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无人机在我国林业上应用概述

时间:2019-11-11 15:55:43编辑:佚名来源:互联网栏目:种类调查点击数(0)已有0人评论 加入收藏

  无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV),是一种自带飞行控制系统和导航定位系统的无人驾驶飞行器[1]。无人机种类多样,在林业上应用较为广泛的主要为固定翼和多旋翼无人机。

  无人机最早出现于1914 年的英国,之后主要作为靶机、侦察机等应用于军事领域,而在民用领域起步较晚。20 世纪 80 年代,西北工业大学研制的D-4 固定翼无人机对地图测绘和地质勘探做了尝试,开创了我国无人机军用转民用的先河,是真正意义上的第一款中国民用无人机型号。2013 年6 月3 日,我国自主研发的Z5 型无人直升机在内蒙古大兴安岭林区根河航空林业站首航成功,这是中型无人机在林业上首次应用。

  无人机在林业上主要应用于森林资源调查、森 林资源监测、森林火灾监测、森林病虫害监测防治、野生动物监测、森林信息提取、营造林核查及林业执法等。文章将无人机在林业上的应用做一归类,并提出无人机在我国林业上应用存在的问题和建议。

  1 森林资源调查中的应用

  森林资源调查是林业上一项非常重要的工作, 其技术手段在不断提高。近年来,无人机作为一种 新技术也在森林资源调查上得到应用。传统手段 在森林资源调查中需要耗费大量人力物力,尤其是 在地理环境条件不好的区域,调查人员无法或艰难 到达的地方,利用无人机遥感技术可快速获得所需 区域高精度的空间遥感信息,不仅对森林图斑精确 区划,而且低成本、高效率、高时效。如张园[2] 等应用无人机遥感技术在森林资源二类调查中取得较 好效果。

  2 森林资源监测中的应用

  森林资源监测是对森林资源的数量、质量、空 间分布及其利用状况进行定期定位的观测分析和 评价的工作,是森林资源管理和监督的基础工作[3]。传统方法是基于历史数据分析和实地建立实测点 定时监测,其误差大、费用高,而作为传统地面实测的重要补充,无人机遥感技术的应用具有快速、准确、实时等明显的优势,不仅减少外业工作量,而且提高工作效率。无人机遥感技术在森林资源监测中的主要应用有森林火灾监测、森林病虫害监测和野生动物监测等。

  2.1 森林火灾监测

  森林火灾是一种突发性强、破坏性极大的自然 灾害。早期监测对于预防森林火灾至关重要。最 基础的森林防火方式是通过人员定期、定时巡查。这种方式劳动强度大,不仅浪费大量的人力和物 力,而且火点观测精度低。虽然可采用卫星遥感技 术,但其分辨率、时效性不高,而无人机在森林防火 中具有低成本、高时效、机动灵活、应急快速、实时 巡查能力强等优势,有助于提早发现森林火情,及 时掌握火情信息,便于迅速部署防火力量,进而减 少生命、财产损失。无人机在森林火灾监测中应用 案例较多,如何诚[4] 等借助无人机遥感实现智能化无人机林火识别技术;张增[5] 等利用无人机遥感技术获得的遥感图像,再将森林火灾图像转化为 HSV 空间,选择径向基函数作为支持向量机的核函数进 行森林火灾识别,结果对森林火灾的检测及识别准确度大于 87 %,为探明林火的发生提供有效手段;马瑞升[6] 等利用无人机成功探测到火点及覆盖面积,并可报警提示,提供火点的具体坐标。

  2.2 森林病虫害监测

  森林病虫害是威胁森林健康的首要因素,其对森林资源的破坏或损失也是巨大的,是“不冒烟的森林火灾”。传统病虫害的监测手段主要依靠巡逻检测等人工手段,其主观性强且具有时间滞后性,尤其在大面积、地形情况复杂的情况下,传统手段显出更大弱势。而无人机遥感技术在病虫害监测中具有监测面积广、实时、客观、高效率等优点,不仅可以有效降低人力及物力成本,而且便于全面掌握森林受灾的整体情况,提出更为快速有效的应对措施,进而减少病虫害对森林资源的损害。近年来,无人机在森林病虫害监测中的应用研究也不少,如吴琼[7]利用无人机遥感技术获取的图像,再提取图像中像素点的特征向量,可精确划分出病虫害发生的区域;李卫正[8]等利用无人机遥感技术获得的图像,通过分析处理有效地获取森林病死木、病虫害的位置信息;吕晓君[9]等利用无人机对病虫害危害的松树进行低空航拍获得影像,再利用松树受害后树冠颜色改变的特征,可对目标虫害的枯死木进行定位标注,并统计出作业区内变色树木的数量。

  2.3 野生动物监测

  野生动物不仅事关大自然的生态平衡,还对人类的生存及发展有着重大意义。及时掌握野生动物的种类、数量、分布等基本情况对保护野生动物至关重要。传统监测方法是人工直接计数法、样带样方推算法等,这些方法精度低且成本高,而无人机具有非常明显的优势,不仅对野生动物的扰动少、可进入人难以到达的区域、可避免某些野生动物对监测人员的伤害,而且具有高时效性,低成本等优势。目前,无人机在野生动物监测中的应用相对较少,如邵全琴[10]等利用无人机遥感对大型野生食草动物种群数量及分布规律进行研究,得出与传统的地面调查方法相比,基于无人机遥感的大型野生食草动物种群数量调查,具有快速、经济、可靠等优点;新疆阿尔金山国家级自然保护区和北京师范大学的科研人员采用无人机对其保护区野牦牛进行监测;云南西双版纳国家级自然保护区相关人员运用无人机及热成像监测设备对其保护区内野生动物进行监测,发现野生亚洲象、水鹿、赤麂、野猪等40 头。

  3 森林信息获取中的应用

  无人机遥感技术使得森林信息能够实现实时、动态地获取。无人机在森林信息获取中的应用主 要有森林蓄积量估算、森林生物量估测、森林郁闭 度估测等。

  3.1 森林蓄积量估算

  森林蓄积量是指一定森林面积上存在着的林 木树干部分的总材积[11]。传统森林蓄积量调查需要 耗费大量的人力和物力,且效率低。虽然利用卫星 遥感影像极大地节省人力和物力,但其适合大尺度 的蓄积量调查,而对于小尺度精准测量精度不够, 因此基于无人机遥感技术进行森林蓄积量的估算 不仅效率高、外业工作量低,又有一定的精度保证, 是一种有效的方法。关于无人机遥感技术在森林 蓄积量测算中的研究很多,如孙梦营[12] 等将无人机融入九棵树多边形样地算法,经过精度分析,蓄积 量等各林分调查因子相对误差介于 8.80 % ~

  12.57 %,相关系数介于0.624~0.927,满足森林资源

  二类调查需求,适用于小尺度精准林业作业;付凯婷[13] 利用无人机获取图像,并提取冠幅进而对桉树林分的蓄积量进行估测 ,其 中最高的精度为

  98.94 %,最低的精度为64 %,总体精度为91.20 %,总体满足林业的精度要求。

  3.2 森林生物量估测

  森林生物量是森林生态系统最重要的特征,对 森林生物量值的准确计算有助于研究生态系统的 生产力,整个生物圈的碳循环及全球气候变化。收 获法是估算森林生物量最准确的方法,但这种方法 耗费大量的时间、人力及物力[14]。虽然利用卫星遥 感影像可节省大量的人力和物力,但其适合大尺度 的估测,对于小范围单木生物量的精确测量还不 够。而无人机遥感技术就体现出其优越性。目前, 利用无人机遥感技术对森林生物量估测也有研究, 如何游云[14]利用无人机获取高分辨率影像,从影像 中提取单木树冠面积,结合模型及经验方程式来估 测森林生物量。

  3.3 森林郁闭度估测

  森林郁闭度是指森林中乔木树冠遮蔽地面的程度,是评价森林资源质量的重要指标[15]。郁闭度获取传统方法是目测法、样点法、样线法等,但其不适合大范围或大尺度的郁闭度测定,且劳动强度大、成本高及误差大。虽然卫星影像的应用可以大面积估测郁闭度,由于受空间分辨率的影响,提取的郁闭度信息精度不会太高,而无人机遥感获取的影像分辨率高等优势提取森林郁闭度信息是准确可靠的。关于无人机遥感技术在估测森林郁闭度方面也有学者在研究,如王伟[1]利用无人机获取影像,再使用面向对象分类方法和多尺度分割技术对林分郁闭度估测,其估测值与人机交互判读结果相比,精度可以达到0.90 以上,且基本符合实地目测结果。

  4 其他方面的应用

  无人机在林业上的应用远不止上述几个方面, 还可以应用到营造林核查、林业执法管理等方面。

  4.1 营造林核查

  营造林核查是林业日常工作,由于营造林普遍面积较大,采取人工目视检查工作强度大且难于全面检查到位。利用无人机获取的影像,通过影像分析可以计算造林面积、株数,再通过统计死亡株数和总株数得出成活率和保存率,这样不仅降低工作强度,也极大提高工作效率和工作质量。如王黎[16] 将无人机航测技术应用到营造林核查中,并与传统手段对比发现无人机航测技术的效率和质量均高于传统手段。

  4.2 林业执法管理

  在林业执法管理中,乱砍滥伐、违法征占林地、毁林开垦等破坏森林资源等违法行为时有发生,如 何对破坏森林资源的违法行为及时发现并有效取 证,给林业管理提出了挑战。传统人工巡检方式,

  劳动强度大,效率低,且信息获取不准确,而卫星遥感技术由于其成本高、时效性差,无法满足实时监控的需求。无人机的应用给林业执法管理带来新的解决途径,可以满足林业执法对时效性、准确性的要求。

  5 总结

  综上所述,无人机在林业上的应用涉及诸多方 面,给林业工作带来新的方法和思路,极大地提高 林业工作的效率和质量,但其也存在一些问题,比 如无人机续航能力会大大制约其应用,不适合大尺 度空间的应用。随着无人机遥感技术的不断进步, 我们可以进一步拓展无人机在林业上应用的广度 和深度,为现代林业、精准林业提供更为有力的技 术支撑,使之更好的服务林业生产管理工作。

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