趙國帥

(福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，福建 福州 350003)

無人機遙感在林業(yè)中的應(yīng)用與需求分析

趙國帥

(福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，福建 福州 350003)

介紹了無人機系統(tǒng)及林業(yè)遙感常用載荷技術(shù)，分析了當(dāng)前常規(guī)林業(yè)監(jiān)測手段存在的不足；結(jié)合林業(yè)工作特點，探討無人機遙感在林業(yè)上的應(yīng)用與需求。分析表明，無人機遙感能夠為林業(yè)工作提供多種遙感數(shù)據(jù)，在林業(yè)資源調(diào)查、森林巡護、病蟲害監(jiān)測、森林防火預(yù)警及火災(zāi)應(yīng)急指揮等方面具有良好的應(yīng)用前景。

無人機；遙感；林業(yè)；應(yīng)用

遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用被稱為林業(yè)遙感技術(shù)，是指通過衛(wèi)星和飛機對林業(yè)資源進行實時動態(tài)地監(jiān)測，形成各種數(shù)據(jù)和信息，并通過綜合分析處理得到各種專題數(shù)據(jù)，從而為林業(yè)生產(chǎn)和決策提供數(shù)據(jù)支持[1]。遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，主要包括林業(yè)資源調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測、森林火災(zāi)預(yù)警、森林病蟲災(zāi)害監(jiān)測等。遙感技術(shù)在空間分辨率和光譜分辨率方面的提高，以及雷達遙感、航空遙感和無人遙感飛機的發(fā)展，為林業(yè)工作提供了更為豐富的信息源，拓寬了林業(yè)遙感應(yīng)用的深度和廣度。

無人機遙感(UAV remote sensing)是指以無人飛機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)為系統(tǒng)平臺，通過搭載不同遙感傳感器，并綜合利用遙測遙控技術(shù)、定位定姿技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，能夠自動、快速、準(zhǔn)確地獲取資源、環(huán)境、國土等空間遙感信息，并進行實時處理與分析的航空遙感技術(shù)[2]。隨著無人機生產(chǎn)及載荷技術(shù)的日臻成熟和研究的不斷深入，無人機遙感在各行業(yè)的應(yīng)用正迅速推進。就林業(yè)行業(yè)而言，無人機在林業(yè)生產(chǎn)活動中的應(yīng)用仍處在起步階段，但其強大的應(yīng)用前景，對推動現(xiàn)代林業(yè)、智慧林業(yè)和精準(zhǔn)林業(yè)的建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。因此，需要深入研究無人機遙感在林業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與需求。

1 無人機系統(tǒng)及有效載荷

無人機的概念并不僅僅限定在飛機自身，無人機由一套完整的系統(tǒng)構(gòu)成，其中包括地面裝置。無人機系統(tǒng)(Unmanned Aerial System，UAS)是指以無人機為主體，配有相關(guān)的分系統(tǒng)，能執(zhí)行特定任務(wù)的一組設(shè)備，主要組成包括無人飛機、地面控制站、有效載荷、導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等(圖1)。

圖1 無人機系統(tǒng)組成

根據(jù)無人機系統(tǒng)的特點和需要執(zhí)行的任務(wù)，可以將有效載荷分為2大類，第一種是無人機搭載的傳感器，第二種是無人機攜帶或傳輸?shù)呢撦d(如滅火劑、農(nóng)藥等)。實際上，傳感器可理解為不能脫離無人機而單獨存在的數(shù)據(jù)采集器，而有效載荷還可以指能脫離無人機的被傳輸/投放的物體。這2個術(shù)語通?？梢曰Q使用，傳感器經(jīng)常被描述為滿足任務(wù)需要的設(shè)備。

根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的范圍和目的，需要選擇不同的傳感器，傳感器載荷共可分為5大類：①導(dǎo)航和安全通行；②通信和控制；③遙感和成像；④情報、監(jiān)視和偵察；⑤數(shù)據(jù)采集(空氣采樣、濕度、污染、顆粒物、溫度)。就林業(yè)遙感任務(wù)而言，傳感器有效載荷主要包括可見光相機、可見光攝像機、紅外熱像儀、高光譜成像儀、合成孔徑雷達、激光雷達等，根據(jù)不同的監(jiān)測需求，應(yīng)選擇相匹配的傳感器載荷(表1)。

2 傳統(tǒng)林業(yè)監(jiān)測手段及無人機優(yōu)勢

傳統(tǒng)的林業(yè)監(jiān)測方法包括：地面巡護、瞭望塔監(jiān)測、衛(wèi)星遙感監(jiān)測、有人機航空巡護等，這些方法都存在一定的局限性。

常規(guī)林業(yè)地面巡護通過人員或者車輛對林區(qū)進行巡護：其一，由于人的眼睛可視范圍較小；其二，護林員的巡查路徑和時間相對固定，因此無論是巡查覆蓋范圍還是時效性都無法滿足現(xiàn)階段日益增長的林區(qū)監(jiān)護巡查的需要[3]。

表1 無人機遙感常見任務(wù)載荷及用途

瞭望塔(含視頻監(jiān)控)易受天氣影響和地形條件限制，山區(qū)地形起伏較大，云、霧較多，因此使用瞭望塔進行森林火災(zāi)預(yù)警時存在一定比例的觀測盲區(qū)和死角。視頻監(jiān)測同時還需綜合考慮供電、通信、防雷、防盜等一系列技術(shù)和管理因素，技術(shù)要求復(fù)雜。

衛(wèi)星遙感監(jiān)測由于受到空間分辨率的局限，一般只能發(fā)現(xiàn)20 m×20 m大小的火點，針對北方地區(qū)監(jiān)測效果較好[4]，南方地區(qū)多云天氣較多，效果有限。受衛(wèi)星影像采購成本的限制，目前我國林業(yè)部門多采用資源三號(ZY-3)和高分一號(GF-1)衛(wèi)星影像進行大面積森林(濕地)資源調(diào)查[5-6]，由于衛(wèi)星過境時間及云遮擋等原因，收集一套同一時間節(jié)點的衛(wèi)星影像難度較高，十分不利于國家或省級的森林資源(濕地)的年度動態(tài)監(jiān)測。

有人機航空巡護對飛行員要求較高；飛機的起飛需要申請空域；在地理環(huán)境復(fù)雜、氣候條件惡劣的情況下，存在較大的飛行安全性風(fēng)險；需要配備專業(yè)飛行員、航空護林觀察員、維護及保養(yǎng)人員以及飛行倉庫等，且執(zhí)行任務(wù)消耗的油料數(shù)量巨大，成本較高。

無人機遙感監(jiān)測具有機動靈活、使用成本低、操作簡單、響應(yīng)迅速、高時空分辨率等特點，可以在不同環(huán)境條件下獲取多種多樣的遙感數(shù)據(jù)[7]。無人機航拍影像空間分辨率可達厘米級，并可低空在云層下飛行，避免了云層遮擋的問題；操作相對簡單，準(zhǔn)備時間短；體型較小，方便運輸，到達目的地后可迅速開展工作?？筛鶕?jù)工作需要搭載不同載荷，并根據(jù)監(jiān)測目的和氣候條件靈活選擇觀測時間；利用其獲取高分辨率影像及雷達三維點云數(shù)據(jù)提取病死木并準(zhǔn)確定位[8]；識別樹種及獲取相關(guān)森林、林木因子[9]；對火場進行長時間的凝視，及時將火災(zāi)情況通過數(shù)據(jù)鏈傳回指揮系統(tǒng)，便于指揮人員進行現(xiàn)場指揮與調(diào)度，實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)測等[10]。

3 無人機遙感應(yīng)用需求

3.1 無人機遙感數(shù)據(jù)

隨著傳感器載荷技術(shù)的發(fā)展，其精度不斷提高且逐步小型化，無人機載成為可能。目前，可應(yīng)用于林業(yè)生產(chǎn)工作中的無人機航空遙感數(shù)據(jù)主要包括高分辨率遙感影像、高光譜遙感數(shù)據(jù)和合成孔徑雷達遙感數(shù)據(jù)。

3.1.1 高分辨率遙感影像數(shù)據(jù) 林業(yè)遙感生產(chǎn)應(yīng)用中最常用的數(shù)據(jù)源是光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，如國產(chǎn)的資源三號(ZY-3)、高分衛(wèi)星(GF-1/2/3)、環(huán)境小衛(wèi)星(HJ-1A/B)、北京1號小衛(wèi)星等，國外常見的有TM、SPOT5、QuickBird、IKONOS、Wroldview-1/2、GeoEye、ALOS等。利用無人機搭載可見光相機同樣可以獲取航空正射影像圖，并具有遠超衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的超高時/空分辨率，可用于林業(yè)資源調(diào)查及動態(tài)監(jiān)測工作[11]。

3.1.2 高光譜遙感數(shù)據(jù) 在森林資源管理、珍貴樹種保護、生物多樣性調(diào)查及野生動物棲息地研究中，正確識別樹種具有重要意義。常用的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)進行樹種識別只能區(qū)分到樹種組或?qū)浞N簡單地分為針葉林和闊葉林2大類。高光譜遙感數(shù)據(jù)具有豐富的光譜信息優(yōu)勢，能夠探測到不同物體的細微光譜差異，大大改善了對植被的識別和分類精度[12]。利用高光譜數(shù)據(jù)采用混合光譜分解的方法，可以解決寬波段遙感數(shù)據(jù)提取郁閉度精度較低的問題。試驗證明，采用光譜混合模型的方法提取森林郁閉度信息是可行的[13]。此外，高光譜數(shù)據(jù)在森林資源調(diào)查及動態(tài)監(jiān)測、森林火災(zāi)監(jiān)測和評估、森林病蟲害監(jiān)測等方面應(yīng)用也非常廣泛[14-16]。

3.1.3 合成孔徑雷達/激光雷達遙感數(shù)據(jù) 合成孔徑雷達(SAR)是一項微波遙感技術(shù)，主要通過飛行平臺的向前運動實現(xiàn)合成孔徑。在多云、霧的地區(qū)，通過可見光和紅外相機難以獲取下層的森林信息，同時光學(xué)遙感反演只能在平面上進行，因此無法為林業(yè)生產(chǎn)提供有效的數(shù)據(jù)支持。合成孔徑雷達具有全天候、全天時以及穿透性的特點，不僅能夠穿透云、霧，而且能夠透過植被獲取地表特征，能夠較好地反映地表結(jié)構(gòu)信息。激光雷達(LiDAR)具有極高的角分辨、距離分辨和抗干擾能力，可以直接獲取地表林木的三維信息，因此在林木高度測量及林分垂直結(jié)構(gòu)信息獲取方面具有獨特的優(yōu)勢[17]。根據(jù)采樣方式和配置方式的不同，利用無人機搭載激光雷達可以高精度的提取森林水平和垂直信息。

3.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

針對無人機技術(shù)在林業(yè)上的應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者已做了許多研究：張園等[18]探討了無人機遙感在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用；杜建華等[10]針對森林火災(zāi)探測撲救中的無人機技術(shù)及其應(yīng)用進行了深入分析；張增等[19]利用無人機高分辨率遙感影像進行森林火災(zāi)的監(jiān)測，結(jié)果表明對森林火災(zāi)的檢測率可達87.7%，識別率達到89.2%；王偉[20]采用面向?qū)ο蟮姆椒?，利用無人機遙感影像數(shù)據(jù)對冠幅、樹高、林分密度等森林參數(shù)進行了提取。

到目前為止，無人機技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)活動中應(yīng)用的成果案例還很少，僅有國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院針對無人機技術(shù)在森林資源調(diào)查、營造林核查、林業(yè)執(zhí)法、災(zāi)后調(diào)查及枯死木調(diào)查等方面開展了部分小區(qū)域應(yīng)用實驗。實驗證明，無人機影像可部分替代人工現(xiàn)地調(diào)查；能夠輔助森林資源年度變更、一類清查和二類調(diào)查工作；對營造林核查、荒漠化和沙化監(jiān)測、林業(yè)執(zhí)法和災(zāi)害評估等林業(yè)工作，具備良好的發(fā)展?jié)摿Α２糠值胤搅謽I(yè)主管部門開始嘗試?yán)脽o人機進行森林火災(zāi)監(jiān)測及預(yù)警工作?？傮w來看，全國林業(yè)行業(yè)尚無完整的無人機應(yīng)用平臺體系，基本上處于零星應(yīng)用的狀態(tài)，缺乏數(shù)據(jù)管理與處理平臺。

3.3 應(yīng)用需求

無人機遙感在林業(yè)中應(yīng)用需求主要包括：森林(濕地)資源調(diào)查、荒漠化和沙化監(jiān)測、森林巡護、林業(yè)執(zhí)法、營造林檢查、病蟲害監(jiān)測、森林火災(zāi)預(yù)警及現(xiàn)場指揮、自然災(zāi)害(火災(zāi)、病蟲害、凍災(zāi))災(zāi)后評估等。根據(jù)不用的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)結(jié)合其需求及特點，選擇不同的機型及傳感器。

3.3.1 森林(濕地)資源調(diào)查、荒漠化和沙化監(jiān)測 我國每10 a開展一次森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查，主要針對林業(yè)小班進行區(qū)劃調(diào)查和抽樣調(diào)查；每5 a開展一次森林資源連續(xù)清查，主要針對省級固定樣地進行定期復(fù)查；每年開展一次森林資源年度變更調(diào)查，主要工作是更新森林資源“一張圖”數(shù)據(jù)庫；每5 a開展一次荒漠化和沙化監(jiān)測，主要針對全國荒漠化和沙化監(jiān)測區(qū)內(nèi)土地荒漠化/沙化范圍、分布、植被覆蓋度等情況進行調(diào)查。

可采用無人機搭載可見光相機和高光譜成像儀，獲取森林及林地資源范圍、分布，林木種類；濕地資源分布、類型，水資源狀況，野生生物資源情況。通過搭載激光雷達，獲取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)林木三維點云數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)林木種類識別、森林及林木因子獲取等。

3.3.2 森林巡護、林業(yè)執(zhí)法、林政、營造林檢查及災(zāi)后評估 利用無人機搭載可見光相機和紅外熱像儀，能夠高頻次對固定中、小范圍區(qū)域林地進行遙感監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)違法占地、盜砍濫伐違章用火等情況；林業(yè)執(zhí)法部門可通過無人機航拍影像，分析森林遭受破壞的位置及程度，并及時對毀林行為進行制止和處罰；利用正射影像可以計算營造林面積、株樹，確定需要補植的位置；獲取受自然災(zāi)害影響的森林面積及損毀程度。

3.3.3 林業(yè)有害生物監(jiān)測 利用無人機搭載可見光相機和高光譜成像儀，獲取目標(biāo)區(qū)域高分影像及高光譜數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)森林病蟲害，實現(xiàn)預(yù)警監(jiān)測，確定災(zāi)情發(fā)生位置及范圍，為治理效果和災(zāi)后損失評估提供依據(jù)。

3.3.4 火災(zāi)預(yù)警及現(xiàn)場指揮 利用無人機搭載可見光和紅外攝像機，對監(jiān)測區(qū)域進行巡查，及時發(fā)現(xiàn)火點并精確定位；火災(zāi)發(fā)生時，可將火場周圍地理環(huán)境、火災(zāi)發(fā)生范圍、林火蔓延趨勢等及時傳回地面控制中心，監(jiān)測林火發(fā)生和火場發(fā)展動態(tài)，輔助現(xiàn)場指揮決策。

4 結(jié)論

根據(jù)中國信息通信研究院(工業(yè)和信息化部電信研究院，CIACT)和中投顧問產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的中國無人機產(chǎn)業(yè)的研究報告，當(dāng)前國內(nèi)民用無人機發(fā)展迅猛，國內(nèi)現(xiàn)有無人機生產(chǎn)企業(yè)已超過400家，從業(yè)人員突破10萬，2014年中國民用無人機銷售規(guī)模已經(jīng)達到40億元，未來幾年將保持50%以上的增長。

無人機作為信息時代高技術(shù)的產(chǎn)物，已成為世界各國加強國防建設(shè)和加快信息化建設(shè)的重要標(biāo)志。眾多發(fā)達國家和新興工業(yè)國家，無不十分重視無人機的研究、發(fā)展和應(yīng)用。當(dāng)前，除了在軍事上廣泛應(yīng)用，無人機在在警用、氣象、農(nóng)林，甚至勘探等民用領(lǐng)域也大展身手，世界諸多無人機發(fā)展先進國家已將其作為推動新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、滿足社會經(jīng)濟活動需要的重要手段和重點選擇。當(dāng)前，我國民用無人機行業(yè)蓬勃發(fā)展，軍工集團下屬單位、科研院所和民營企業(yè)相繼開始進行民用無人機的研發(fā)和制造，且有各自的優(yōu)勢。

林業(yè)行業(yè)本身涉及到多個專業(yè)領(lǐng)域，如：森林(濕地)資源監(jiān)測、防火、病蟲害、森林巡護、林業(yè)執(zhí)法等等。應(yīng)當(dāng)看到當(dāng)前的無人機系統(tǒng)技術(shù)并不能解決所有專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)獲取問題，但新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展都是從不可能到可能再到成熟應(yīng)用的過程，目前應(yīng)該在比較成熟的專業(yè)點率先應(yīng)用推廣，同時針對技術(shù)尚不成熟或需要開發(fā)應(yīng)用的專業(yè)問題積極開展試點應(yīng)用，并逐步推廣。要提高思想認識，加強無人機遙感在林業(yè)生產(chǎn)活動中的應(yīng)用，努力創(chuàng)新。只有不斷地應(yīng)用和創(chuàng)新，積累經(jīng)驗，才能使無人機在林業(yè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用水平不至于落后。

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Application and Demand Analysis of Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing in Forestry

ZHAO Guoshuai

(FujianInstituteofForestInventoryandPlanning，F(xiàn)uzhou350003，F(xiàn)ujian，China)

This paper introduced the Unmanned Aerial System (UAS) and common load sensors，analyzed the lack of traditional methods in forest monitoring.Combined with the characteristics of forestry work，the application and demand of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Remote Sensing in forestry were discussed.UAV remote sensing can provide many kinds of remote sensing data for the forestry work and has a good prospect in forestry resource survey，forest patrol，pest and disease monitoring，forest fire warning and fire emergency command.

Unmanned Aerial Vehicle；Remote Sensing；forestry；application

10.13428/j.cnki.fjlk.2017.01.029

2016-10-11；

2016-12-18

福建省林業(yè)廳林業(yè)科研基金資助項目(閩林科[2016]3號)

趙國帥(1987—)，男，山東青州人，福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院工程師，從事林業(yè)遙感及地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究工作。E-mail：zhgshuai@163.com。

P231：S7

A

1002-7351(2017)01-0136-05