張 權，黃世貴，侍 昊

(1.江西省林業(yè)調查規(guī)劃研究院，南昌 330046；2.江西省齊云山國家級自然保護區(qū)管理局，江西 贛州 341300；3.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，南京 210036)

遙感是在計算機技術、數學方法和地球科學等基礎上發(fā)展出的一種新興、實用的科學探測手段。隨著現代遙感的發(fā)展，遙感技術開始從光學遙感航空攝影到不同平臺和傳感器的衛(wèi)星遙感，再到多平臺、高空間和時間分辨率的高光譜遙感技術方向。高光譜遙感具有多波段、高光譜分辨率的特征，能夠在可見光波段、近紅外波段、遠紅外波段精確記錄目標的光譜特征，反映植被的生長狀況。憑借對目標覆蓋范圍廣、信息量大、空間與時間分辨率多的特點，遙感技術在我國資源調查、空間規(guī)劃、災害監(jiān)測中得到逐步應用。然而，遙感影像獲取成本高、重訪周期性長、受天氣影響大的特點，一定程度上也制約了遙感技術的應用，成為現代遙感發(fā)展的瓶頸。

無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)又稱無人駕駛飛機，是一種以無人飛行器為遙感平臺，搭載數字遙感設備，依靠自身動力航行，能夠快速、精準、低成本獲取目標遙感空間信息的技術[1]。與傳統航空遙感影像數據的獲取方式不同，它基本不受光照、云層等天氣因素的影響，能夠高機動、高精度、大范圍、長時間地對目標區(qū)域進行遙感監(jiān)測，影像空間分辨率可達到厘米級，能有效彌補傳統遙感在時間分辨率與影像分辨率方面的不足。近年來，無人機憑借其低成本、可重復觀測性、不受天氣制約、靈活度高、分辨率高的特點，開始在林業(yè)調查工作中得到初步應用。

1 無人機發(fā)展概況

1917年3月，英國在全球范圍內首次試飛了無人駕駛飛機。與此同時，美國也投入精力到無人機的研究中，研發(fā)出多型軍事無人機，并且在第二次世界大戰(zhàn)的作戰(zhàn)中取得豐碩戰(zhàn)果。隨著現代遙感技術(RS)、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)的日漸成熟，歷經90年的發(fā)展，無人機不再作為單一的飛行平臺和武器平臺，而是可根據飛行任務要求，搭載相應的傳感器模塊，實現遙感信息采集、空間數據處理、位置定位的綜合性數據處理與傳輸，性能得到極大的提升，應用范圍也擴展至民用的農業(yè)、林業(yè)、災害監(jiān)測、地形測繪等多個領域。無人機遙感平臺主要包含飛行器、荷載傳感器與高分辨率CCD相機，通過“三合一”與“四合一”的綜合信道體制實現目標影像信息的實時定位與控制傳輸，達到區(qū)域目標監(jiān)測的目的[2]。

1.1 無人機飛行類型及載荷

由于無人機型號各異，種類繁多，一般可以從起飛重量，巡航時間，飛行動力、飛行方式以及用途進行區(qū)分：(1)根據重量，無人機可分為微型無人機、輕小型無人機、中型無人機、重型無人機和超重型無人機,微型無人機是指重量小于5 kg的無人機，國內無人機愛好者多采用此機型；5～50 kg無人機稱為輕小型無人機；50～200 kg無人機稱為中型無人機；200～2 000 kg無人機稱為重型無人機；2 000 kg以上的稱為超重型無人機。(2)根據續(xù)航能力，可分為近程無人機、中程無人機和遠程無人機：續(xù)航能力小于5 h，飛行距離小于50 km的稱為近程無人機；續(xù)航能力大于5 h且小于24 h，航程在50～1 500 km的稱為中程無人機；續(xù)航時間大于24 h,航程大于1 500 km的稱為遠程無人機。民用無人機絕大部分均為近程無人機，軍用無人機航程較遠，主要為中程和遠程無人機。(3)按照不同飛行動力，可以分為電池動力與燃油動力兩種[3]。電池動力無人機具備快速操作，靈巧機動的特點，飛行過程經濟、環(huán)保。燃油動力無人機飛行器以油料為動力，動力強，滯空久，然而機體較大，機動性稍差。(4)按照飛行方式，可分為固定翼無人機和旋翼無人機。固定翼無人機通過人力啟動、跑道滑行或固定彈射的方式起飛，飛行需要一定的場合[4]。旋翼通過直升起降的方式飛行，對場地沒有要求，機動靈活。(5)根據用途，可分為軍用無人機和民用無人機。軍用無人機航程遠，能掛載各類作戰(zhàn)武器，對目標實行精確打擊，主要代表有美國的RQ-4全球鷹高空遠程無人機、MQ-9“死神”(Reaper)無人機，我國的翔龍大型高空無人機、翼龍多用途無人機等。

在常用的飛機載荷上，主要搭載CCD與CMOS圖像傳感器、紅外成像儀、高光譜成像儀、激光雷達等[5]。美國Microsoft公司開發(fā)了超大影像幅的UltraCamXp WA廣角大幅面數碼航攝儀，最小曝光間隔1.35 s，19 600萬像素(17 310×11 310像素)，搭載在高可靠性飛行平臺上，可取得極為豐富的目標影像信息。隨著科技水平的迅猛發(fā)展，全球相關研究機構開發(fā)出許多數字化程度高、重量輕、體積小、監(jiān)測精度高的新型傳感器。小型多光譜、高光譜成像技術以及合成孔徑雷達技術和LIDAR成像技術等傳感器得到迅速發(fā)展[6]。

1.2 無人機重要特點

較衛(wèi)星遙感監(jiān)測和傳統監(jiān)測手段，無人機遙感有以下四個方面優(yōu)勢：

(1)應急飛行：在環(huán)境突發(fā)事件和重大污染案件中，不需要飛行員駕駛，無人機通過地面遙控便可以對目標高危區(qū)域展開航拍，實時監(jiān)測災害區(qū)域變化狀況，及時反映污染區(qū)域擴散情況，采集空氣質量樣本，為人員搶救方案的制定提供重要參考。

(2)機動靈活：無人機重量相對較輕，不受飛行環(huán)境影響，對飛行場地要求低，飛行方式靈活，能快速響應航拍任務。大部分無人飛行任務航拍高度在1 000 m以下，一般不需特別申請空域，可以在全國不同地域開展監(jiān)測活動。

(3)遙感影像清晰:無人機航拍工作飛行高度較低，遙感影像空間分辨率通?？梢赃_到幾厘米到十幾厘米，較傳統衛(wèi)星遙感影像分辨率有很大提升。通過航拍影像可以直觀分辨喬木、灌木、草地等地類，為林業(yè)資源監(jiān)測提供準確依據。

(4)經濟實用:較衛(wèi)星、航空遙感平臺，無人機的購買費用、飛行成本、維護成本相對較低，無人機愛好者、科研單位、管理部門均有能力開展無人機航拍工作。

1.3 無人機主要產品

按照相關學者研究并制定的無人機遙感數據產品分級體系，大致分為以下幾個類別：

(1)原始數據：是指直接從無人機搭載的傳感器上獲取，經過影像分景、分幅，而未進行輻射校正和幾何校正處理的影像產品。通常不建議向用戶提供這種數據。

(2)相對輻射校正產品：對航拍影像進行相對輻射校正后，圖像質量得到有效改善，圖像噪聲能夠有效去除，細節(jié)信息得以保留。

(3)絕對輻射校正及地表物理參量產品：由經過絕對輻射校正、能夠真正定量化的遙感數據而生成的地表蒸散量、土壤含水量、地表反射率等數據產品。

(4)幾何精校正產品：按照一定的地球投影，在傳感器校正產品的基礎上，以一定地面分辨率投影在地球橢圓球面上的幾何產品。產品附帶RPC模型參數文件并提供單片模式、立體模式和核線模式三種方式。

(5)正射校正產品：采用精確DEM數據和控制點數據做正射校正處理而產生的正射校正產品。在帶有對應地理編碼的同時，正射校正修正了因為地形起伏而帶來的像點位移，因而不再提供RPC參數文件[7]。

2 無人機在林業(yè)資源調查與監(jiān)測中應用

森林是全球生態(tài)系統的重要組成部分，在大氣環(huán)境、水資源涵養(yǎng)、碳循環(huán)等方面發(fā)揮著重要作用。我國山多林密，地形復雜，傳統的林業(yè)調查、火情監(jiān)測、病蟲害防治多依靠工作人員實地勘察，工作強度大、危險性高。遙感技術憑借其覆蓋范圍廣、獲取信息量大的特點，在林業(yè)調查中得到應用。近年來，我國采用高分系列衛(wèi)星、資源三號等衛(wèi)星遙感影像，通過遙感影像自動提取技術和人工判讀技術相結合，開展了林地資源調查、林地年度更新、林地征占用核查、林業(yè)病蟲害監(jiān)測、林業(yè)火災監(jiān)測等工作，并取得了一定成果。科研活動中，也有許多林業(yè)學者做了多項研究。李法玲等[8]以TM遙感影像為基礎，采用歸一化差異植被指數NDVI的像元二分法實現了江西省九連山植被覆蓋度的動態(tài)監(jiān)測。馬澤清等[9]通過對IKONOS遙感影像的目視解譯，結合林木各部位的生長模型，估算了千煙洲人工林的森林生物量以及碳儲量，肯定了人工林在碳固定中的顯著作用。

與傳統林業(yè)遙感監(jiān)測方法不同，無人機遙感監(jiān)測具有影像易獲取、影像空間和時間分辨率高、靈活度高、安全性好、易操控等特點，能夠彌補傳統林業(yè)遙感的影像獲取高成本、低重復性、受天氣影響大的問題，是對林業(yè)遙感技術的有效補充，在林業(yè)監(jiān)測活動中有廣闊應用前景。本文通過以下四個方面對無人機在林業(yè)中的應用進行總結，并對無人機遙感的實際應用進行展示。

2.1 在調查規(guī)劃中的應用

傳統林業(yè)調查活動中，林地地類、樹種、胸徑、樹高、蓄積的界定，營造林核查與林地征占用核查等都需要人作為調查主體，前往調查對象進行實地勘驗。無人機通過搭載高清相機或者高光譜成像儀，可以靈活地提供目標區(qū)域高清、豐富的遙感影像信息，為林地資源調查提供豐富依據。L. O. Wallace等[10]采用微型無人飛行器，搭載了4層激光雷達平臺和小型化定位傳感器實現了森林變化的監(jiān)測。史潔青等[11]以無人機航拍影像為基礎，融合地理信息系統，開發(fā)出一種全新的森林資源調查系統，能快捷、準確地提取航拍影像信息，實現林地調查的信息化。孫志超等[12]采用搭載非測量相機的無人機對北京十三陵林場進行航拍，通過實測樹高、面積等信息，擬合與校正了航拍與實測樹木信息，實現了無人機對林木信息的準確測量。

此外，無人機可以輔助支撐林地年度變更工作，以林地資源“一張圖”為基礎，將當年的造林、采伐、征占用、自然災害等林地經營活動信息及時準確地更新到“一張圖”數據庫中，提高了林業(yè)數據的權威性與準確性，實現了林地數據的動態(tài)監(jiān)管。

2.2 在病蟲害監(jiān)測中的應用

林業(yè)病蟲害是影響林木健康生長的重要因素。傳統的林業(yè)病蟲害監(jiān)測與防治主要通過人員實地調查的方式，調查難度大、工作強度高、地形復雜等因素使得調查范圍與精度受到影響。近年來隨著高光譜遙感技術在林業(yè)病蟲害監(jiān)測中的應用，使得大范圍監(jiān)測植被病蟲害成為現實。然而，高光譜技術受衛(wèi)星平臺的影響，運行周期較長，獲取影像費用高，影響該技術的廣泛推廣與應用。

無人機通過搭載可見光相機或高光譜儀等設備，可以靈活地對目標區(qū)域內松線蟲以及其它樹種病害進行預警與監(jiān)測。Garcia-Ruiz, F等[13]采用搭載多波段成像傳感器的低空多旋翼無人飛行器研究柑橘黃龍病，通過分析530～900 nm波段數據和七個植被指數數據，精確識別了樹木黃龍病。張學敏等[14]以無人機為飛行平臺，搭載雙光譜相機獲取了松樹的病蟲害監(jiān)測遙感影像，創(chuàng)新性的提出一種特征稀疏表示和加權小波支持向量描述的影像識別方法，有效辨識了松樹的病蟲害信息。此外，無人機也可以掛載農藥噴霧器對樹木進行災害防治。

2.3 在火災監(jiān)測中的應用

森林火災突發(fā)性強、破壞力大、是一種防范與救援比較困難的自然災害，與其它自然災害相比，對森林的生長影響最嚴重[15]。在林業(yè)火災中，由于人為用火不慎引起的火災占95%[16]。林業(yè)火情監(jiān)測是林業(yè)經營管理活動中非常重要的工作。救援人員能夠準確、快速的到達現場，是撲滅火情的關鍵。傳統森林火情監(jiān)測主要通過人員巡護和衛(wèi)星監(jiān)測的方式。人工巡護受到降雨、云霧及地形的影響，導致巡查地域較小，巡護效率低。衛(wèi)星遙感監(jiān)測主要受到時間分辨率和遙感空間分辨率的影響。衛(wèi)星過境時間比較固定，獲取影像周期較長，對早期的小面積火情難以識別，對目標區(qū)域不能實現影像的實時獲取，很難實現對目標區(qū)域的動態(tài)監(jiān)測。

無人機憑借其機動、靈活、快速、準確的方式，可以對較大范圍的人為用火區(qū)進行長時間監(jiān)控，可及時發(fā)現并上報火情，利于撲火隊伍和大型滅火直升機精準撲滅火情。林業(yè)防火無人機主要以飛行器為平臺，搭載高清相機或者紅外成像儀，對重點林火區(qū)進行動態(tài)監(jiān)測。Hinkley, E.A等[17]采用無人機系統作為傳感器平臺，實現了森林火情熱圖像信息數據的及時收集，為美國林務局和其它防火管理機構野火決策支持系統提供了重要依據。張慶杰等[18]為克服傳統火災監(jiān)測范圍局限性和費用高昂的問題，采用六旋翼無人機拍攝了林區(qū)視頻，以視覺顯著性方法為突破口，結合候選林火區(qū)、特征融合與分類、閾值判斷等流程判斷分析林區(qū)火情，提取出火情位置、形狀、面積、蔓延速度等關鍵信息，快速、高效地解決了林火監(jiān)測問題。何誠等[19]采用深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司的搭載1 400萬像素相機的電動四旋翼無人機采集實驗圖像，以搭載熱紅外成像系統的電動六旋翼無人機收集參考圖像，拍攝南京森林警察學院內的實驗樣地，運用地面調查與交叉測量法對比評價了搭載普通相機的無人機的火情監(jiān)測方法，為林業(yè)火情監(jiān)測提供了新方式。

2.4 在濕地調查中的應用

濕地作為地球生態(tài)系統的重要部分，對區(qū)域氣候調節(jié)、水土保持、生物多樣性保護等方面發(fā)揮著巨大貢獻[20]。豐富的濕地資源對棲身于都市的人們尤其重要。國內外學者采用無人機對濕地進行了研究。Zaman等[21]以AggieAir & # x2122新型無人駕駛飛行器為平臺，跟蹤拍攝了猶他州北部一大片重要濕地入侵物種蘆葦的傳播，結合基于統計學習理論進展的分類算法，提出一種有效量化蘆葦的傳播方法，并評估了控制蘆葦傳播的有效性。李芾[22]采用低空無人機技術獲取了沈陽市蒲河城市濕地的遙感影像，通過地面調查與植被對比分析，展示了無人機遙感極高影像分辨率的優(yōu)勢，為城市濕地的景觀規(guī)劃提供了科學依據。周在明等[23]采用無人機低空獲取了福建省三沙灣地區(qū)灘涂地區(qū)互花米草的可見光和多光譜影像，以可見光影像為參考，采用NDVI指數為模型計算出多光譜影像的植被覆蓋度，取得了良好效果。

近幾年，江西省開始將無人機應用到林業(yè)調查、病蟲害防治、火情監(jiān)測與濕地保護等監(jiān)測活動中。2016—2017年，江西省在全省范圍內開展了城區(qū)濕地調查工作，通過外業(yè)調查與無人機遙感技術相結合的方法采集信息，結合先進的地理信息系統技術，內業(yè)數據匯總處理，創(chuàng)新性地建設成全國首個城區(qū)濕地一張圖。通過濕地一張圖的建立，準確掌握各縣城區(qū)濕地動態(tài)，為后續(xù)的濕地保護提供科學依據。2016年2月，江西省鄱陽湖保護區(qū)都昌保護監(jiān)測站與都昌候鳥保護區(qū)管理局聯合省新聞媒體等首次采用四翼無人機在該縣鄱陽湖朱袍山、三山的縱深水域內對鶴形目、雁鴨類等大型越冬候鳥種群進行航拍調查。此次共計監(jiān)測到大型越冬水鳥種群三處，發(fā)現灰鶴400余只、小天鵝1.5萬余只，豆雁1.4萬余只。2017年4月，省林業(yè)規(guī)劃院在項目規(guī)劃中，搭配使用旋翼無人機和固定翼無人機獲取了于都縣境內寧定高速道路兩旁的林地高分辨率圖片和林地小班坐標位置，為項目后期的林相改造提供了重要依據[24]。2017年9月，江西省武夷山國家級自然保護區(qū)首次運用無人機技術，協助野外科研調查。2016年8月底，江西省修水縣林業(yè)局利用無人機對余塅鄉(xiāng)一顆受到錦斑娥幼蟲侵害的重陽木進行了高空噴霧防治。2017年8月底，江西省九江市已經將無人機應用到廬山上空，進行消防巡航，實現了防火從人防到技防的轉變。

3 發(fā)展方向與前景展望

隨著現代林業(yè)逐步邁向信息化、自動化與智能化，傳統的林業(yè)監(jiān)測與調查手段耗時久、強度大、精度差的問題已經難以滿足林業(yè)發(fā)展需求，航空遙感與航天遙感數據也由于時間分辨率低，難獲取的特征影響林業(yè)監(jiān)測，林業(yè)無人機遙感技術的出現和應用有效解決了這些問題，但當前林業(yè)無人機應用還有許多不足并有待加強。

(1)豐富傳感器類型

我國民用輕小型無人機常用荷載傳感器類型主要有數碼相機、視頻攝像機、多光譜相機、紅外輻射儀等，其中數碼相機占全部傳感器種類的77%。在無人機用戶中，研究機構和高校多采用多光譜相機、高光譜相機和紅外輻射儀，而85%的用戶仍采用光學數碼相機作為傳感器進行遙感拍攝活動。數碼相機航拍影像變形大、精度差、效率低，會嚴重影響成圖效果。因此，為解決無人機荷載傳感器單一化的現狀應需要研究輕小型多視立體航攝儀、小型機載激光雷達、熱紅外成像儀等多傳感器和集成飛行平臺與飛控系統的技術，研發(fā)基于輕小型無人機的實景三維模型、機載合成孔徑雷達影像圖、熱紅外航空遙感影像圖、高光譜航空遙感影像圖等產品，擴展輕小型無人機的應用范圍領域。

(2)完善影像標準化處理體系

無人機航拍系統主要由硬件系統和軟件系統構成。硬件系統主要包含飛行平臺、荷載傳感器、飛行控制系統、地面監(jiān)控系統、數據傳輸系統和地面保障系統共六個部分[25]。軟件系統主要包含航線設計軟件、航拍影像快速檢查軟件和影像處理軟件三部分。法國像素工廠系統(PixelFactory)、德國Inpho軟件系統、中國測繪科學研究院PixelGrid軟件系統和武漢大學DPGrid軟件系統采用網絡并行計算，在無人機影像預處理(內定向、畸變改正、建立影像金字塔)、自動空三測量、密集匹配同名點、影像勻光與勻色、影像鑲嵌和正射糾正等環(huán)節(jié)均可采用并行計算的方式進行，可以極大節(jié)約人力和時間。在影像信息提取上，仍以常用的衛(wèi)星遙感影像處理軟件為主，如ERDAS、ENVI、eCognition等，并無較為成熟的無人機數據一體化處理系統。因此，目前亟需整合一套完整的無人機數據處理體系，包括影像定標、幾何校正、數據拼接、特征增強和信息提取等，形成無人機影像的標準化處理體系。

(3)加強無人機影像時效性處理

目前民用輕小型無人機的續(xù)航能力大多在2～3 h之間，荷載重量在5 kg以內，搭載的傳感器拍攝幅面小，這些因素已經成為制約無人機發(fā)展的重要瓶頸。無人機拍攝影像空間分辨率高，光譜特征多，影像的紋理特征豐富，在影像處理與分析中需要耗費較大的人力與時間。尤其在突發(fā)自然災害的航拍工作中，急需對拍攝影像數據進行快速處理與分析，為決策者提供現實時參考依據，因而產品時效性亟需加強。

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