試論無人機(jī)技術(shù)在林業(yè)工作中的應(yīng)用

劉雨絲

(廣西壯族自治區(qū)林業(yè)勘測(cè)設(shè)院，廣西 南寧 530011)

引言

當(dāng)前現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)也不例外，并且該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查、天氣監(jiān)測(cè)和安全等各個(gè)領(lǐng)域。其可以收集高分辨率照片并進(jìn)行分析，有效補(bǔ)償傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感信息采集的缺點(diǎn)。在林業(yè)工作中，無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用節(jié)省了大量的人力和物力，減少了人員的工作量，提高了林業(yè)工作監(jiān)測(cè)管理的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1 無人機(jī)技術(shù)概述

1.1 無人機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前的林業(yè)研究迫切需要更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來為林業(yè)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持，但是常規(guī)的林業(yè)調(diào)查通常既麻煩又困難，常常必須深入研究山脈和林地，并且對(duì)短工作周期和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有很高的要求。無人機(jī)技術(shù)具有高靈活性、快速響應(yīng)、高分辨率和寬范圍的優(yōu)點(diǎn)。其可以減少人工審查的時(shí)間，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足林業(yè)研究的要求，大大提高了林業(yè)研究的質(zhì)量。因此，與傳統(tǒng)的研究方法相比，在林業(yè)研究中合理使用無人機(jī)技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，如可以快速、準(zhǔn)確地獲取林業(yè)信息，從而提高調(diào)查質(zhì)量。與傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感技術(shù)相比，無人機(jī)技術(shù)具有更大的靈活性，特別是在某些緊急情況下，可以保持對(duì)地面的遠(yuǎn)程監(jiān)視，不僅可以防止人員遇到危險(xiǎn)，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)林業(yè)面積，有效提高林業(yè)調(diào)查研究的速度。

1.2 無人機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)

1.2.1 結(jié)果全面

無人機(jī)技術(shù)通過剪切DOM文件使林業(yè)研究工作更加方便和高效，使其成為一種全新的瀏覽軟件。無人機(jī)技術(shù)可以使用相關(guān)軟件和技術(shù)對(duì)林業(yè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行三維建模，從而可以直觀地顯示林業(yè)調(diào)查信息并提高林業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，無人機(jī)技術(shù)可以自動(dòng)剪切跟蹤數(shù)據(jù)的結(jié)果和圖像，有效防止視角變形，使其成為良好的衛(wèi)星遙感圖像。此外，無人機(jī)技術(shù)可以執(zhí)行自動(dòng)地形分析，補(bǔ)充DSM模型并提高林業(yè)研究的安全性和速度。

1.2.2 自動(dòng)處理

無人機(jī)遙感技術(shù)可以準(zhǔn)確地獲取林業(yè)數(shù)據(jù)并自動(dòng)處理收集到的林業(yè)數(shù)據(jù)，為林業(yè)研究提供精準(zhǔn)度更高的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)可以對(duì)自身捕獲的材料和指標(biāo)進(jìn)行更科學(xué)的校正，并為林業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)和科學(xué)計(jì)算的準(zhǔn)確性提供了有力的保證。在使用無人機(jī)進(jìn)行航空攝影時(shí)，可以使用GPS定位信息系統(tǒng)合理地處理航空攝影的結(jié)果。此外，無人機(jī)技術(shù)還可以轉(zhuǎn)換收集到的林業(yè)數(shù)據(jù)的格式，從而有助于成功執(zhí)行調(diào)查工作以跟進(jìn)林業(yè)測(cè)量工作。

1.2.3 反應(yīng)快速快

使用無人機(jī)技術(shù)可以快速處理林業(yè)數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析和監(jiān)視，這大大減少了數(shù)據(jù)處理時(shí)間，并且硬件要求低，可以更好地保證林業(yè)檢查系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而信息數(shù)據(jù)可以提高效率收集和處理。

1.2.4 分辨率高

無人機(jī)的遙感系統(tǒng)能夠以標(biāo)準(zhǔn)化格式輸出跟蹤的林業(yè)數(shù)據(jù)，從而將攝影技術(shù)以及工程和勘測(cè)工作有機(jī)地結(jié)合在一起。在使用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行林業(yè)研究的過程中，GPS系統(tǒng)可以準(zhǔn)確計(jì)算相關(guān)的地理位置信息，同時(shí)使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性適應(yīng)研究需求，從而提高空間分辨率，準(zhǔn)確化林業(yè)調(diào)查的結(jié)果。

2 無人機(jī)在林業(yè)工作中的應(yīng)用

常見的林業(yè)任務(wù)主要包括林業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)、林業(yè)資源研究、野生動(dòng)植物保護(hù)與管理、林業(yè)防火和綠化等。如今，隨著3S技術(shù)的發(fā)展和我國(guó)實(shí)時(shí)圖像和視頻傳輸?shù)闹鸩讲捎茫専o人機(jī)技術(shù)在林業(yè)日常經(jīng)營(yíng)中使用起來，大大提高了工作效率和準(zhǔn)確性，節(jié)省了勞動(dòng)力和物質(zhì)資源，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。在林業(yè)中使用無人機(jī)的好處是巨大的。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和3S技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，無人機(jī)也得到了相應(yīng)發(fā)展，配備了攝像頭，以及用于傳輸數(shù)字圖像等系統(tǒng)。其通常用于林業(yè)作業(yè)中，可以全面提高林業(yè)作業(yè)的質(zhì)量和效率，并且有著極大的未來發(fā)展前途。

2.1 在林業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用

當(dāng)前，在林業(yè)資源研究中，通常將遙感數(shù)據(jù)或一些林業(yè)文件用作參考源，現(xiàn)有調(diào)查結(jié)果用于室內(nèi)研究，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查人員根據(jù)室內(nèi)研究結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。盡管此方法完成了林業(yè)調(diào)查工作，但主要缺點(diǎn)是未使用實(shí)時(shí)圖像。在野外調(diào)查期間，對(duì)于一些更具挑戰(zhàn)性的環(huán)境或地區(qū)，野外調(diào)查人員無法確定指定時(shí)間內(nèi)的林業(yè)地區(qū)實(shí)際情況。無人機(jī)的使用可以進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行全面的林業(yè)勘測(cè)，獲得高分辨率的圖像，包括林業(yè)的平均高度、胸徑和其它信息。并可以幫助野外研究人員及時(shí)準(zhǔn)確地保護(hù)林業(yè)。在分類的情況下，還可以獲得全息3D個(gè)體木材信息。林業(yè)調(diào)查應(yīng)結(jié)合相關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，要求野外研究人員對(duì)林業(yè)進(jìn)行深入研究，并對(duì)各種因素進(jìn)行系統(tǒng)而全面的研究。林業(yè)研究是困難而危險(xiǎn)的，特別是在某些地形困難的林業(yè)地區(qū)。而無人機(jī)技術(shù)可以適應(yīng)這種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境、地形等，并且可以獲得準(zhǔn)確而完整的林業(yè)管理信息，進(jìn)而確保研究人員的健康和安全。

2.2 在林業(yè)管理中的應(yīng)用

在林業(yè)中，非常重要的內(nèi)容之一就是做好管理工作，最大的問題是林業(yè)砍伐。此外，還有自然災(zāi)害，反映在火災(zāi)、暴雨、臺(tái)風(fēng)、病蟲害中；人為破壞，體現(xiàn)在大規(guī)模的人為開墾和林業(yè)砍伐中。如果不采取有效措施保護(hù)林業(yè)資源，將會(huì)破壞環(huán)境，并產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的后果。因此，加強(qiáng)林業(yè)管理非常重要，在林業(yè)中使用無人機(jī)技術(shù)可以了解林業(yè)被破壞前后的情況，這有助于林業(yè)部門科學(xué)地監(jiān)測(cè)和審查該地區(qū)林業(yè)資源的情況以發(fā)現(xiàn)林業(yè)問題，并及時(shí)向有關(guān)部門反饋，解決問題，更好地保護(hù)林業(yè)資源。關(guān)于破壞或非法占用林業(yè)資源的問題，負(fù)責(zé)的林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理部門應(yīng)充分重視對(duì)受損林業(yè)和非法占用林業(yè)面積的科學(xué)預(yù)測(cè)和計(jì)算。案例研究表明，現(xiàn)代林業(yè)面積測(cè)量方法包括視覺草圖和計(jì)算(通常由工人觀察)，在地形圖上確定林業(yè)區(qū)域的地形位置，然后使用如測(cè)距儀之類的工具來計(jì)算面積。但是，此方法的實(shí)際應(yīng)用更為復(fù)雜，并且取決于人為因素，一旦發(fā)生某些錯(cuò)誤，則無法有效保證字符質(zhì)量。GPS測(cè)量主要基于GPS定位，員工進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)必須佩戴GPS。定位系統(tǒng)測(cè)量步行距離并形成一個(gè)閉合圓以計(jì)算面積，GPS定位器輕巧先進(jìn)，可以提高計(jì)算結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性和效率。在某些應(yīng)用中存在一些缺點(diǎn)，需要本領(lǐng)域技術(shù)人員來解決。在研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，不能保證研究區(qū)域的地形和周圍環(huán)境。不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些安全問題，如果提前采取預(yù)防措施，將會(huì)有射擊的危險(xiǎn)，并且會(huì)影響射擊的準(zhǔn)確性。儀器測(cè)量更為傳統(tǒng)，通常在沒有地形圖或定位系統(tǒng)的情況下使用。盡管此方法可以測(cè)量區(qū)域面積，但從客觀角度來看，其可以獲得的信息很少，林地?cái)?shù)據(jù)的結(jié)合來衡量該地區(qū)的受損面積和工作量非常多。

2.3 在火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

一旦林業(yè)發(fā)生火災(zāi)那將是一種突發(fā)性、高破壞性事件，是對(duì)林業(yè)資源影響最大的自然災(zāi)害。對(duì)于林火，不當(dāng)使用人工火引起的火災(zāi)占90%以上。林業(yè)火災(zāi)監(jiān)測(cè)是林業(yè)管理的主要內(nèi)容之一，救援人員必須按時(shí)到達(dá)火場(chǎng)，撲滅大火非常重要。傳統(tǒng)的火警監(jiān)視是由專職人員輪流巡邏或使用衛(wèi)星進(jìn)行觀察的，人工的檢查對(duì)天氣、環(huán)境和其它因素極為敏感，并且測(cè)試區(qū)域小且效率差。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)受到時(shí)間和空間分辨率的影響，獲取信息的時(shí)間非常長(zhǎng)，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期火災(zāi)。無人機(jī)技術(shù)可以實(shí)時(shí)跟蹤大面積的林業(yè)火災(zāi)，及時(shí)發(fā)送信號(hào)并報(bào)告火災(zāi)情況，從而使消防人員能夠及時(shí)撲滅大火。如，山東省林業(yè)局使用無人飛行器及時(shí)收集林業(yè)火災(zāi)信息，準(zhǔn)確分析火災(zāi)狀況、位置和面積等重要信息，最終很快消滅了火災(zāi)。

2.4 在林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)防治中的應(yīng)用

當(dāng)前，我國(guó)林業(yè)活動(dòng)中的病蟲害監(jiān)測(cè)與控制主要包括使用黑光燈捕獲和噴灑農(nóng)藥。但是，隨著我國(guó)林業(yè)面積的逐步擴(kuò)大，在氣候、環(huán)境、病蟲害等各種自然因素的影響下，林業(yè)病害也呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，傳統(tǒng)的病蟲害監(jiān)測(cè)和防治方法不再有效。使用無人機(jī)可以大大提高生物監(jiān)測(cè)和控制的質(zhì)量和效率，并減少病蟲害對(duì)林業(yè)的破壞。在我國(guó)的某些地區(qū)，無人機(jī)被用來控制病蟲害。如，在山東省的某縣，無人駕駛飛機(jī)被用來監(jiān)測(cè)和控制影響該地區(qū)橡膠樹的病蟲害。實(shí)際應(yīng)用表明，無人機(jī)噴灑農(nóng)藥的效率大大提高，用無人機(jī)噴涂1h對(duì)應(yīng)0.2h的手動(dòng)控制。其可以實(shí)時(shí)跟蹤疾病和蟲害，并采取有效措施加以預(yù)防。此外，山東省的某縣還使用無人駕駛飛機(jī)操作植保機(jī)，在紅果醬樹上噴灑農(nóng)藥，從而達(dá)到防治病蟲害的理想成果。

以上幾種方法在進(jìn)行計(jì)算時(shí)取決于主觀和客觀因素，不能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。但是，使用無人機(jī)技術(shù)可以快速而準(zhǔn)確地獲取有關(guān)林業(yè)資源各個(gè)方面的信息。同時(shí)，還可以使用其高分辨率相機(jī)從不同角度觀察和拍攝林業(yè)區(qū)域，結(jié)合適當(dāng)?shù)墓ぞ邅斫M建團(tuán)隊(duì)并計(jì)算位置，以計(jì)算有關(guān)所拍攝圖像數(shù)據(jù)的信息。最重要的是，無人機(jī)技術(shù)具有高度的適應(yīng)性，并且不受天氣和地形等因素的影響。就測(cè)量精度和及時(shí)性而言，無人機(jī)是最佳選擇。

2.5 基于RTK技術(shù)的無人機(jī)應(yīng)用

基于3D RTK的建模技術(shù)簡(jiǎn)單的圖像位置估計(jì)操作，一旦獲得圖像匹配結(jié)果，就可以估計(jì)圖像的整體一致旋轉(zhuǎn)參數(shù)，進(jìn)而讓其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，實(shí)時(shí)圖像安裝效率和重建的初始值很高。但是，重建的精度取決于RTK的精度，因此需要具有高精度單點(diǎn)定位RTK的無人機(jī)。在執(zhí)行RTK數(shù)據(jù)處理時(shí)，主要使用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，如CASS 9.1。通過該軟件，可以根據(jù)RTK收集的數(shù)據(jù)繪制地形圖。目前，許多無人機(jī)都使用RTK技術(shù)，以使森林調(diào)查更加準(zhǔn)確和高效。

3 林業(yè)調(diào)查中對(duì)無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用需要優(yōu)化的問題

3.1 拼接與幾何校正

當(dāng)前，無人機(jī)所使用的幾何校正大多數(shù)都是多項(xiàng)式校正，其精度相對(duì)較低。林業(yè)調(diào)查(如二級(jí)圖像)要求的準(zhǔn)確性相對(duì)較低，但必須滿足最基本的要求。來自無人機(jī)的遙感圖像的幾何校正已經(jīng)成為技術(shù)領(lǐng)域中的研究領(lǐng)域之一。實(shí)時(shí)傳輸由無人機(jī)捕獲的數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)其與地形和其它關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的有效對(duì)準(zhǔn)，則可以大大提高其幾何精度。無人機(jī)雖配備小型數(shù)碼相機(jī)，可以捕獲大量圖像，但是其圖像尺寸較小，還需要仔細(xì)研究諸如快速圖像拼接的技術(shù)。

3.2 計(jì)算機(jī)紋理分析

在進(jìn)行林業(yè)調(diào)查時(shí)，通常需要確定樹木的種類、密度和植被直徑，以便計(jì)算林業(yè)儲(chǔ)量。可以從無人機(jī)捕獲的圖像中準(zhǔn)確判斷此類數(shù)據(jù)，但實(shí)際進(jìn)度受到嚴(yán)重限制。因此，有必要積極提高無人機(jī)航拍圖像的分辨率，豐富紋理信息，使用計(jì)算機(jī)分析其紋理，更準(zhǔn)確地獲取這些信息。

3.3 升降與抗風(fēng)技術(shù)

林業(yè)調(diào)查通常需要在山區(qū)進(jìn)行，因此很難找到符合無人機(jī)起降標(biāo)準(zhǔn)的地點(diǎn)。在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)條件下，很容易損壞無人機(jī)。當(dāng)使用小型無人機(jī)時(shí)，通常其高度很難滿足林業(yè)勘探的需求，并且低空運(yùn)行受風(fēng)速和風(fēng)向影響很大，一般可以通過增加無人機(jī)的重量來提高抗風(fēng)能力。但由于起飛、著陸和電量的限制，無人機(jī)無法隨意稱重，而且重量增加了無人機(jī)的能耗。因此，對(duì)于無人機(jī)技術(shù)在林業(yè)研究中的應(yīng)用，解決無人機(jī)起升技術(shù)或在提高抗風(fēng)性能的同時(shí)降低起升要求非常關(guān)鍵。

4 對(duì)策建議

4.1 進(jìn)一步提高無人機(jī)性能

目前，無人機(jī)用于許多領(lǐng)域，我國(guó)的無人機(jī)生產(chǎn)技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。但是，無人機(jī)技術(shù)在林業(yè)研究中的應(yīng)用還處于初步階段。在化學(xué)制造和其它方面仍然存在許多挑戰(zhàn)，并且需要通過進(jìn)一步深入的研究和開發(fā)以確保其應(yīng)用來增加對(duì)無人機(jī)的生產(chǎn)投資并提高其性能。

4.2 組建無人機(jī)林業(yè)調(diào)查專業(yè)隊(duì)伍

在公司招聘合適的技術(shù)人員，對(duì)部門人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，并通過選擇技術(shù)人員組成專業(yè)團(tuán)隊(duì)。林業(yè)主管部門應(yīng)高度重視在林業(yè)研究中使用無人機(jī)，特別是培訓(xùn)專業(yè)人員和技術(shù)人員，大力支持建立專業(yè)團(tuán)體，并促進(jìn)無人機(jī)在林業(yè)研究中的廣泛使用。

4.3 制定無人機(jī)林業(yè)調(diào)查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

無人機(jī)林業(yè)研究尚沒有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，林業(yè)研究部門的要求也因地區(qū)而異。需要為使用無人機(jī)的林業(yè)勘探制定一套完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為不同地區(qū)、不同類型的無人機(jī)，不同負(fù)荷和不同公司創(chuàng)建適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，并統(tǒng)一無人機(jī)的技術(shù)參數(shù)、基本操作程序和數(shù)據(jù)處理方法等，進(jìn)而促進(jìn)無人機(jī)在更多地區(qū)的普及。

5 結(jié)束語

綜上所述，無人機(jī)技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用還處于起步階段。為了充分利用無人機(jī)技術(shù)的功能優(yōu)勢(shì)，有必要增加技術(shù)創(chuàng)新并不斷提高無人機(jī)的技術(shù)水平。無人機(jī)特性的另一個(gè)更新和改進(jìn)，同時(shí)有必要進(jìn)一步擴(kuò)大無人駕駛技術(shù)的推廣和應(yīng)用，以更好地為林業(yè)事業(yè)服務(wù)，為林業(yè)事業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展作出貢獻(xiàn)。