無人機(jī)遙感在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用價值研究

鄧文生

(廣東省連山林場/廣東鷹揚(yáng)關(guān)森林公園管理處，廣東 清遠(yuǎn) 513200)

1 引言

森林資源調(diào)查，可以對森林區(qū)域進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，也可以為林業(yè)管理方面提供一定的指導(dǎo)，從而促進(jìn)林業(yè)發(fā)展。唐建明[1]闡述了對森林資源進(jìn)行調(diào)查的原因，隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步對森林資源的發(fā)展產(chǎn)生的影響十分嚴(yán)重，如何更好地監(jiān)測管理森林資源是一項關(guān)鍵問題。通過無人機(jī)遙感技術(shù)可以更加方便地監(jiān)測和觀察森林狀態(tài)，而且無人機(jī)的偵查覆蓋面積比較廣，能有效提升森林資源管理的效率。本文針對無人機(jī)遙感技術(shù)、森林資源調(diào)查中應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)的特點(diǎn)、作用和具體應(yīng)用進(jìn)行闡述。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)

無人機(jī)遙感技術(shù)是由無人駕駛飛行技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙感應(yīng)用技術(shù)、GPS技術(shù)以及通信技術(shù)等多個部分組成，具有較強(qiáng)的綜合性。無人機(jī)遙感技術(shù)可以在短時間內(nèi)調(diào)查清楚森林資源的情況，獲得具體信息數(shù)據(jù)。成亦文[2]和李維[3]兩人均對無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。通過柳欣[4]的文章可知，無人機(jī)遙感技術(shù)具有成本低、耗能少、風(fēng)險小的特點(diǎn)，而且還可以重復(fù)使用。這項技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用也是十分廣泛的，在引進(jìn)林業(yè)之前，主要的工作是偵查軍事信息，隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，它的使用范圍也從原來的軍事探查逐漸擴(kuò)大至氣象觀測、資源探索等方面。

近些年無人機(jī)遙感技術(shù)在林業(yè)資源調(diào)查中的應(yīng)用頻率逐漸提升，通過無人機(jī)遙感技術(shù)對森林資源進(jìn)行監(jiān)控，可以有效預(yù)防森林火災(zāi)等自然災(zāi)害的發(fā)生，還可以對發(fā)生過自然災(zāi)害的地方進(jìn)行監(jiān)測，從而提升防控自然災(zāi)害的效率，避免森林資源的損失。另外，無人機(jī)遙感技術(shù)還可以對所在區(qū)域的生物環(huán)境進(jìn)行探查、估算，能有效預(yù)防病蟲害等問題，黃龍生[5]詳細(xì)地闡述了無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)作用

3.1 森林資源調(diào)查

森林資源是我國覆蓋面積最廣的自然資源，調(diào)查森林資源可以幫助林業(yè)部門有效掌握森林資源狀況，而使用無人機(jī)遙感技術(shù)可以提升調(diào)查效率和質(zhì)量，使得林業(yè)部門可以更準(zhǔn)確地掌握森林資源的變化趨勢。程家芹[6]介紹了無人機(jī)遙感技術(shù)對森林資源的調(diào)查、生態(tài)環(huán)境的研究、森林火災(zāi)的預(yù)測以及水文狀態(tài)的監(jiān)測等方面的優(yōu)勢。而且應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)可以有效的節(jié)省對應(yīng)的資源，降低運(yùn)作成本，在檢測過程中還可以對相關(guān)植被進(jìn)行區(qū)分，確定分布狀態(tài)，提高森林資源的調(diào)查質(zhì)量，李超[7]和張艷楠[8]認(rèn)為無人機(jī)遙感技術(shù)可以降低成本，節(jié)省人力物力，降低人為因素對檢測結(jié)果的影響。

3.2 生態(tài)環(huán)境調(diào)查

森林資源關(guān)乎我國各行各業(yè)的發(fā)展，與人們的日常生活息息相關(guān)。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國自然資源的生態(tài)環(huán)境受到了一定的影響，近年來環(huán)境問題越發(fā)嚴(yán)重，也不符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。因此在調(diào)查森林資源時通過無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確探查，可使有關(guān)部門準(zhǔn)確掌握資源發(fā)展動向，從而保護(hù)環(huán)境。劉漢康[9]認(rèn)為使用無人機(jī)遙感技術(shù)可以實(shí)時掌握森林資源的動態(tài)，對研究生態(tài)系統(tǒng)具有一定的幫助。

3.3 水文狀況調(diào)查

調(diào)查水文狀況的主要作用是保證森林資源不受洪水旱災(zāi)的影響，確保生態(tài)平衡。通過無人遙感技術(shù)調(diào)查水文狀態(tài)，可以有效解決水土流失等問題。黃興等[10]認(rèn)為實(shí)施水文調(diào)查實(shí)際上可以在一定程度上預(yù)防洪水或者旱災(zāi)等災(zāi)害；山廣君[11]也認(rèn)為實(shí)施水文調(diào)查可以有效保護(hù)森林水土流失的情況。

3.4 預(yù)測火災(zāi)

冬季最常見的災(zāi)害就是火災(zāi)，需嚴(yán)防森林大火的發(fā)生。在林陽[12]和喬和愛[13]的文章中，闡述了無人機(jī)在預(yù)測火災(zāi)方面的價值，優(yōu)點(diǎn)如下：①對火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)和覆蓋區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，通過實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸，為救火提供便利；②通過對應(yīng)函數(shù)對森林火災(zāi)進(jìn)行識別，實(shí)時探測火災(zāi)；③獲取火災(zāi)圖像，確定相似性度的指數(shù)，若大于0.08，則發(fā)生火災(zāi)，反之無火災(zāi)。賈慧[14]闡述了使用無人機(jī)技術(shù)對火災(zāi)的檢測率為87.7%，說明使用無人機(jī)對于檢測火災(zāi)具有極高的價值。還可以通過無人機(jī)的遙感技術(shù)，對發(fā)生森林火災(zāi)后的現(xiàn)場情況做協(xié)助調(diào)查和評估。

3.5 病蟲害預(yù)防

雖然部分蟲害并不會影響樹木成長，但是有些蟲害對樹木成長的影響是非常嚴(yán)重的，甚至是不可逆的，因此針對病蟲害方面的預(yù)防工作非常關(guān)鍵。潘琪[15]詳細(xì)闡述了無人機(jī)對于預(yù)防病蟲害的優(yōu)點(diǎn)。通過無人機(jī)遙感技術(shù)，可以有效對森林環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，按照具體的樹木情況采取相應(yīng)的措施，通過合理控制病蟲害，減少樹木的損失，從而可以更科學(xué)地保護(hù)森林資源。在王云波等[16]舉例了設(shè)置無人機(jī)的波段對預(yù)防柑橘黃龍病的效果。

3.6 獲取生物信息

通過無人機(jī)遙感技術(shù)可以將信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像，對單木量進(jìn)行評估，采用面向?qū)ο蠓▽涔诿娣e進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和測量，創(chuàng)建對應(yīng)的胸徑模型，最后借助樹生物量方程，預(yù)估樹干的生物量，因?yàn)闃涓傻男貜脚c直徑之間是有一定關(guān)系的，通過樹冠的直徑能推算胸徑大小，再通過生物量與胸徑的關(guān)系對森林生物量進(jìn)行推測，在趙東衛(wèi)[17]的文章中使用無人機(jī)估測單木樹高的精度達(dá)0.86。

無人機(jī)遙感技術(shù)主要是依賴可見光波段對其制備指數(shù)進(jìn)行有效提取，通過這種方式可以大面積、大范圍估算森林生物量，張軍國[18]闡述了無人機(jī)對野生動物的數(shù)量和物種每年監(jiān)測次數(shù)達(dá)上百次，對維護(hù)物種多樣性有積極意義。徐振方[19]認(rèn)為在無人機(jī)上搭載成像儀可以對相關(guān)區(qū)域進(jìn)行全方位的調(diào)查和分析。榮澤山[20]指出無人機(jī)具有價格低廉、可大量部署、機(jī)體小巧、操作人員的技術(shù)要求較低、云層影響小、分辨率達(dá)厘米級等優(yōu)點(diǎn)，能更準(zhǔn)確的獲得林業(yè)狀況。

4 存在的技術(shù)問題

在開展森林資源調(diào)查時借助無人機(jī)遙感技術(shù)，加深了對森林資源的探索廣度和深度，為林業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。就目前情況來說，雖然無人機(jī)遙感技術(shù)已經(jīng)取得了一定的成果，但大多數(shù)的研究均是以數(shù)碼相機(jī)或者激光雷達(dá)作為主要信息提取設(shè)備，而遠(yuǎn)紅外遙感載荷、合成孔徑雷達(dá)載荷以及高光譜成像載荷等技術(shù)設(shè)備的研究項目較少。通過無人機(jī)遙感技術(shù)對森林資源開展調(diào)查，仍然處于發(fā)展階段，想要通過無人機(jī)遙感技術(shù)發(fā)揮更大的作用，還有部分技術(shù)問題需要解決：

4.1 無人機(jī)光學(xué)載荷

樹木的紋理特征均比較相似，當(dāng)通過影像實(shí)施空三加密時，其特征點(diǎn)匹配難度較大。無人機(jī)影像方面的研究一般側(cè)重在單木的信息提取方面，對于林業(yè)的結(jié)構(gòu)特征和空間分布特征方面的研究還有待加強(qiáng)，而且光學(xué)載荷的影像無穿透性，只可以獲得森林植被表層上的信息，應(yīng)將激光雷達(dá)影像和光學(xué)影像進(jìn)行結(jié)合使用。

4.2 無人機(jī)紅外遙感影像

目前大多數(shù)的研究是在紅綠藍(lán)3個可見光波段之外增添了紅外波段，借此構(gòu)建森林中多種植被的相關(guān)指數(shù)，進(jìn)而提取生態(tài)環(huán)境信息。針對無人機(jī)機(jī)動性強(qiáng)這一特點(diǎn)，通過無人機(jī)紅外遙感可以更迅速的對森林火災(zāi)和病蟲害等影響森林環(huán)境的情況進(jìn)行監(jiān)測，因此在解決森林火災(zāi)指揮決策和病蟲害監(jiān)測治理等問題時可以進(jìn)一步對無人機(jī)紅外遙感技術(shù)進(jìn)行探究。

4.3 無人機(jī)激光雷達(dá)

其特點(diǎn)是較強(qiáng)的距離、角度分辨力，能直接獲得地表上的三維信息，對于測量樹木高度和提取林分結(jié)構(gòu)信息具有很大的優(yōu)勢。但是其缺點(diǎn)比較明顯，就是數(shù)據(jù)量過大，而且森林中遮擋嚴(yán)重，通過激光雷達(dá)進(jìn)行林分和單木分割時的算法不夠完善，精度太低。而且激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)可以同時運(yùn)用回?fù)艿牟ㄐ涡畔⒑涂臻g信息，所以對于波形信息在森林資源中的應(yīng)用需要進(jìn)行深入地探究和探討。

4.4 無人機(jī)高光譜遙感

該技術(shù)具有光譜分辨率高、圖譜合一、成像連接以及波段范圍窄的特點(diǎn)，在森林資源中可用于森林植被的種類識別，探測植物生化參數(shù)以及探測病蟲害信息等，但是輕小型的無人機(jī)系統(tǒng)在搭載高光譜相機(jī)時會因震動造成成像質(zhì)量受損。因此在應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測森林資源時應(yīng)加強(qiáng)機(jī)理研究。

5 建議

5.1 融入現(xiàn)代新型科技

當(dāng)今各種信息技術(shù)在不斷高速發(fā)展，如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等，這對于各個行業(yè)的發(fā)展都是有利的，拓寬了行業(yè)的發(fā)展途徑。所以應(yīng)該多參加一些新型科技的展示會或者學(xué)術(shù)研討會，并招收一些高端科技的人才，建立專業(yè)的部門，共同探討和研究如何將新型科技運(yùn)用在森林資源的調(diào)查之中，從而取得更精準(zhǔn)的信息。

5.2 降低人為因素對森林資源調(diào)查的影響

在測量樹冠冠徑時通過人工手動測量的數(shù)據(jù)相對精準(zhǔn)，但是卻使工作人員的工作量翻倍，而且容易出現(xiàn)誤差。利用無人機(jī)遙感技術(shù)可以通過高清影像對調(diào)查對象進(jìn)行掃描，通過科學(xué)的換算方式，從而得出單木參數(shù)，降低誤差，進(jìn)而減低工作人員的工作量，提升工作效率。

5.3 豐富模型種類

在通過無人機(jī)進(jìn)行森林資源-樹木參數(shù)調(diào)查時，應(yīng)該針對不同樹木的特點(diǎn)建立不同的模型，然后通過觀察模型的不同之處，找出存在區(qū)別的部分，搞針對這種差別對樹木樣本進(jìn)行評估，從而發(fā)現(xiàn)更多未知植被的存在和生長特點(diǎn)。

6 結(jié)語

無人機(jī)遙感的優(yōu)勢較為明顯，分辨率達(dá)厘米級、不會受到重訪周期和軌道的制約、可云下作業(yè)、響應(yīng)能力為小時級別等，能在森林資源的調(diào)查、清查等方面進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。將各種傳感器搭載于無人機(jī)之上，可有效獲得地表的信息，但是因?yàn)檩d荷成像的條件和機(jī)理不同，影像間具有較大的差異，所以選用不同的傳感器，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。科技的進(jìn)步將推動無人機(jī)的載荷技術(shù)的發(fā)展速度，應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)調(diào)查森林資源時的作用范圍也會更廣闊，加速生態(tài)環(huán)境的建設(shè)步伐。