無人機遙感（UAV-RS）在高精度森林資源監測的應用分析

曾劍生 李春干

1. 廣西天茂測繪科技有限公司 廣西 南寧 530023；

2. 廣西大學林學院 廣西 南寧 530001

近年來，無人機技術得到迅猛發展，其以自身所具備的優勢，在諸多領域中獲得廣泛應用。無人機遙感是無人機與遙感技術的有機結合，通過該技術能夠對空間遙感信息進行快速獲取，由此可為森林資源監測提供條件。下面就無人機遙感在森林資源監測中的應用展開分析探討。

1 無人機遙感技術及其應用特點

無人機遙感簡稱UAV-RS，它是由無人機（UAV）和遙感（RS）組成的一項非常先進的技術。通過對RS技術、傳感器技術、遙測與遙控技術、無線通信技術、GPS-RTK技術的有效利用，可以實現對相關空間遙感信息的快速獲取，包括國土資源、自然環境以及地震災區等[1]，整個過程具有智能化、自動化的特點，同時可對獲取到信息進行分析處理。UAV-RS的優勢體現在機動性、快速性和經濟性等方面，該技術的應用特點如下：

1.1 無人機的應用特點

無人機歸屬于飛行器的范疇，可通過無線電進行遙控操作，不需要載人，能夠完成各種不適宜有人駕駛的任務，如災害調查、遙感監測等等。根據飛行特點可將無人機分為兩類，一類是固定翼，另一類是直升機。其中前者具備遙控和程控兩種操控方式，無人機本身的抗風能力比較強，可以同時搭載多種遙感傳感器，起飛和降落方式多，且不需要太大的場地，但要求場地空曠，適用于林業資源監測。后者突出的特點是可以定點起落降，對場地要求不高，機身結構復雜，操控難度大，種類比較有限，適用于突發事件調查。

1.2 遙感傳感器的應用特點

遙感傳感器可以按照不同的遙感任務，利用相應的設備，如數碼相機、紅外掃描儀、光譜成像儀、SAR（合成孔徑雷達）等，完成任務。它的特點體現在如下方面：重量輕、體積小、精度高、性能完備、信息存儲量大、數字化等。

2 無人機遙感在森林資源監測中的具體應用

在森林當中有著大量的資源，對這些資源進行監測，能夠為資源管理提供依據，有助于促進森林的可持續發展。UAV-RS在森林資源監測中的應用主要體現在如下幾個方面：調查規劃、病蟲害監測、林火監測、森林生物量測定以及樹種識別等。

2.1 調查規劃

森林資源監測可為林業調查規劃提供依據，采用傳統的方法進行調查時，需要借助大量的人力資源完成樹種、樹高、地塊類型以及林地蓄積等方面的調查工作[2]，不但耗時較長，還會導致其他資源的耗費，并且工作效率不高。通過對UAV-RS的應用，可以使林業調查規劃工作過程變得更加簡單。在無人機上搭載高清攝像機、光譜成像儀或激光雷達，對目標林區進行監測，進而獲取相應的遙感影像，利用這些影像，通過無人機激光雷達點云生產精確的數字高程模型（DEM）和多期數字表面模型（DSM），從而獲得得到多期森林冠層表面模型(CHM)，通過多期CHM能夠分析森林全林分高生長的空間情況，可為林地資源調查提供支撐。

2.2 病蟲害監測

在森林當中，病蟲害對林木資源的危害性較大，若是大面積發生病蟲害，則可能導致樹木大量死亡。由于病蟲害的種類既多且雜，加之森林覆蓋范圍廣，憑借人力對病蟲害進行監測很難實現。近年來，國家對林業發展給予了足夠的重視，林業資源不斷增多，但從總體情況看，整個林地生態系統仍然顯得比較脆弱，給病蟲害的發生提供了條件。為此，加大林區病蟲害監測力度顯得尤為必要，通過監測能夠及時發現病蟲害的情況，可為防治方案的制定以及相關措施的選用提供依據。在林業病蟲害監測中，可對UAV-RS進行合理運用，通過該技術能夠對林區內的病蟲害進行全面監測，借助相關設備，如可見光攝像機、多光譜和高光譜成像儀等，可實現常見害蟲的監測，并在發現害蟲后及時發出預警提示。比如，在無人機上搭載多波段成像傳感器，能夠對梨銹病進行分析，通過相關波段，并結合植被指數數據，能夠辨別出樹木葉子是否存在梨銹病[3]。發現病害后，可利用無人機搭載農藥噴施設備，對病蟲害進行防治，降低病蟲害對林木生長的影響。

2.3 林火監測

在所有能夠對森林資源造成威脅的因素當中，火災無疑是影響程度最高的因素之一，若是森林發生火災，則可能使其中的資源大量損失，撲救不及時，還會導致更為嚴重的后果。所以對林火進行監測顯得尤為必要，特別是一些火災發生概率較高的林區。傳統的監測方法費時費力，效果不佳，為提高監測效率，可對UAV-RS進行應用，由此除了可以預防林火的發生之外，還能對火災發生后現場的實際情況進行探測，為災后評估提供可靠依據。UAV-RS在林火監測中的具體應用如下：

（1）探測林火

借助UAV-RS可對林區內的火災進行探測。當森林內的某個區域起火之后，利用無人機可以對起火點及火災覆蓋范圍進行有效探測，以無線通信技術能夠及時發出報警提示，對起火點的坐標進行傳輸，為火災快速撲救提供依據。

（2）提取遙感圖像

UAV-RS可對空間遙感圖像進行提取，隨后將火災圖像轉化為顏色模型，再選取相應的函數便可完成火災識別。實踐表明，UAV-RS在森林火災中的探測與識別進度能夠達到87%以上，可對火災進行有效探測[4]。

（3）判斷火災

可在無人機上搭載熱成像數字攝像機，利用視頻圖像，并配合灰度閾值，可對森林內的火災進行探測，由此可以判斷出是否起火。

（4）火災智能識別

利用UAV-RS能夠對森林火災發生前后的圖像進行獲取，在明確相似度閾值的基礎上，可將接近閾值的情況判定為火災。由此可實現森林火災的智能化識別。不僅如此，UAV-RS還能對火災發生后的場景進行評估。

2.4 樹種識別

在森林當中有著種類繁多的樹木，對樹種進行有效識別是森林資源監測的主要內容之一。通常情況下，以地面觀測的方法能夠得到部分森林資源的信息，但由于觀測方法本身存在的不足，導致對一些樹種的特征無法進行有效識別。比如樹種冠幅的輪廓、顏色以及紋理等，而地面觀測缺失的這些內容，恰好是空中觀測的主要特征。由于常規的衛星遙感在該方面的觀測中無法確保精確度，并且時間也很難保持連續，若是想要獲取分辨率較高的數據，則必須花費高昂的代價[5]。UAV-RS的出現為這一問題的解決提供了途徑，通過該技術在森林資源監測中的應用，可對樹種進行有效識別。UAV-RS在樹種識別中的具體應用如下：

以闊葉林作為監測對象，借助UAV-RS對其中的樹種進行區分，按照多個時段進行調查，據此對圖像時間序列進行收集。通過對樹種的識別分類，可確定林區內植物最佳萌動期；在無人機上搭載光譜線機和激光雷達，對森林資源進行監測，將獲取到的兩種數據結合起來，可實現多種樹種的有效識別，這種方法比單一數據的效果更佳；依托UAV-RS數據，可對林下植被覆蓋進行識別，通過影像分割、樣本訓練等方法，可以對林下有、無植被覆蓋進行區分，精度在85%以上[6]。

2.5 森林生物量測定

森林是一個生態系統，這個系統的正常運轉需要能量與物質作為支撐，而森林生物量則是森林通過長期生產與代謝積累的成果，包括林木生物量、林下植被層生物量等，是森林資源監測的關鍵指標之一，常被作為森林碳平衡評估的參數使用。可以借助UAV-RS技術，對森林生物量進行測定，這里的森林生物量主要是指地上，不包括地下植被層。具體應用如下：

利用UAV-RS技術，并結合相關的野外數據，可對森林資源進行全面清查，據此能夠對UAV-RS在森林生物特性獲取方面的表現情況進行評估。監測結果表明，UAV-RS在森林生物量的獲取方面具有較為顯著的效果，可以進行推廣使用；可應用UAVRS對森林內樹木的林冠面積及胸徑進行測定，根據該結果，可構建林地生物量模型，通過該模型能夠估算出森林內的地上生物量；使用無人機搭載激光雷達，獲取森林資源的相關數據，再依托回歸模型，估測森林中的地上生物量，估測結果的精度非常高；依托UAV-RS數據，對樹冠高度模型進行構建，據此對森林內單根樹木的高度進行提取，然后利用分水嶺分割的方法，對樹木的冠幅進行獲取，結合胸徑反演模型，可以獲得單木的胸徑尺寸，結合生物量異速生長發生，便可計算出森林內的單木生物量，這樣便可按照林木總量，估算出森林內的總生物量。

3 結束語

綜上所述，無人機遙感在森林資源監測中具有良好的應用效果，除了能夠用于林業調查規劃之外，還能對病蟲害、林火進行監測，并且可以識別樹種和測定森林生物量。未來應加大對無人機遙感技術的研究力度，從而使其更好地為森林資源監測服務。