病虫害普查领域（如调查松材线虫）的准確率在95%以上，还可以完成自动测绘和计算任务[3]。通过无人机，平台可以对偏远山区的林业生产和管理进行远程协助，如造林绿化、防火指挥等。无人机还能作为中继通信平台协助实现信息互联共享，借助虚拟现实技术实现远程操控和互动交流。

2  林业用无人机的类别与技术特点

2.1  无人机的类别

林业用无人机大体上分为固定翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机3大类[4]。固定翼无人机飞行速度、续航能力均比多旋翼无人机出色，但需要专门的起降场地，这在一定程度上限制了它的使用范围。目前，多旋翼无人机的应用最为广泛，因为它对起降场地要求低、部署灵活、成本低及操作简便。无人直升机可在空中随意悬停，对起降场地的要求比固定翼无人机低，空中飞行极为灵活，但对操控技术要求很高，且造价昂贵。

2.2  无人机的技术特点

1）无人机无需人员随机飞行，对操控人员的要求比载人飞机低得多，当然操控无人机也需要一定的技术，这样才能确保无人机稳定可靠地飞行并高质量地完成指定任务。2）无人机具有极强的环境适应能力，可在人力难以抵达的区域工作，如在高山、峡谷、密林深处等恶劣环境中飞行并完成任务。3）无人机拆卸安装方便，可灵活部署和执行多种任务。4）当下信息技术高度发展，无人机获取和共享信息的能力极为出色，能精准执行任务指令，即无人机技术具有适用性、实用性和灵活性等突出优势。

3  无人机技术在林业生产与管理中的应用

3.1  植树造林

飞播造林过去主要通过载人飞机实现，播种面积较大，但飞机租用费用较高。随着无人机技术的普及，无人机飞播造林已在全国很多地区开展，能极大地提高难度造林的页岩、石灰岩、钙质岩等“硬骨头”地区及高山、远山、陡山、矿山的绿化效率。载人飞机开展飞播造林时间较久，目前无人机飞播造林还属于新生事物，相关研究文献较少。各地多以试点方式开展无人机飞播造林工作，有关树种选择、飞播成苗规律、飞播林密度效应、飞播混交方式、飞播林病虫害防治和火灾扑救等内容大多参照载人飞机飞播造林经验，针对无人机特点的高效、高质量飞播造林技术仍在探索之中。

飞播造林可采用多旋翼无人机，也有应用固定翼无人机的案例。采用多旋翼无人机时，在无人机主体下部设置播种罐或播种箱，罐内放置树种，无人机飞行在播种区域上空时，播种罐内的机构能让树种均匀播撒下来[5]。还可以利用无人机进行施肥、授粉、辅助采收等工作。利用无人机采集营造林数据，可指导和监督现场人员施工，提高作业效率和保证施工质量。

3.2  病虫害防治

应用无人机防治病虫害主要体现在对森林病虫害进行监测和以无人机为载具喷洒防治药品两个方面。无人机上可搭载多光谱成像设备，通过对病态树木图像颜色、纹理特征的分析识别病木种类、林相结构、分布面积等内容，制订相应的病虫害防治措施。例如，橡木甲虫侵害栎树后，树冠上大量叶片会脱落，通过无人机搭载的红外成像设备能发现树冠反射特征的显著变化，识别和确定橡木甲虫侵害情况。再如，松树林感染松材线虫病后叶片会变红，通过无人机拍摄的影像颜色变化可以识别出松材线虫侵害情况。

无人机上搭载植保药械可对受害林木喷洒药剂。在丘陵坡地人工植保难度大、效率低，而且操作人员长时间接触药物，对健康不利，而无人机可以远离药剂喷洒范围，保障人员安全。通过利用无人机上的高精度导航定位和飞控系统能实现精准施药，对疫木进行定点处理。采取病虫害防治措施后，可通过无人机对防治措施实施效果进行评价和验收，如评价疫木处置率、除治成功率等。

3.3  森林防火

无人机与遥感技术结合已成为监测森林火灾的一种安全、便捷、经济的方法。无人机在森林防火中的应用包括监测火情、预警、搜救和灾后评估等。无人机巡飞覆盖面积大，可到达人力不便抵达的区域，定点巡飞能解决卫星遥感分辨率不足的问题。无人机搭载热成像设备、温度传感器、烟雾感应设备后，能在巡飞过程中锁定着火点，向工作人员报警，便于工作人员快速发现和排查火情。无人机上挂载灭火弹、干冰和水等灭火材料，投放在着火点能快速扑灭火灾。无人机上加载广播设备，能向林区群众进行宣传、预警和警戒。无人机上加装照明灯、通信设备，可用于消防照明和通信中继。

无人机的数据传输功能可将现场获取的信息实时传送至防火指挥中心，指挥中心可根据掌握的信息进行科学调度与合理指挥。通过分析无人机检测着火点、过火面积、蔓延方向和扑救进展等信息，可有针对性地制订和调整灭火方案，包括确定扑救路线、优化灭火方式、投放灭火物资等内容。利用无人机能实时指导灭火工作，向参与灭火的队伍提供最佳扑救路线，及时补给物资，并向灭火队员发出危险预警等。灾后可利用无人机进行灾害损失评估，分析火灾发生原因，评价火灾损毁程度，清点活木与死木，制订灾后清理和植被恢复方案。

3.4  森林资源调查

掌握森林资源的现状和演替态势是有效保护和利用森林资源的前提和基础。由于森林资源分布广、范围大，传统人工作业方式工作强度大、效率低，而且深入复杂环境中有一定危险性。应用无人机进行森林资源调查能降低人员实地踏勘工作的难度和强度，提升工作效率，降低危险性。无人机进行森林资源调查的主要内容包括森林面积测算、林分結构测算、森林蓄积量估算等。

3.4.1  森林面积测算

无人机测算森林面积是以无人机为载具平台，搭载遥感设备来获取图像，并经专业人员处理生成正摄影像图和矢量图，由图可估算出森林面积。例如，搭载CMOS相机获取森林全景图像，获得的图像不能直接用于面积计算，需要对特征点进行测量和标定，并对图像畸变进行校正。森林面积具有明显边界特征，采用适当的算法和形态学原理可以识别图像边缘。无人机搭载的导航定位系统能记录拍摄期间的经纬度、飞行高度等数据，提取面积测算范围的林地二值图像数据，再根据相机标定获得的位置坐标，即能对整幅图像进行定位，求出每一个像素的经纬度。将图像经纬度转化为投影坐标系，统计测区的像元数量，再结合图像分辨率即可计算测区面积。

3.4.2  林分结构测算

林分结构是指林分内部的分布结构，包括树种组成、林分郁闭度（林分密度）、树高和胸径等内容。1）以郁闭度为例，一般采用树冠投影法、抬头望法、样线法和遥感图判读法等，使用无人机可以利用这些原理测量林分郁闭度。规划无人机从林区上空2种高度拍摄，每块样地往返飞行4次，得到4组图像。利用无人机拍摄的正摄影像图，通过软件对树冠进行分割，然后再将对角线树冠覆盖长度除以两对角线长度（样线法），得到郁闭度。树冠分割方法可采用分水岭法。在实际郁闭度为0.5～0.9时，无人机测量的郁闭度误差值不超过0.01[6]。2）以树高测量为例，传统主要采用测高仪测量，目前也有采用激光测距仪测量树高。无人机测量树高的原理是将拍摄的图像处理成树冠点云和地面点云，两者的高度差即为树高，点云的分割可采用阈值法。采用无人机测量树高与在地面上使用全站仪测量树高的误差不超过10%，说明利用无人机测量树高数据是可靠的[6]。

3.4.3  森林蓄积量估算

森林蓄积量主要指树干部分材积。无人机测算森林蓄积量，需先测取树冠和树高的数据，再在三维模型中计算林木总材积。无人机估算森林蓄积量的方法是通过无人机遥感获取样地正摄影像图，提取单木树冠信息，包括树冠面积和冠幅数据。树冠信息的提取要采用影像分割技术，分割后对不同特征的影像进行分类，从中确定树冠覆盖区及其他区域。通过调整分割范围勾画出单木树冠，部分树木相互重叠和遮挡，提取单一树木冠幅有困难，应采用适合的分割算法。以云杉树冠面积数据获取为例，面积小的不足2 m2，面积大的接近25 m2。单木生物量的计算可通过树高、胸径等因子，利用线性或非线性模型来估算。例如，单木树冠面积为8.24 m2，胸径为13.71 m，估算单木生物量为60.52 kg[7]。

3.5  森林执法

森林执法最关键的问题是取证，由于现场勘察难、检测追踪难，导致森林执法遇到诸多困难，甚至面临较大安全风险。无人机航拍获得的正摄影像图、林分结构、植被状况等数据可作为森林执法的佐证材料。利用无人机可对森林进行实时核查和即时监测，快速获取图斑变化数据，为监管部门的森林执法提供有效证据。通过无人机巡飞、抓拍，为非法采挖、盗砍盗伐、非法捕猎等案件查处锁定证据。利用无人机可追踪涉林违法案件，远比路口设卡、设障等方式灵活和高效，尤其对流窜作案者的锁定更为直接。

目前，采用轻小型无人机对林场进行监测的应用已十分广泛，具有成本低廉、隐蔽灵活等优势，一般可分为4步。1）精心准备，提前规划。了解监视区域天气、树种、范围等情况，雨天、刮风天气不适合无人机飞行。提前规划飞行路线、设置图像分辨率、布置像控点等。2）灵活、准确地操控无人机巡飞和航拍。在森林执法飞行过程中，会遇到需要临时调整飞行路线的情况，这时要结合实际情况对航线进行优化。3）航拍后要及时导出数据，如果影像不符合要求应重拍和补拍。采集数据后进行内业处理，生成符合要求的影像，如正摄影像图。4）编制报告。例如，非法侵占林地事件要整理出侵占前的影像，将当前影像与其对比，由此得出侵占面积等结论，利于执法部门执法。

3.6  野生动植物保护

无人机可以用来监测野生动物的栖息地、追踪野生动物种群迁徙、对野生动物进行救护等。利用无人机在目标野生动物活动区域进行监测，了解野生动物种群状况和环境变化，通过无人机对食物短缺的野生动物投放食物，调查野生动植物疫情，监控非法捕猎野生动物行为，为野生动植物保护提供依据。

4  结语

无人机应用于林业生产与管理中，提高了林业产业的生产效率和管理水平，尤其是无人机信息化、智能化技术的应用，为建设智慧林业和高效林业奠定了坚实基础。随着无人机平台的不断完善，必将进一步提升现代林业发展水平。

参考文献：

[1] 张军国，闫浩，胡春鹤，等.无人机在林业中的应用及前景展望[J].林业工程学报，2019，4（1）：8-16.

[2] 李兴杰.无人机技术在林业中的应用浅析[J].南方农业，2022，16（1）：129-131.

[3] 王生.无人机在林业中的应用研究[D].武汉：华中师范大学，2021：54.

[4] 贾茜.无人机在森林资源管理中的应用[D].杨凌：西北农林科技大学，2017.

[5] 河南省林业调查规划院，河南播荫植保科技有限公司.一种飞播造林用无人机：202122793134.1[P]. 2022-04-12.

[6] 严羽.基于无人机的林分郁闭度和树高估测研究[D].杭州：浙江农林大学，2019.

[7] 金忠明.无人机单木地上生物量和小班因子估测方法研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2020.

（责任编辑：张春雨  盛  伟）