無人機遙感技術在林場管理中的應用

施悅謀

摘要：

我國森林資源豐富，但森林資源管理手段較為落后，不能有效進行森林資源管理，無法防止森林資源的流失。無人機遙感技術具有覆蓋廣、便捷、人工成本低等優點，能有效彌補傳統管理手段的不足。本文主要從林場森林資源管理的日常巡查、森林資源調查、森林火災、有害生物防治等方面，梳理無人機遙感技術在林場森林資源管理中的應用現狀并提出展望。

關鍵詞：

無人機遙感;森林資源管理;資源調查;有害生物防治;森林火災

中圖分類號：S75

文獻標識碼：A

DOI：1019754/jnyyjs20200630018

隨著城鎮化進程快速推進，生態環境受到不同程度的破壞，其中森林生態系統受到破壞，導致生物多樣性急劇下降，溫室效應等極端氣象現象加劇，人們對森林生態系統在保護生態環境所發揮重要作用的認識逐漸深化。但我國仍存在森林資源不足，整體質量下降[1]等問題。造成以上問題的原因有很多，除了原有的經濟政策原因外，人為破壞、森林火災、有害生物破壞等也是導致森林資源流失的重要原因。

我國林業產業管理水平處于較低層次，國內大多數地區的林場森林資源管理與監測均以人工為主，易受地形影響，費時費力。自20世紀80年代開始，采用遙感與3S技術等輔助手段進行管理，但由于天氣、時間、安全、分辨率、經費等因素難于及時獲取高清的遙感影像。隨著科學技術的發展，現今的無人機遙感技術擁有高分辨率、高時效、云層下能成像和移動性能高等優點[3]，通過搭載相機、光譜成像儀等遙感傳感器，能獲取高分辨率的光學影像、視頻等數據[2]。有效彌補了傳統遙感技術的不足，在林場巡查、森林資源調查、有害生物監測與防治、森林防火中的應用獲得迅速發展。

1無人機遙感技術在林場巡查中的應用

人為破壞，如亂砍亂伐、毀林開墾等，特別是距離居民區較近的林場，是造成森林資源損失的主要原因之一。為有效進行監測，林場采用護林員定期、固定路線巡護等人力巡查的方式進行巡查。此類巡查方式受山體遮擋的影響，巡查覆蓋范圍小，路線固定，不能有效排查森林資源的異常情況。使用無人機航拍則可以實現大范圍且迅速巡查的目的，配合使用攝像機等拍攝實時視頻，有利于森林毀壞行為的證據收集，遏止森林資源的破壞。

此外，在實現林場管理工作中，針對人為破壞森林的損失評估方面，對比目視勾繪、GPS測量、羅盤儀測量等方法，使用無人機搭載高清攝像機等設備，能快速對目標地塊進行正射拍攝，通過相關軟件對相片的標定和拼接，獲得高分辨率的航拍影像，便于勾繪和測算被破壞面積。這種作業方式能夠適應不同的地形環境，克服惡劣的天氣條件，具有較高的時效性、安全性以及精度，能幫助林業資源管理者制定更科學的森林資源保護方案。

2無人機遙感技術在森林資源調查中的應用

我國國土幅員遼闊、地形復雜、氣候變化大，因而擁有豐富多樣的森林資源。森林資源調查是對森林中各種林木資源的數量、特征及其生長狀況進行測量或調研的過程。目前森林資源調查的因子包括面積、蓄積量[4]、林分結構、營林狀況等[5，6]。傳統林場管理人員主要以樣地法結合人工實地測量作為調查手段[6]，通過人工使用胸徑尺、測高器等調查工具進行實地測量與數據模擬進行估算。但這些操作方法的效率和精度難以滿足現代林場資源管理的要求。通過無人機攝影測量技術可快速、高效地完成資源調查任務，為實現林場管理向信息化、精準化的森林信息管理和規劃提供有力的基礎。謝巧雅等[7]通過無人機航拍獲取杉木林的遙感影像，通過Pix4D Mapper軟件對多光譜影像航片進行數據處理，構建數字模型和數字高程模型，實現了杉木樹高的提取，從而獲得相關森林資源調研數據。何游云等利用無人機航拍產生的樹冠遙感影像估算林木生物量[8]，具體方法為利用無人機遙感獲取的高分辨率影像估算單木生物量和樹冠面積，結合實地測量，建立樹冠面積—胸徑模型，進而估算樹干生物量。汪小欽等利用無人機遙感技術獲得影像片，并在可見光波段進行植被指數VDVI的提取，能快速估算大范圍面積的森林生物量[9]。研究表明，無人機遙感技術已應用于森林蓄積量監測、植被識別、森林資源的地上生物量估測等方面[10-14]，對森林資源管理發揮著重要的作用。此外，結合地面實測數據，憑借著極高的空間分辨率和光譜分辨率，對特定植物物種的識別與分類已有成功報道。如，楊龍等[15]通過冠層輪廓、紋理、顏色等信息以及目標個體的GPS實地位置，成功分辨出16種亞熱帶物種。

3無人機遙感技術在森林防火中的應用

森林火災是毀滅性的森林災害，具有突發性強和處置救助困難等特點，對森林生態系統和人類帶來直接危害和巨大的經濟損失。在人為活動少、交通不便的區域，容易失去控制，極難獲得救助。無人機搭載光學影像機或紅外拍攝設備進行林場日常巡護，可實時監測森林起火點[16]、復燃點等出現情況，有效提升森林防火的效率和精準度，也能實現快速的災后現場調查和評估[17]。無人機技術非常適用于人工巡查過程中無法現場監測的區域，實現森林火災的監測作業和實時管理。相關研究表明，無人機遙感技術具有覆蓋面廣、運行費用少、操作簡便、快速部署、功能多樣化等特點，并獲得一定應用成效。張增等通過對RGB顏色空間的遙感圖像轉化為HSV，通過選擇徑向基函數作為支持向量的核函數，以此進行森林火災識別，對森林火災的檢測及識別準確度大于87%[18]。何誠等[19]通過將圖像相似度閾值大于008判定為林火圖像等影像數據處理技術，實現普通可視攝像機向智能化無人機轉化的林火識別技術。

4無人機遙感技術在林業有害生物監測中的應用

自20世紀70年代國外利用TM影像分析森林病蟲害發生情況開始，越來越多的遙感影像技術被應用于林業有害生物防治中，而近年來無人機遙感技術已成為趨勢。其中，利用無人機遙感技術進行監控松材線蟲、薇甘菊入侵危害現狀的應用實踐報道最多。