森林保护学专业课程中无人机教学的探索与思考

孙 思，单体江，毛子翎

（华南农业大学 林学与风景园林学院，广州 510642）

目前，在我国的森林保护工作中，使用无人机开展调查监测已属于常态[1]。以作者所在的广东省为例，在调查松材线虫病的过程中，项目承担单位均使用了无人机。这是由森林保护调查工作的特点——面积广大、位置偏僻及林业有害生物有一定特殊危害症状决定的[2-3]。无人机遥感的优势正好对应了这些特点。

由于以上原因，基层一线的林业单位，如区县林业局、乡镇林业站、林场和承担林业项目的相关公司等，均购置了相当数量的无人机。而毕业生又大量充实到这些单位，因此在森林保护学专业的教学工作中加入无人机的内容，已经十分紧迫。

华南农业大学林学与风景园林学院2016年即在森林保护学专业的硕士研究生课程中开展了无人机教学工作，经过几年积累后，又于2020年在森林保护学专业本科生课程中开展了无人机教学工作。作为这些课程的主讲教师，本文作者在教学过程中有了一些体会和思考，主要是以下3点。

1 课程内容的编排

本课程的内容既要讲解无人机的使用，又要兼顾林业有害生物的内容。因此，课程内容分为3大部分，分别是无人机的使用，林业有害生物和使用无人机调查林业有害生物的案例。

1.1 无人机的使用

第一部分具体包括以下内容：电子地图、无人机影像拼接软件和无人机操作介绍。

介绍电子地图的目的是为了航线规划。教师需要向学生说明航线规划是无人机操作的核心内容，只有掌握了航线规划，无人机才真正成为“无人”机；如果只是手动操作，无人机与航模无异。而航线规划的第一步就是在电子地图上划定航拍范围，教师需要在常用的电子地图，如谷歌地图或奥维互动地图上讲解如何寻找地点地名，划定矢量面，并将其导入操作无人机的地面站软件等操作。特别需要向学生说明的是，单架次无法完成大面积拍摄时，如何对矢量面进行切割的问题。解决了这一问题，就解决了很多人心中的“轻型无人机续航能力较低，不能拍摄大面积”的疑问。

对于无人机图像拼接软件，目前市面上的主流软件Pix4dmapper和Photoscan等的操作都是流程化的，难度并不大。教师可选择少量图片示范运行一遍完整的流程，讲解的重点放在软件运行完成后生成的各类成果，主要包括数字正射模型（DOM）、数字表面模型（DSM）、数字地形模型（DTM）和三维飞行动画等。

无人机的操作是一个无法回避的问题。目前部分单位将航拍的任务外包，但多数情况下仍然需要本单位自行操作。如果不掌握好操作，林业有害生物调查工作难以灵活机动的开展，甚至可能导致飞机出现事故。

根据作者的教学经验，除非能达到人手1台无人机，否则无法细致地开展操作的教学工作。因此目前采取的方法是，只花1～2个课时进行操作的示范，主要示范内容是手动控制无人机和航线规划外业部分。让学生了解大致流程和注意事项即可。真正要达到熟练操作无人机的水平，只有在工作中勤加练习，逐渐积累经验。

1.2 林业有害生物

森林保护专业的学生在学习本课程前，已经学习了以森林昆虫学和森林病理学为核心的大量有关林业有害生物的课程。而本门课程是从航拍的角度讲解可在航拍图上观测到的林业有害生物，与其在航拍图上的识别特征。具体内容分为2部分。

第一部分讲解国外研究进展。一些林业发达的国家，如美国和加拿大等，早已普遍开展了使用有人驾驶飞机调查林业有害生物的工作，积累了大量有价值的影像资料和调查经验，值得借鉴学习。第二部分讲解广东省的情况，例如松材线虫病、松突圆蚧、薇甘菊、桉树食叶害虫和桉树梢枯溃疡病等。这些林业有害生物在航拍图上各有特点，因此讲解的侧重点各不相同。松材线虫病重点在讲解染病松树在不同时期颜色的变化；薇甘菊重点在讲解航拍调查的窗口期——薇甘菊的花期；松突圆蚧重点在讲解如何观察分辨整片发黄，但又不至于死亡的松树林；桉树食叶害虫和桉树梢枯溃疡病，重点在讲解病虫害如何扩展。这属于病害流行学的内容。在以前没有航拍技术的情况下，这部分内容研究难度大，讲解难度大。现在通过航拍，不管是调查还是讲解，都形象生动了许多。

国内国外的内容结合讲解，既能让学生了解到早期中国和国外的差距，又让学生学习到现今中国由于民用无人机技术的领先，林业有害生物航拍调查的工作也随之突飞猛进。

1.3 使用无人机调查林业有害生物的案例

讲解实际案例是讲解一个调查项目的全过程，包括内业和外业。具体分为：前期内业——航线规划；外业——现场航拍；后期内业——影像处理与分析。如前文所述，航线规划已有详细讲解，此时再融入案例的实际情况，走一遍流程即可；航拍不作为理论课的重点。因此，案例讲解的重点在于影像分析。而影像分析离不开遥感图像分析软件和地理信息系统（GIS）这两大类软件，这就必须要求课程有一定的学时讲解这些软件的操作。由于这类软件都是一个庞大的系统，所包含的内容与操作极多，因此，讲解时不可能面面俱到，主要考虑与本课程的内容相结合即可。一般主要讲解的是点、线、面矢量的操作与统计分析，以及出图的技术等。

选择案例要考虑2方面的情况，既要考虑该案例在森林保护工作中的典型性，又要考虑该案例在教学中学生的易接受性。因此，教师应按照由易到难、循序渐进的顺序讲解案例。例如，对于松材线虫病导致的枯死木提取，先讲解在GIS中人工打点的方法，此时不涉及遥感图像分析软件。在学生掌握这一基本技术后，再讲解利用遥感分析提取枯死木的技术，并导入GIS统计分析并出图。同理，对于面状发生的病虫害，可先讲解在GIS中人工勾绘发生区域的方法，再讲解利用遥感分析提取发生范围的技术。

2 讲解思路

2.1 基础理论与应用的内容比例

无人机航拍与卫星遥感不同，卫星遥感属于航天遥感，无人机遥感属于航空遥感，但两者的基本原理有很多相同点。在以卫星遥感为核心的林业遥感已经讲解了大量基础理论的前提下，无人机的课程应该尽量压缩讲解理论的比例，以只讲解无人机遥感必须的知识点为宜。

例如，课程一般不再讲解光谱学和坐标系的知识，而只说明图像分析过程中涉及的红、绿、蓝及近红外波段的知识即可。课程也不再详细讲解卫星遥感分析的关键知识点——NDVI植被指数，而是借NDVI植被指数过渡到无人机遥感的常用指数——可见光植被指数。课程的主要精力用于具体案例中航拍图片的讲解与分析，让学生体会到从一个全新角度观察平时所观察到的树木和林地的乐趣。

2.2 硬件（无人机）与软件的关系

在无人机遥感工作流程中，无人机航拍只是其中一个环节。要较好地开展利用无人机调查林业有害生物的工作，还必须掌握多种软件的使用。例如，前面已经提到的软件就有电子地图软件、无人机图像拼接软件、遥感图像分析软件和地理信息系统软件（GIS）等。这都需要一定时间的学习和积累才能熟练掌握。

许多学生对无人机都十分感兴趣，有着学习的热情。但当学生们了解到还要学习大量软件后，又失去了热情。这就需要教师在课程开始时，不但要讲解无人机航拍的乐趣，还要强调说明软件和硬件两者的同等重要性。同时，教师还可以从使用软件分析可以大大减轻外业工作量的角度，来激发学生的学习兴趣。例如，使用遥感图像分析软件和地理信息系统软件对航拍结果进行分析，可以输出受害树木的位置、面积，甚至株数等结果，而无需深入林中调查。这也向学生传递了林业调查工作包含了较高的技术含量，而不是一味的艰苦体力劳动。

2.3 新技术的应用

围绕无人机遥感的相关软硬件技术一直在日新月异地发展。从硬件来说，使用的主流轻型无人机刚开始只搭载了可见光传感器（相机），后来又有了热成像和多光谱（近红外）传感器，现在还有激光雷达和高光谱传感器。而软件从刚开始的常规遥感分析到现在的深度学习，成为了研究热点。软件和硬件的内容繁多，应以学生的接受程度和工作单位的实际需要为标准，来进行选择性讲解。

例如，对于不同的传感器获得的数据，除可见光为核心的讲解内容外，还可加入较多的多光谱传感器的内容。因为多光谱传感器的主要作用是监测植物的生长势，而各类林业有害生物导致的结果就是林木的生长势不良。因此多光谱传感器在林业有害生物调查监测中的作用不言而喻。高光谱传感器也可用于林业有害生物的监测，但由于其价格昂贵，且图像分析难度较大，在基层林业单位中较少购置这类设备。热成像传感器主要用于森林火灾的监测，激光雷达主要用于森林培育和森林经理等方向。因此这几类传感器在讲解时简单介绍即可。

对于人工智能中的深度学习，目前在松材线虫病引起的枯死松树识别上应用十分广泛，属于研究热点[4]，已有大量论文发表。而学生们对于深度学习也并不陌生，如人脸识别已经大量应用于各类生活场景中。但学生对其具体过程，特别是涉及到编程的内容，都感到陌生或无兴趣。因此教师需要对学生讲解示范的是，目前在许多主流软件中，如遥感应用的核心软件GIS，都已经融合了深度学习的功能。其过程为流程化的操作，无需编程的知识也可学习掌握。

3 发展方向

无人机遥感的兴起是因为其能够补充卫星遥感的劣势，但不是代替卫星遥感。两者是优势互补的关系。随着我国航天技术的飞速发展，发射的卫星数量和种类越来越多，卫星遥感的应用也必将得到进一步加强。早期由于分辨率所限，卫星影像上难以分辨单株树木。近年来由于卫星影像的分辨率大幅提高，从部分高分辨率的卫星影像上已经足以分辨出单株松树。因此一些单位已经开展了使用卫星影像调查枯死松树的工作，国家层面也已经开展了使用卫星影像督查各地松材线虫病防控效果的工作。

同时，授课时要说明，除个别有害植物，如薇甘菊以外，遥感调查并不能观察到有害生物本身，而只是观察到受害树木及其表现出的各种症状。要准确鉴定有害生物的种类，必须要结合地面踏查的工作。以调查枯死松树为例，广东省常见的致死原因，除松材线虫病以外，还有干旱、过度割脂和人为破坏等。这几种原因致死的松树在航拍图上较为相似，通常要通过地面调查来鉴定死亡原因。因此学生必须具备地面调查的功底，如松材线虫病常见的树干天牛蛀屑，木质部蓝变等症状。

只有将三者结合运用，才能在将来做好林业有害生物的调查工作。因此本文作者提出以GIS为核心，地面调查、无人机遥感、卫星遥感3种调查技术相结合的“三位一体”思路。即学生需要掌握这3种技术并熟练使用GIS软件。课程的编排也要由现在的卫星遥感和无人机遥感各为独立的课程，逐渐转变为以案例为载体，地面调查、无人机遥感、卫星遥感结合使用的形式，让学生具备能够分析何种场景、何种林业有害生物适合何种调查方式的能力。

由于林业有害生物调查工作需求的巨大，教师可以从科研中不断总结吸取经验，再加上无人机相关技术的突飞猛进，实际上作者每年讲授的课程都作了一些调整和改进。同时也因为本课程覆盖的范围不断扩展，如已经开设了药用植物病虫害防治，特别是南药的病虫害防控，都融入了无人机遥感的内容。相信森林保护学课程中的无人机教学工作会一直处于这种不断调整上升中，以更加适应学生和社会需求。