淺析無人機在森林火災類型評估工作中的應用

崔明,王培，孔英劍，趙建普

（河北省林業和草原局,河北石家莊 050051）

森林火災是指失去人為控制，在林地內自由蔓延和擴展，對森林、森林生態系統和人類帶來一定危害和損失的林火行為。森林火災是一種突發性強、破壞性大、處置救助較為困難的自然災害。森林火災發生后，特別是火災撲滅后對于火燒跡地的森林資源損害情況進行第一時間的調查和測量,是目前林業調查評估工作中一項危險而艱巨的任務。但以最快的速度搞清森林過火面積、森林受害面積、蓄積以及受害林木種類等基礎資料數據，是盡快恢復森林火災發生區域植被及周邊環境生態的首要工作。《森林火災成因和森林資源損失調查方法》（LY/T 1846—2009）中規定，火燒跡地的受害森林面積采用羅盤儀、經緯儀、GPS 接收機進行測量，特別重大森林火災可以借助飛機進行測量。現行調查方法由國家林業局于2009年頒布實施，距今已有十余年之久。方法中提及的飛機為通用載人航空器。雖然飛機的應用可以在大面積測量中提高工作效率，但是飛機租賃費用、機場管理費用高昂，空域申請流程復雜，對火燒跡地上空云層厚度的要求也相對較高。如果采用人工調查方式對火燒跡地的受害森林面積進行實地測量，工作進度比較緩慢，而且森林火災多發于植被蓋度大、枯枝落葉層厚的山地和丘陵地區。林業調查人員攜帶多種測量設備在這些巖壁陡峭、溝壑縱橫的地區進行工作存在嚴重的安全隱患。日漸興起的無人機遙感測量技術恰好能彌補采用人工或通用載人航空器方式測量受害森林面積的不足[1]。

“無人機”又稱無人駕駛飛機，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。無人機具有體積小、造價低、使用方便的特點，現已被成功應用于快遞包裹收送、電影電視航拍、遠程監控巡邏、自然災害救援、農藥化肥噴灑等各行各業。隨著科技的發展，越來越多的新型行業寄希望用機械化、自動化取代傳統的人工作業方式。測量測繪行業更是如此，以往進行的測繪測量工作，通常需要大量人員進行地面測量，獲取高精度數據。此過程不僅費時費力，其測量結果還高度依賴于測量員的責任心和經驗，甚至當地的溫度、天氣、海拔、衛星信號狀況、地形地貌條件都會對結果造成影響。伴隨計算機技術、通信技術、無人機制造技術以及高性能傳感器研發水平等新型尖端學科交叉融合形成的無人機遙感測量技術不斷發展，傳統的人工測量方式逐步可以被取代，測量結果同樣能夠滿足精準測量測繪工作的要求。因此，通過無人機遙感測量技術測量森林火災受害面積，進而確定森林火災類型評估工作成為可能。

1 工作原理

無人機遙感測量技術是以無人機為空中平臺，利用機載航空取景器獲取影像信息，后期用計算機對影像信息進行處理，并按照一定精度要求制作成圖像。通過地理信息軟件對影像進行矢量化解譯，從而得出所需測量面積、體積、高程等的各種數據[2]。

2 工作步驟

2.1 前期準備

在無人機遙感測量工作進行之前需要確認操作人員資質、空域批準手續等相關飛行許可是否完備；無人機及機載航空取景器各部件性能是否正常；無人機配套電池的數量和電量是否足夠；飛行控制器、中繼天線、備用槳葉、起飛毯等附件是否齊全；火燒跡地所在區域的地形、地貌、天氣狀況資料是否完整；選擇火燒跡地區域和周邊區域明顯的標志物作為地面控制點，方便后期校正數據；根據火燒跡地周邊地物的疏密程度、地勢起伏及坡度、坡位、坡向等環境因素，選取最佳起飛點和著陸點[3]。

2.2 航線規劃

在森林火災受害面積測量工作中，航線規劃是最重要的基礎工作。通常根據火災發生前所在地的衛星影像，結合森林資源規劃設計調查小班數據確定火燒跡地范圍，以所需測量區域外圍邊界向外延伸一倍航高作為無人機實際測量范圍，并根據所需分辨率要求設定飛行航高。為保證測量結果精確性的基礎上最大限度地減少照片拍攝的數量，進而減輕后期數據處理的工作量，通常設定機載航空取景器在飛行航線方向拍攝照片的重疊率為70%，每條航線間重疊率為60%，但根據森林火災發生地喬木、灌木及草本植物組成比鄰的不同所展示的不同地物紋理情況，重疊率可以適當增大或減小。航線規劃完畢后，上傳至無人機檢查無誤后準備起飛。

2.3 飛行作業

在飛行作業之前需校準無人機磁羅盤、水平儀、空速計、風速計等電子傳感器。因森林過火后地物色彩不明顯，通常以灰黑色為主，所以飛行作業時間盡量選擇在接近正午的時間段。此時陽光直射地面，地面物體陰影最小且光照強度較強，成圖色彩分明。在日出到上午9點左右和下午3點左右到日落的兩個時間段中，光照強度較弱且太陽高度角偏大，部分測區還可能碰到霧霾，這些情況可能導致采集到的照片匹配精度差，紋理模糊且亮度較低，進而影響成圖效果。無人機在飛行過程中要時刻注意航向、航速、航高、信號強度等飛行參數，以便及時發現問題及時處理，避免造成無法挽回的后果。

2.4 數據處理

飛行作業完成后將機載航空取景器采集到的單張照片進行拼接生成火燒跡地及周圍區域的柵格數據。該步驟可通過Pix4D,PhotoScan，CC等專業圖像處理軟件完成。步驟依次為按要求將單張照片，pos 數據導入所用圖像處理軟件，然后選擇所需的地理、投影坐標系并設置采集照片所用取景器的拍攝參數，接著通過軟件由計算機對所有導入數據進行初始化處理，處理完成后導入先期固定的地面控制點，將實際地面控制點與照片中的點進行匹配，最后再由軟件計算拼接成圖。

2.5 結果判定

森林火災受害森林面積調查采用遙感影像判讀法，分別統計各類受害程度林地的面積。數據處理完成得到柵格影像后，可應用ArcMap等地理信息軟件對影像特征明顯的區域，直接確定地類、樹種和林木受害程度，對影像特征不易區分的地類和樹種，對比前期準備的該區域衛星影像，參考森林規劃設計調查成果，確定地類、樹種和林木受害程度，并對實際過火與非過火區域進行勾繪，分割合并整理后根據森林在單位面積內被燒毀或燒死的株數在30%以上或者幼林在單位面積內被燒毀或燒死的株數在60%以上的情況，該單位面積計算為受害森林面積的要求，通過軟件計算實際的森林火災受害面積。并按照受害森林面積和森林火災造成的傷亡人數，把森林火災類型確定為：一般森林火災、較大森林火災、重大森林火災和特別重大森林火災。

3 技術優點

3.1 性價比高

現在市場上的國產測繪無人機的價格根據續航能力和成像效果不同大約從幾萬元到二三十萬元不等，性價比出色。除極個別不可抗力因素外，無人機正常使用過程中不易損壞，也不存在其他額外使用費用，且各大保險公司已經開展無人機保險業務，能幫助用戶更好規避風險。

3.2 方便運輸攜帶

無人機翼展或長邊長度一般不會超過3 m，并可以方便地安裝和拆卸。在測量測繪工作中，只需將拆解后的無人機裝入“皮卡”、“面包”等常用車輛中，即可將操作人員和設備同時運送到森林火場周邊。到達火場后，操作人員在短時間內就可以完成測繪無人機的組裝和調試，進入工作狀態。

3.3 無場地要求

采用垂直起降的固定翼無人機或者多旋翼無人機，對起飛場地要求較低無須跑道，僅需極小范圍平坦場地甚至汽車車頂即可完成起降作業，對于常發生于惡劣地理條件的森林火災受害面積測量工作來說極為方便。

3.4 成像清晰

測繪無人機采集圖像的分辨率在取景器確定的情況下由飛行高度決定[4]。針對火場受害森林面積調查工作，飛行相對高度一般采用100～300 m，成像精度最高可達5 cm/px,并且此高度決定了云層厚度基本不會影響成像質量。照片經過后期圖像處理矢量化后，通過地理信息軟件可以精確計算出受災面積，滿足森林火災受害面積調查的需求。

4 總結與評價

隨著國家近年來持續大規模推進國土綠化行動，森林資源總量快速增加，并且全國天然林商業性采伐已全面禁止，導致林下可燃物積累加快。原國家林業局于2017年組織召開的大興安嶺1987“5·6”森林大火30周年座談會上指出：1988年以來，全國年均發生森林火災7 082起、受害森林面積73 000 hm2。從國家林業和草原局公布的森林資源狀況來看，全國中幼林所占比例高達65%；而且多為自身抗火能力較差的純林；加之郊游、祭祀、放牧等人為活動頻繁，導致森林火災的發生呈現出多發性、突發性和分布零散性等特點。

雖然森林火災防滅火體系建設不斷推進、火災預警能力持續增強、滅火手段更加豐富、滅火能力明顯提升，但森林火災發生后對于損失的評估及面積的測量方式仍略顯低效。目前無人機遙感測量技術應用于森林火災類型評估工作尚待摸索階段；各類技術標準、具體技術參數還在逐步完善之中，缺乏規范化的工作方案和流程；各種無人機硬件和操控軟件對于林業工作特別是森林火災方面的應用針對性不強，缺乏對于火燒跡地圖像對比度優化、航線規劃、無人機抗煙抗熱處理等硬性標準的優化[4]。希望通過無人機對森林火災類型評估工作的不斷實踐，逐步摸索出完備的操作流程和數據處理方式，替代傳統人工調查作業，降低林調隊員的工作強度和工作風險。