淺談無(wú)人機(jī)在國(guó)土綠化行動(dòng)中的應(yīng)用

袁耀，韓小紅，洪宇，尚帥斌，郭昊，賈茜

1.國(guó)家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃院，陜西西安 710048；

2.旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710048

1 研究背景

建設(shè)生態(tài)文明，關(guān)系人民福祉、關(guān)乎民族未來(lái)。開展大規(guī)模國(guó)土綠化行動(dòng)是生態(tài)建設(shè)的核心內(nèi)容，是建設(shè)綠水青山的內(nèi)在要求[1]，是貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想的生動(dòng)實(shí)踐，是實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展、創(chuàng)造優(yōu)美人居環(huán)境的主要途徑，對(duì)建設(shè)生態(tài)文明和美麗中國(guó)具有重大意義。“十三五”期間，中國(guó)生態(tài)狀況明顯改善，森林覆蓋率達(dá)到23.04%，森林蓄積量達(dá)到175.6×108m3，完成造林種草4986.67×104hm2[2]。按照“十四五”林業(yè)草原保護(hù)發(fā)展綱要的要求，到2025年，規(guī)劃完成國(guó)土綠化3333.34×104hm2[2]。

無(wú)人機(jī)作為一種遠(yuǎn)程操控的小型飛行器，近年來(lái)在交通、農(nóng)業(yè)、測(cè)量、林業(yè)等領(lǐng)域逐漸推廣應(yīng)用，而開展大規(guī)模國(guó)土綠化行動(dòng)，要求遵循生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律，科學(xué)合理布局綠化空間。目前，國(guó)土綠化工程設(shè)計(jì)主要參照衛(wèi)星影像、森林資源管理數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合現(xiàn)地調(diào)查核實(shí)繪制設(shè)計(jì)圖紙，何興平等人研究利用多源遙感數(shù)據(jù)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、監(jiān)測(cè)、生物量估算[3]，但受限于遙感數(shù)據(jù)季相差異，存在估算范圍不準(zhǔn)確、監(jiān)測(cè)效率低等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題；張園等人將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于林業(yè)資源調(diào)查中，說(shuō)明無(wú)人機(jī)操作簡(jiǎn)單、靈活機(jī)動(dòng)、攜帶方便等優(yōu)勢(shì)能夠有效提高調(diào)查效率[4]；王小昆等人采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行營(yíng)造林監(jiān)測(cè)，使造林監(jiān)測(cè)的樣本抽取更有針對(duì)性，能準(zhǔn)確查清成林面積，提升監(jiān)測(cè)水平[5]；陳銘潮等人提出無(wú)人機(jī)低空遙感從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理到生產(chǎn)實(shí)踐的應(yīng)用模式，探索構(gòu)建無(wú)人機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)[6]。無(wú)人機(jī)在林業(yè)監(jiān)測(cè)驗(yàn)收、監(jiān)管巡護(hù)等方面的應(yīng)用，有利于減緩降低人力成本，提高成果準(zhǔn)確性、可信度和說(shuō)服力。該文基于國(guó)土綠化行動(dòng)的要求，探索將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于科學(xué)造林工程當(dāng)中，研究無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)，探討建立國(guó)土綠化無(wú)人機(jī)應(yīng)用體系，進(jìn)一步夯實(shí)科學(xué)營(yíng)造林基礎(chǔ)、強(qiáng)化林草資源監(jiān)督與管護(hù)、提高國(guó)土綠化行動(dòng)實(shí)施效果。

2 研究目的

無(wú)人機(jī)在國(guó)土綠化行動(dòng)中的應(yīng)用是落實(shí)科學(xué)綠化、健全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、強(qiáng)化生態(tài)文明理念的重要抓手，能夠準(zhǔn)確識(shí)別造林空間、有效提升監(jiān)管效率，全面完善智慧林業(yè)建設(shè)體系。采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)、空中巡護(hù)系統(tǒng)[6]，充分銜接國(guó)土空間規(guī)劃，在工程實(shí)施初期，對(duì)造林區(qū)域進(jìn)行航測(cè)飛行，合理劃定規(guī)劃范圍；根據(jù)工程實(shí)施進(jìn)度，嚴(yán)格落實(shí)營(yíng)造林監(jiān)理制度，制定不同的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)巡護(hù)頻率，提高國(guó)土綠化質(zhì)量，科學(xué)評(píng)估國(guó)土綠化成效；結(jié)合林長(zhǎng)制實(shí)施落實(shí)，對(duì)國(guó)土綠化區(qū)域進(jìn)行林火監(jiān)測(cè)管理，確保第一時(shí)間林火識(shí)別、病蟲害辨別，進(jìn)行火情傳送、動(dòng)態(tài)跟蹤林火撲救[7]，最大限度地降低災(zāi)害損失；全面宣傳規(guī)模化國(guó)土綠化成效，提高人們義務(wù)植樹、生態(tài)保護(hù)的意識(shí)，推動(dòng)國(guó)土綠化高質(zhì)量發(fā)展。

3 技術(shù)思路

將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于國(guó)土綠化行動(dòng)，統(tǒng)籌考慮綠化空間、營(yíng)造林監(jiān)理、造林成效監(jiān)測(cè)、災(zāi)害防控預(yù)警等因素，以建立完善的科學(xué)綠化體系，構(gòu)建國(guó)土綠化無(wú)人機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。根據(jù)國(guó)土三調(diào)數(shù)據(jù)中劃定的造林空間范圍，科學(xué)設(shè)定無(wú)人機(jī)飛行航線，采集處理航測(cè)影像數(shù)據(jù)，為合理規(guī)劃造林樹種及密度提供依據(jù)；利用無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，配置紅外熱成像儀、高清透霧攝像頭等儀器設(shè)備，搭載移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用服務(wù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控，全面提升造林監(jiān)理驗(yàn)收、資源管護(hù)效率；結(jié)合林長(zhǎng)制分區(qū)管護(hù)的要求，建立無(wú)人機(jī)網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)巡護(hù)機(jī)制，實(shí)時(shí)采集林火、病蟲害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，強(qiáng)化災(zāi)害防控、指揮決策水平，打造高效準(zhǔn)確的災(zāi)害綜合防控預(yù)警服務(wù)平臺(tái)，探索建立國(guó)土綠化新模式。

4 應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 科學(xué)綠化

精準(zhǔn)落實(shí)綠化空間是推進(jìn)國(guó)土綠化行動(dòng)的基礎(chǔ)，根據(jù)第三次國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)和國(guó)土空間規(guī)劃，科學(xué)劃定綠化用地，合理配置林草植被，科學(xué)選擇綠化方式，實(shí)行精準(zhǔn)化規(guī)劃與管理。采用無(wú)人機(jī)搭載索尼α5100 數(shù)碼相機(jī)（有效像素為2430 萬(wàn)），使用飛馬智能航測(cè)系統(tǒng)F1000（23.5mm×15.6mm 傳感器），按照預(yù)定的飛行航線，對(duì)擬規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行航空攝影測(cè)量，將獲取的像片通過(guò)Pix4D 軟件進(jìn)行畸變校正、自動(dòng)空三處理、連接點(diǎn)與控制點(diǎn)校正等處理[8]，獲得數(shù)字正射影像（DOM）。參照航測(cè)影像，準(zhǔn)確鑒定造林范圍與不可作業(yè)面積，分析識(shí)別地形地貌、植被蓋度等自然因素，科學(xué)選擇造林模式，合理確定栽植密度和造林樹種，精確統(tǒng)計(jì)用苗量，規(guī)范開展綠化設(shè)計(jì)與施工。

4.2 營(yíng)造林監(jiān)理

為實(shí)現(xiàn)“種一棵、活一棵、成材一棵”的科學(xué)綠化目標(biāo)，嚴(yán)格執(zhí)行營(yíng)造林項(xiàng)目工程監(jiān)理制度，對(duì)營(yíng)造林工程質(zhì)量、進(jìn)度、投資進(jìn)行合理控制，提高營(yíng)造林工程建設(shè)質(zhì)量。國(guó)土綠化工程作業(yè)區(qū)情況復(fù)雜、規(guī)模大、工期長(zhǎng)，工程監(jiān)理、驗(yàn)收需要耗費(fèi)大量的人力物力，而無(wú)人機(jī)體積小攜帶方便，對(duì)起飛和降落要求不高，可進(jìn)行超低空飛行，通過(guò)搭載可見光傳感器、樹種識(shí)別智能模塊，采集工程區(qū)內(nèi)的造林?jǐn)?shù)據(jù)[9]，統(tǒng)計(jì)造林樹種栽植密度、保存量等因子，從而比較分析作業(yè)設(shè)計(jì)的符合性和規(guī)范性；此外，無(wú)人機(jī)可以全自動(dòng)操作模式和半自動(dòng)人工操作模式相互切換，針對(duì)地形復(fù)雜的區(qū)域，通過(guò)提高日常監(jiān)測(cè)頻率，摸清“造了多少、造在哪里”，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程實(shí)施中存在的問(wèn)題，確保工程實(shí)施質(zhì)量。

4.3 信息化監(jiān)測(cè)與評(píng)估

以無(wú)人機(jī)技術(shù)為支撐，對(duì)綠化區(qū)域進(jìn)行航片拍攝，將拍攝數(shù)據(jù)加工處理，對(duì)比分析綠化前后的正射影像圖[10]，可直接量測(cè)綠化面積，核算城市植被覆蓋度的變化；通過(guò)無(wú)人機(jī)巡護(hù)，全覆蓋監(jiān)測(cè)國(guó)土綠化，實(shí)現(xiàn)“天上看、地面查”，及時(shí)將國(guó)土綠化任務(wù)和成果落到實(shí)地、落到圖斑、落到數(shù)據(jù)庫(kù)，全面監(jiān)測(cè)林草資源變化，各類數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)采集、深度挖掘和自動(dòng)化、智能化分析預(yù)判，提升國(guó)土綠化狀況監(jiān)測(cè)信息化、精準(zhǔn)化水平，科學(xué)評(píng)估國(guó)土綠化成效，構(gòu)建天空地一體化綜合監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系。

4.4 鞏固提升綠化效果

為轉(zhuǎn)變長(zhǎng)期以來(lái)“重量輕質(zhì)、重造輕管”的問(wèn)題，進(jìn)一步加強(qiáng)新造幼林地管護(hù)，完善綠化后期養(yǎng)護(hù)管理，提高成活保存率。依托無(wú)人機(jī)巡護(hù)系統(tǒng)，根據(jù)森林和草原災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查的分析評(píng)估結(jié)果，將綠化區(qū)域劃分為標(biāo)準(zhǔn)方形格網(wǎng)，建立無(wú)人機(jī)網(wǎng)格巡護(hù)機(jī)制，定期完成相應(yīng)的巡護(hù)監(jiān)測(cè)任務(wù)，減少監(jiān)測(cè)盲區(qū)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)火情火險(xiǎn)、病蟲害等情況，進(jìn)行智能識(shí)別及預(yù)警，能夠有效改善綠化區(qū)域?yàn)?zāi)害防控能力。另外，無(wú)人機(jī)前期投入與后期維護(hù)成本低，既可以通過(guò)預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行自主飛行，也可以在地面控制人員的操控下完成半自動(dòng)控制飛行，進(jìn)而擴(kuò)大了地面巡護(hù)的半徑，對(duì)于早期林火、病蟲害的發(fā)現(xiàn)意義重大，是提升新造幼林地后期管護(hù)及災(zāi)害防控水平的重要手段。

4.5 林業(yè)工程宣傳

將無(wú)人機(jī)參與到國(guó)土綠化全過(guò)程，通過(guò)獨(dú)特的攝影視角，可以將國(guó)土綠化的規(guī)模和效果更完整的展現(xiàn)出來(lái)，使工程實(shí)施的細(xì)節(jié)全部呈現(xiàn)在大眾面前，增強(qiáng)綠化造林的認(rèn)同度，努力開創(chuàng)造林綠化新格局；利用5G 網(wǎng)絡(luò)、中繼站超視距測(cè)控網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行國(guó)土綠化“云直播”，讓廣大網(wǎng)友參與到國(guó)土綠化的“云監(jiān)工”，提高“互聯(lián)網(wǎng)+全民義務(wù)植樹”，增強(qiáng)全民綠化參與度和責(zé)任感，營(yíng)造全民造林護(hù)林氛圍；無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)半徑大、效率高，通過(guò)搭載語(yǔ)音傳輸和擴(kuò)音模塊，在巡航過(guò)程中，可以定期播報(bào)生態(tài)文化的相關(guān)知識(shí)，提高生態(tài)文明理念的宣傳頻率和廣度，增強(qiáng)大眾的生態(tài)保護(hù)意識(shí)。

5 實(shí)施方案

5.1 收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

按照《無(wú)人駕駛航空器飛行管理?xiàng)l例》的要求，遵循國(guó)土綠化行動(dòng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、監(jiān)理、質(zhì)量驗(yàn)收等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，收集無(wú)人機(jī)航測(cè)區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，包括：基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（政區(qū)圖、交通圖、水源分布圖等數(shù)字線劃圖）、林草專題數(shù)據(jù)、區(qū)域生態(tài)紅線圖等。

5.2 設(shè)置監(jiān)測(cè)網(wǎng)格

結(jié)合林長(zhǎng)制的推廣落實(shí)，參照國(guó)土空間規(guī)劃成果，綜合考慮單架無(wú)人機(jī)每日有效巡航作業(yè)范圍、起降點(diǎn)的位置距離、數(shù)據(jù)信息的傳輸距離等因素，將國(guó)土綠化范圍劃分為若干個(gè)監(jiān)測(cè)、巡護(hù)網(wǎng)格，根據(jù)監(jiān)測(cè)管護(hù)的要求，建立無(wú)人機(jī)網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)體系。

5.3 航測(cè)作業(yè)飛行

結(jié)合作業(yè)區(qū)的地形條件，按照設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)要求的精度、分辨率等條件，合理設(shè)定飛行高度、航向重疊率、旁向重疊率等參數(shù)，科學(xué)規(guī)劃航測(cè)線路，拍攝綠化區(qū)航測(cè)像片；無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)起降點(diǎn)操作人員嚴(yán)格按照起飛指令、飛行要求開展航測(cè)作業(yè)，逐步實(shí)行監(jiān)測(cè)、管護(hù)工作常態(tài)化。

5.4 數(shù)據(jù)處理

無(wú)人機(jī)的航測(cè)像片根據(jù)使用要求，經(jīng)Pix4D 軟件處理校正后，成為作業(yè)設(shè)計(jì)、工程驗(yàn)收的底圖；同時(shí)航測(cè)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)向不同用戶推送，管理單位可以實(shí)時(shí)或者回看監(jiān)測(cè)視頻，并儲(chǔ)存在終端服務(wù)器，針對(duì)工程實(shí)施問(wèn)題、災(zāi)害事件等第一時(shí)間上報(bào)相關(guān)部門，以便及時(shí)采取應(yīng)急措施。

5.5 統(tǒng)計(jì)分析

將國(guó)土綠化作業(yè)區(qū)施工前后的正射影像進(jìn)行比較，根據(jù)NDVI 等指數(shù)變換，識(shí)別統(tǒng)計(jì)造林綠化工程數(shù)據(jù)，初步預(yù)測(cè)國(guó)土綠化行動(dòng)成效，判斷工程是否嚴(yán)格按照規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)施，分析工程實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，從而完善國(guó)土綠化機(jī)制、優(yōu)化資源配置，強(qiáng)化質(zhì)量監(jiān)管，確保國(guó)土綠化成效。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及國(guó)土綠化建設(shè)格局的逐步完善，依托無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、操作智能等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有效提升了國(guó)土綠化作業(yè)設(shè)計(jì)的規(guī)范化、科學(xué)化、精細(xì)化水平，落實(shí)了營(yíng)造林監(jiān)理責(zé)任，提高了綠化區(qū)域的監(jiān)測(cè)管護(hù)效率，促進(jìn)了生態(tài)文明理念的宣傳，推動(dòng)了林草生態(tài)健康發(fā)展。但是，無(wú)人機(jī)在國(guó)土綠化行動(dòng)中的應(yīng)用，還有一些關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決，比如無(wú)人機(jī)的電池續(xù)航差影響飛行作業(yè)距離、監(jiān)測(cè)范圍的設(shè)置，導(dǎo)致飛行頻次增加；林業(yè)工程項(xiàng)目的投資金額有限，限制無(wú)人機(jī)在所有林業(yè)工程推廣應(yīng)用，降低使用成本勢(shì)在必行；無(wú)人機(jī)航測(cè)易受天氣干擾，有效飛行時(shí)間縮短，影響監(jiān)測(cè)管護(hù)。總之，無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，必將會(huì)為中國(guó)國(guó)土綠化事業(yè)做出更多積極貢獻(xiàn)，有利于促進(jìn)國(guó)土綠化行動(dòng)的高質(zhì)量健康發(fā)展，具有良好的應(yīng)用潛力。