浅谈无人机在国土绿化行动中的应用

袁耀，韩小红，洪宇，尚帅斌，郭昊，贾茜

1.国家林业和草原局西北调查规划院，陕西西安 710048；

2.旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室，陕西西安710048

1 研究背景

建设生态文明，关系人民福祉、关乎民族未来。开展大规模国土绿化行动是生态建设的核心内容，是建设绿水青山的内在要求[1]，是贯彻习近平生态文明思想的生动实践，是实现绿色发展、创造优美人居环境的主要途径，对建设生态文明和美丽中国具有重大意义。“十三五”期间，中国生态状况明显改善，森林覆盖率达到23.04%，森林蓄积量达到175.6×108m3，完成造林种草4986.67×104hm2[2]。按照“十四五”林业草原保护发展纲要的要求，到2025年，规划完成国土绿化3333.34×104hm2[2]。

无人机作为一种远程操控的小型飞行器，近年来在交通、农业、测量、林业等领域逐渐推广应用，而开展大规模国土绿化行动，要求遵循生态系统内在规律，科学合理布局绿化空间。目前，国土绿化工程设计主要参照卫星影像、森林资源管理数据库，结合现地调查核实绘制设计图纸，何兴平等人研究利用多源遥感数据对森林生态系统进行规划、监测、生物量估算[3]，但受限于遥感数据季相差异，存在估算范围不准确、监测效率低等现实问题；张园等人将无人机遥感技术应用于林业资源调查中，说明无人机操作简单、灵活机动、携带方便等优势能够有效提高调查效率[4]；王小昆等人采用无人机遥感技术进行营造林监测，使造林监测的样本抽取更有针对性，能准确查清成林面积，提升监测水平[5]；陈铭潮等人提出无人机低空遥感从数据采集、数据处理、数据管理到生产实践的应用模式，探索构建无人机应用系统平台[6]。无人机在林业监测验收、监管巡护等方面的应用，有利于减缓降低人力成本，提高成果准确性、可信度和说服力。该文基于国土绿化行动的要求，探索将无人机应用于科学造林工程当中，研究无人机技术应用的特点，探讨建立国土绿化无人机应用体系，进一步夯实科学营造林基础、强化林草资源监督与管护、提高国土绿化行动实施效果。

2 研究目的

无人机在国土绿化行动中的应用是落实科学绿化、健全监测系统、强化生态文明理念的重要抓手，能够准确识别造林空间、有效提升监管效率，全面完善智慧林业建设体系。采用无人机倾斜摄影技术、空中巡护系统[6]，充分衔接国土空间规划，在工程实施初期，对造林区域进行航测飞行，合理划定规划范围；根据工程实施进度，严格落实营造林监理制度，制定不同的无人机监测巡护频率，提高国土绿化质量，科学评估国土绿化成效；结合林长制实施落实，对国土绿化区域进行林火监测管理，确保第一时间林火识别、病虫害辨别，进行火情传送、动态跟踪林火扑救[7]，最大限度地降低灾害损失；全面宣传规模化国土绿化成效，提高人们义务植树、生态保护的意识，推动国土绿化高质量发展。

3 技术思路

将无人机应用于国土绿化行动，统筹考虑绿化空间、营造林监理、造林成效监测、灾害防控预警等因素，以建立完善的科学绿化体系，构建国土绿化无人机应用系统。根据国土三调数据中划定的造林空间范围，科学设定无人机飞行航线，采集处理航测影像数据，为合理规划造林树种及密度提供依据；利用无人机远程操控系统，配置红外热成像仪、高清透雾摄像头等仪器设备，搭载移动互联应用服务技术，实现区域内实时监控，全面提升造林监理验收、资源管护效率；结合林长制分区管护的要求，建立无人机网格化监测巡护机制，实时采集林火、病虫害监测数据，强化灾害防控、指挥决策水平，打造高效准确的灾害综合防控预警服务平台，探索建立国土绿化新模式。

4 应用领域

4.1 科学绿化

精准落实绿化空间是推进国土绿化行动的基础，根据第三次国土调查数据和国土空间规划，科学划定绿化用地，合理配置林草植被，科学选择绿化方式，实行精准化规划与管理。采用无人机搭载索尼α5100 数码相机（有效像素为2430 万），使用飞马智能航测系统F1000（23.5mm×15.6mm 传感器），按照预定的飞行航线，对拟规划区域进行航空摄影测量，将获取的像片通过Pix4D 软件进行畸变校正、自动空三处理、连接点与控制点校正等处理[8]，获得数字正射影像（DOM）。参照航测影像，准确鉴定造林范围与不可作业面积，分析识别地形地貌、植被盖度等自然因素，科学选择造林模式，合理确定栽植密度和造林树种，精确统计用苗量，规范开展绿化设计与施工。

4.2 营造林监理

为实现“种一棵、活一棵、成材一棵”的科学绿化目标，严格执行营造林项目工程监理制度，对营造林工程质量、进度、投资进行合理控制，提高营造林工程建设质量。国土绿化工程作业区情况复杂、规模大、工期长，工程监理、验收需要耗费大量的人力物力，而无人机体积小携带方便，对起飞和降落要求不高，可进行超低空飞行，通过搭载可见光传感器、树种识别智能模块，采集工程区内的造林数据[9]，统计造林树种栽植密度、保存量等因子，从而比较分析作业设计的符合性和规范性；此外，无人机可以全自动操作模式和半自动人工操作模式相互切换，针对地形复杂的区域，通过提高日常监测频率，摸清“造了多少、造在哪里”，及时发现工程实施中存在的问题，确保工程实施质量。

4.3 信息化监测与评估

以无人机技术为支撑，对绿化区域进行航片拍摄，将拍摄数据加工处理，对比分析绿化前后的正射影像图[10]，可直接量测绿化面积，核算城市植被覆盖度的变化；通过无人机巡护，全覆盖监测国土绿化，实现“天上看、地面查”，及时将国土绿化任务和成果落到实地、落到图斑、落到数据库，全面监测林草资源变化，各类数据信息实时采集、深度挖掘和自动化、智能化分析预判，提升国土绿化状况监测信息化、精准化水平，科学评估国土绿化成效，构建天空地一体化综合监测评价体系。

4.4 巩固提升绿化效果

为转变长期以来“重量轻质、重造轻管”的问题，进一步加强新造幼林地管护，完善绿化后期养护管理，提高成活保存率。依托无人机巡护系统，根据森林和草原灾害风险普查的分析评估结果，将绿化区域划分为标准方形格网，建立无人机网格巡护机制，定期完成相应的巡护监测任务，减少监测盲区，及时发现区域内火情火险、病虫害等情况，进行智能识别及预警，能够有效改善绿化区域灾害防控能力。另外，无人机前期投入与后期维护成本低，既可以通过预先设定的程序进行自主飞行，也可以在地面控制人员的操控下完成半自动控制飞行，进而扩大了地面巡护的半径，对于早期林火、病虫害的发现意义重大，是提升新造幼林地后期管护及灾害防控水平的重要手段。

4.5 林业工程宣传

将无人机参与到国土绿化全过程，通过独特的摄影视角，可以将国土绿化的规模和效果更完整的展现出来，使工程实施的细节全部呈现在大众面前，增强绿化造林的认同度，努力开创造林绿化新格局；利用5G 网络、中继站超视距测控网络等进行国土绿化“云直播”，让广大网友参与到国土绿化的“云监工”，提高“互联网+全民义务植树”，增强全民绿化参与度和责任感，营造全民造林护林氛围；无人机监测半径大、效率高，通过搭载语音传输和扩音模块，在巡航过程中，可以定期播报生态文化的相关知识，提高生态文明理念的宣传频率和广度，增强大众的生态保护意识。

5 实施方案

5.1 收集基础数据

按照《无人驾驶航空器飞行管理条例》的要求，遵循国土绿化行动的规划设计、监理、质量验收等标准规范，收集无人机航测区域的相关数据资料，包括：基础地理数据（政区图、交通图、水源分布图等数字线划图）、林草专题数据、区域生态红线图等。

5.2 设置监测网格

结合林长制的推广落实，参照国土空间规划成果，综合考虑单架无人机每日有效巡航作业范围、起降点的位置距离、数据信息的传输距离等因素，将国土绿化范围划分为若干个监测、巡护网格，根据监测管护的要求，建立无人机网格化监测体系。

5.3 航测作业飞行

结合作业区的地形条件，按照设计、监测要求的精度、分辨率等条件，合理设定飞行高度、航向重叠率、旁向重叠率等参数，科学规划航测线路，拍摄绿化区航测像片；无人机现场起降点操作人员严格按照起飞指令、飞行要求开展航测作业，逐步实行监测、管护工作常态化。

5.4 数据处理

无人机的航测像片根据使用要求，经Pix4D 软件处理校正后，成为作业设计、工程验收的底图；同时航测过程中的各种数据实时向不同用户推送，管理单位可以实时或者回看监测视频，并储存在终端服务器，针对工程实施问题、灾害事件等第一时间上报相关部门，以便及时采取应急措施。

5.5 统计分析

将国土绿化作业区施工前后的正射影像进行比较，根据NDVI 等指数变换，识别统计造林绿化工程数据，初步预测国土绿化行动成效，判断工程是否严格按照规划设计实施，分析工程实施过程中存在的问题并总结经验教训，从而完善国土绿化机制、优化资源配置，强化质量监管，确保国土绿化成效。

6 结语

随着无人机技术的迅速发展以及国土绿化建设格局的逐步完善，依托无人机机动性强、操作智能等技术优势，有效提升了国土绿化作业设计的规范化、科学化、精细化水平，落实了营造林监理责任，提高了绿化区域的监测管护效率，促进了生态文明理念的宣传，推动了林草生态健康发展。但是，无人机在国土绿化行动中的应用，还有一些关键问题亟待解决，比如无人机的电池续航差影响飞行作业距离、监测范围的设置，导致飞行频次增加；林业工程项目的投资金额有限，限制无人机在所有林业工程推广应用，降低使用成本势在必行；无人机航测易受天气干扰，有效飞行时间缩短，影响监测管护。总之，无人机技术的不断进步和发展，必将会为中国国土绿化事业做出更多积极贡献，有利于促进国土绿化行动的高质量健康发展，具有良好的应用潜力。