无人机在林业中的应用

卢小娟 曾露阳

摘要 随着RS遥感技术、GPS卫星定位系统技术、GIS地理信息系统、电子无线电控制技术等技术的飞速发展，无人机及其相关技术在我国许多领域尤其是林业工作中得到了广泛应用。本文重点讨论了无人机技术在森林经理、森林培育、森林保护、林业自然灾害调查、林业基础设施建设、林业执法等实际林业工作中的应用。

关键词 无人机；林业；应用

中图分类号 S779   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2023）11-0139-04

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种自带飞行控制系统和导航定位系统的无人驾驶飞行器。无人机由通用飞行部件、远程自动操作程序、自动驾驶仪、自动导航系统和无线通信系统组成。在不同领域的具体应用中，根据工作需要携带不同的仪器和系统[1]。无人机种类多样，在农业上被广泛应用于植物生长和病虫害监测、喷撒肥料、病虫害防治，在规模化生产上优势明显。胡兴年等[2]将无人机应用于规模化稻鸭共作中，产生了良好的经济效益和生态效益。陈红兰[3]应用植保无人机于安徽安庆市对棉花进行病虫害防治，使化肥农药减施18%、棉花增产7.2%、节省用工24%，避免了因大量使用氮肥造成多施不多收和土壤板结现象，减轻了农药对农作物和土壤造成的污染，更好地保护了生态环境。余洪菊等[4]用无人机喷施农药防治水稻田杂草安全性高、作业效率高、除草效果好。在林业上应用较为广泛的是固定翼和多旋翼无人机。我国林业资源早期主要采取人工实地监测方式调查，森林培育为人工作业，森林火灾通过瞭望台观察防控，森林病虫害采用人工喷洒药物等方式防控，所有的林业工作几乎都是人工现场完成。随着科技发展，我国林业工作交由卫星遥感技术完成，但对于影像精度要求较低，分辨率从2.5 m仅提高到0.5 m。利用无人机技术能显著提高遥感影像的精度，可以确保其精度控制在0.2 m之内。因此，无人机结合GIS系统，可以更精确、及时、方便地动态化监测和管理森林资源[5]。无人机具有简便、快捷、实时的优点，随着GPS全球定位系统技术、RS遥感技术、GIS地理信息系统、电子无线电控制技术等技术不断发展，无人机在林业各个领域得到了广泛应用。

1 无人机在林业工作中应用的优点

无人机现普遍应用于生态环境监测、森林资源调查、营造林建设及验收管理、护林防火、森林病虫害防治、森林资源管护、项目建设开发、林业执法等各项生产领域，其应用不断推进了智慧林业建设。与有人机相比，无人机具有成本低、能耗少、操作简单、无需特殊机场的特点。与人工作业相比，具有快捷简便、省时省力、斑块范围调查准确、可到达地形类型丰富等优点。无人机应用在节省财力和物力的同时，可以有效地降低人员操作风险，非常适合森林和山区等复杂地形作业。

1.1 经济实用

无人机具有经济实用的特点，其遥感系统成本远低于卫星、载人飞机以及人工作业；辐射回收场地的需求低于卫星和载人飞机，无需租用场地起降，日常维护极为简单；操作比卫星和载人飞机简单，面向公众，易于控制。因此，无人机遥感极大地降低了林业资源数据获取的资金投入成本。

1.2 机动灵活

无人机航拍具有较高的自由度，飞行高度通常在1 km以下空域，不需要提前进行空域申请，可以随时随地进行航拍。无人机启航方便，可以从田野、山岭、海滩、空地等区域快速起飞获取遥感图像，并通过滑行、跳伞、撞网、一键返航等方式进行召回。

1.3 参数精准度高

人工勾绘精度较差，特别是没有经验的人员。无人机低空起飞可获得高分辨率遥感图像，图像空间分辨率可精确到分米，能准确地反映大多数地物的形状、质量和色調。无人机还可以通过在不同时间进行航拍，避免一定方向阴影对图像的影响。

1.4 气候影响小

无人机是一种能够在多云气候下运行的低空导航设备，不仅填补了卫星光学遥感被云层遮挡的空白，还解决了载人航天遥感受恶劣天气限制的问题[6]。

2 无人机技术在林业工作中的应用

2.1 在林业经理中的应用

2.1.1 森林资源和生态环境监测  森林资源和生态环境监测是一个极为复杂的过程。无人机具有灵活、高效、便捷的特点，克服了传统遥感技术更新时间久和空间分辨率低的局限，可以满足遥感动态观测需求和定制化要求，应用激光雷达遥感结合人工智能方法，可以从单木尺度对某一植物扩张进行监测，也可以从林分尺度对林分蓄积量与生物多样性指数进行估测[7]。结合定点监测，可以进行野生动物监测，监测野生动物种群、数量、生活规律和活动轨迹。

在生态环境监测中，应用无人机可以实时监测植被变化、水土流失情况、水质和水污染等生态指标变化情况，为生态治理和生态修复提供本底材料。

2.1.2 森林资源调查  森林资源调查是林业工作中的一项重要任务，具有工作量大、爬山难度大、强度高、数据精度要求高等特点，传统的调查工作需要耗费大量的人力、物力，且调查效率相对较低，不能实现全覆盖，调查精度也较低。而应用无人机技术，可利用无人机遥感系统机动灵活的特点，快速到达作业区域，受地形和气象环境影响较小，能实时获取森林资源的高清航空数据。目前可通过无人机遥感图像获取的森林类型、分布情况、林分结构、郁闭度、树冠、高度、树龄、树种及单木高度和单木冠幅等数据，结合3S（GPS、RS、GIS）技术，测算森林面积和林蓄积量，电脑化管理森林资源数据。

2.2 在森林培育中的应用

2.2.1 无人机播种造林  在地域辽阔、人迹罕至的地区，飞播造林是国土绿化的有效方法。80年代我国实施造林灭荒绿化工程，在我国西北、西南等地区采用飞机撒播马尾松等种子，造林绿化了大片国土。飞播造林曾采用军用飞机等较大型飞机，但在面积不大却交通不便的地方，无人机飞播造林是一种有效快捷方法。

2.2.2 营造林综合核查  利用无人机获取的高清航拍图像，利用地理信息系统，计算造林面积、造林密度、成活（保存）率、林木生长情况和工程质量情况，进行营造林综合核查。将传统的人工调查和无人机调查方式结合应用，可以提高林业营造林核查效率、减少外业工作时长、完善核查结果，使数据更加全面准确。

2.3 在森林保护中的应用

2.3.1 森林病虫害监测及防治  传统的森林病虫害监测及防治主要依靠人工作业，难以实现监测与防治的及时性和有效覆盖。随着摄像传感器水平不断提升，无人机遥感技术受到巨大关注，极大提升了对森林病虫害实时监测能力。将遥感技术与GPS地理坐标相结合，对有症状的病树实现快速定位，相较传统人工勘察定位的方法具有明显优势。将采集的可见光图像及红外图像进行分类与综合分析，用颜色和纹理作特征输入向量识别病害树木，实现了对轻度、中度、重度患病树木进行精准分类。哪些树是枯死木，自动勾绘的同时，可计算出病虫害面积，同时具备效率高、速度快、探测范围大、定位识别准确、组织实施灵活等优势，特别是对于难以到达的复杂区域的探测效果更好。

森林病虫病防治中，利用无人机喷施农药，不仅可以有效避免在喷施过程中林业工作人员与农药的直接接触，保障工作人员安全，而且喷药均匀、作业不受高度影响。据初步估算，1台植保无人机1 d正常喷药作业面积可达13.32～13.67 hm2，相当于传统喷淋机作业面积的7～10倍，有效减少人力成本，极大提高了病虫害防治作业效率。

2.3.2 森林防火  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监测是林业管理中的重要工作之一。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[8]。瞭望台观测和地面巡视覆盖面有限、人工成本高且存在视觉盲点，监测效率低。卫星遥感对森林火灾的监测常常存在不及时的情况，且受天气影响较大。无人机技术具有成本低、时效强、及时发现、及时预警、安全扑救等优点，火情发生时，能够通过操作无人机拍摄图像、热成像技术等，即时传输监测数据，直观地确定起火点和火势范围，有利于工作人员及时组织扑救并对火情蔓延情况进行科学预判，更有效地组织人民群众进行转移。同时，火灾扑救工作具有相当的危险性，而无人机可以及时输送救助物资及设备，保证消防工作的有效进行。无人机具有使用简便、机动性好、便于投放、没有人员安全风险的优点，特别适合森林防火作业中的人工增雨，1台无人机可携带10枚增雨焰条，可通过地面遥控点燃焰条，10枚增雨焰条可满足100 km2的人工降雨作业区域。

2.3.3 林地林木巡查管护  对长期在林地巡查监测的一线护林人而言，更准确获取森林信息、提高巡查覆盖广度和密度是需要解决的痛点。森林内情况复杂，山路蜿蜒、林木茂密，护林员和传统摄像头不可能做到实时无死角监控。采用无人机对林业资源进行巡查管护，能及时发现林木偷盗、乱砍滥伐、侵占林地、毁林开垦、偷挖偷猎国家重点保护野生动植物等违法行为，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，能及时制止各种违法行为。更为重要的是，基层使用无人机所采集的三维模型、照片、视频等资料，都可通过云台共享至上级部门，让信息流通无阻、沟通高效，有利于决策部门快速响应，也让护林工作更高效优质。

2.4 在林业基础设施建设中的应用

根据林区骨干道路的設计目的、功能要求等，搜集地形图数据、土壤类型图、遥感影像数据、GPS数据、DEM（数字高程模型）数据等相关基础资料。通过无人机获取的遥感影像数据与DEM叠加，展现三维可视化场景，让人直观、形象化地认识道路沿线相关的地质地貌状况，可直观锁定坡度较小、距离较短的道路规划路线。无人机还可以采集到高清且丰富的影像信息，清晰观察林地上的各种情况，避开坟山、高压线塔架、发射塔等障碍物，方便道路设计人员进行林区道路线路的布设，避免与坟主和物主产生纠纷。

2.5 在林业自然灾害调查中的应用

发生台风、暴雨、泥石流等自然灾害后，采用无人机进行林木受灾面积、受灾情况调查，可及时采取救灾措施、进行灾后恢复重建工作及时报险进行理赔，从而减少台风灾害造成的经济损失。因暴雨和泥石流造成的道路损毁、滑坡和泥石流，采用无人机调查可避免因通行不便带来的调查困难。

2.6 在林业执法中的应用

传统林业执法人工执法覆盖面不广、获取信息时效性差，后期结卫星遥感图进行取证，但卫星遥感图缺少实时性且分辨率偏低，导致投入了大量的人力物力并且耗费大量时间仍然取证困难。无人机林业执法相比于传统林业执法，具有时效性高、成本低、操作简单、安全可靠等优点，配备视频传感器和可见光摄像机，能够实现对山林快速巡查监测，节约执法成本，大大提高巡查管护的覆盖面和精度，能够及时发现偷砍盗伐森林等违法行为，对违法征占林地、草地、湿地、毁林开荒等行为进行现场拍照取证，可作为林业违法行为的行政处罚和刑事案件的有效证据，是林草管理中的“空中保护伞”。

3 无人机在林业中的应用展望

目前，无人机应用存在一些缺点，譬如续航时间短，无人机无电时会坠毁丢失；抗风能力差，在大风和乱流中易偏离飞行线路，难以保持平稳的飞行姿态；无线信号传输存在盲点，影响调查测量精度；抗干扰能力较差，强信号干扰易造成与地面工作站失去联系；精通无人机操作的技术人员缺乏，影响无人机在林业中的有效应用。

我国是林业大国，森林覆盖面积居于世界前列，林业工作高质量发展需要更精确高效的林业信息检测手段，灵活运用无人机等先进的科学技术手段对传统的林业技术进行改革是大势所趋。随着社会进步及科技发展，未来将会有更多的高科技将被应用到无人机领域，无人机的系统功能和性能将持续提升，如无人机电池容量增大，续航时间会更长；遥感技术和光学仪器制造技术的提高，无人机遥感成像精度更高，随着3S技术功能日渐强大，无人机在林业中的应用必将更广泛，在林业工作中发挥越来越重要的作用。随着现代林业、精准林业和智慧林业等概念和理论的不断完善，林业也将从传统的粗放管理进入到数字化、信息化和智能化的时代。

参考文献

[1] 阿茹罕，何芳，王标标. 加权空-谱主成分分析的高光谱图像分类[J].国土资源遥感，2019，31（2）：17-23.

[2] 胡兴年，刘观清，张国彬，等.规模化应用稻鸭共作技术的效益分析[J].安徽农学通报，2021，27（3）：28-30.

[3] 陈红兰.安庆棉花生产应用植保无人飞机的思考与建议[J].安徽农学通报，2020，26（10）：75-76.

[4] 余洪菊，蒋山，蔡广青.五氟磺草胺等药剂飞机航喷防除水稻田杂草试验[J].安徽农学通报，2018，24（14）：78-79.

[5] 张福民. 林业调查规划设计中3S+无人机技术的应用[J].中国林副特产，2022（2）：106-107，110.

[6] 冯姗，曾祥忠.四通道可见光光谱相机的设计[J].应用光学，2019，40（3）：393-397.

[7] 徐喆.基于无人机遥感与AI算法的亚热带森林监测方法研究[D].南昌：江西农业大学，2021.

[8] 张思玉，张惠莲.森林火灾预防[M].北京：中国林业出版社，2006.

（责编：张 蓓）