無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在林場(chǎng)管理中的應(yīng)用

施悅謀

摘要：

我國(guó)森林資源豐富，但森林資源管理手段較為落后，不能有效進(jìn)行森林資源管理，無(wú)法防止森林資源的流失。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有覆蓋廣、便捷、人工成本低等優(yōu)點(diǎn)，能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)管理手段的不足。本文主要從林場(chǎng)森林資源管理的日常巡查、森林資源調(diào)查、森林火災(zāi)、有害生物防治等方面，梳理無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在林場(chǎng)森林資源管理中的應(yīng)用現(xiàn)狀并提出展望。

關(guān)鍵詞：

無(wú)人機(jī)遙感;森林資源管理;資源調(diào)查;有害生物防治;森林火災(zāi)

中圖分類號(hào)：S75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：1019754/jnyyjs20200630018

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程快速推進(jìn)，生態(tài)環(huán)境受到不同程度的破壞，其中森林生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，導(dǎo)致生物多樣性急劇下降，溫室效應(yīng)等極端氣象現(xiàn)象加劇，人們對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)在保護(hù)生態(tài)環(huán)境所發(fā)揮重要作用的認(rèn)識(shí)逐漸深化。但我國(guó)仍存在森林資源不足，整體質(zhì)量下降[1]等問(wèn)題。造成以上問(wèn)題的原因有很多，除了原有的經(jīng)濟(jì)政策原因外，人為破壞、森林火災(zāi)、有害生物破壞等也是導(dǎo)致森林資源流失的重要原因。

我國(guó)林業(yè)產(chǎn)業(yè)管理水平處于較低層次，國(guó)內(nèi)大多數(shù)地區(qū)的林場(chǎng)森林資源管理與監(jiān)測(cè)均以人工為主，易受地形影響，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。自20世紀(jì)80年代開始，采用遙感與3S技術(shù)等輔助手段進(jìn)行管理，但由于天氣、時(shí)間、安全、分辨率、經(jīng)費(fèi)等因素難于及時(shí)獲取高清的遙感影像。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)擁有高分辨率、高時(shí)效、云層下能成像和移動(dòng)性能高等優(yōu)點(diǎn)[3]，通過(guò)搭載相機(jī)、光譜成像儀等遙感傳感器，能獲取高分辨率的光學(xué)影像、視頻等數(shù)據(jù)[2]。有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙感技術(shù)的不足，在林場(chǎng)巡查、森林資源調(diào)查、有害生物監(jiān)測(cè)與防治、森林防火中的應(yīng)用獲得迅速發(fā)展。

1無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在林場(chǎng)巡查中的應(yīng)用

人為破壞，如亂砍亂伐、毀林開墾等，特別是距離居民區(qū)較近的林場(chǎng)，是造成森林資源損失的主要原因之一。為有效進(jìn)行監(jiān)測(cè)，林場(chǎng)采用護(hù)林員定期、固定路線巡護(hù)等人力巡查的方式進(jìn)行巡查。此類巡查方式受山體遮擋的影響，巡查覆蓋范圍小，路線固定，不能有效排查森林資源的異常情況。使用無(wú)人機(jī)航拍則可以實(shí)現(xiàn)大范圍且迅速巡查的目的，配合使用攝像機(jī)等拍攝實(shí)時(shí)視頻，有利于森林毀壞行為的證據(jù)收集，遏止森林資源的破壞。

此外，在實(shí)現(xiàn)林場(chǎng)管理工作中，針對(duì)人為破壞森林的損失評(píng)估方面，對(duì)比目視勾繪、GPS測(cè)量、羅盤儀測(cè)量等方法，使用無(wú)人機(jī)搭載高清攝像機(jī)等設(shè)備，能快速對(duì)目標(biāo)地塊進(jìn)行正射拍攝，通過(guò)相關(guān)軟件對(duì)相片的標(biāo)定和拼接，獲得高分辨率的航拍影像，便于勾繪和測(cè)算被破壞面積。這種作業(yè)方式能夠適應(yīng)不同的地形環(huán)境，克服惡劣的天氣條件，具有較高的時(shí)效性、安全性以及精度，能幫助林業(yè)資源管理者制定更科學(xué)的森林資源保護(hù)方案。

2無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用

我國(guó)國(guó)土幅員遼闊、地形復(fù)雜、氣候變化大，因而擁有豐富多樣的森林資源。森林資源調(diào)查是對(duì)森林中各種林木資源的數(shù)量、特征及其生長(zhǎng)狀況進(jìn)行測(cè)量或調(diào)研的過(guò)程。目前森林資源調(diào)查的因子包括面積、蓄積量[4]、林分結(jié)構(gòu)、營(yíng)林狀況等[5，6]。傳統(tǒng)林場(chǎng)管理人員主要以樣地法結(jié)合人工實(shí)地測(cè)量作為調(diào)查手段[6]，通過(guò)人工使用胸徑尺、測(cè)高器等調(diào)查工具進(jìn)行實(shí)地測(cè)量與數(shù)據(jù)模擬進(jìn)行估算。但這些操作方法的效率和精度難以滿足現(xiàn)代林場(chǎng)資源管理的要求。通過(guò)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)可快速、高效地完成資源調(diào)查任務(wù)，為實(shí)現(xiàn)林場(chǎng)管理向信息化、精準(zhǔn)化的森林信息管理和規(guī)劃提供有力的基礎(chǔ)。謝巧雅等[7]通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍獲取杉木林的遙感影像，通過(guò)Pix4D Mapper軟件對(duì)多光譜影像航片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建數(shù)字模型和數(shù)字高程模型，實(shí)現(xiàn)了杉木樹高的提取，從而獲得相關(guān)森林資源調(diào)研數(shù)據(jù)。何游云等利用無(wú)人機(jī)航拍產(chǎn)生的樹冠遙感影像估算林木生物量[8]，具體方法為利用無(wú)人機(jī)遙感獲取的高分辨率影像估算單木生物量和樹冠面積，結(jié)合實(shí)地測(cè)量，建立樹冠面積—胸徑模型，進(jìn)而估算樹干生物量。汪小欽等利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲得影像片，并在可見光波段進(jìn)行植被指數(shù)VDVI的提取，能快速估算大范圍面積的森林生物量[9]。研究表明，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)已應(yīng)用于森林蓄積量監(jiān)測(cè)、植被識(shí)別、森林資源的地上生物量估測(cè)等方面[10-14]，對(duì)森林資源管理發(fā)揮著重要的作用。此外，結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，憑借著極高的空間分辨率和光譜分辨率，對(duì)特定植物物種的識(shí)別與分類已有成功報(bào)道。如，楊龍等[15]通過(guò)冠層輪廓、紋理、顏色等信息以及目標(biāo)個(gè)體的GPS實(shí)地位置，成功分辨出16種亞熱帶物種。

3無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用

森林火災(zāi)是毀滅性的森林災(zāi)害，具有突發(fā)性強(qiáng)和處置救助困難等特點(diǎn)，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)和人類帶來(lái)直接危害和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在人為活動(dòng)少、交通不便的區(qū)域，容易失去控制，極難獲得救助。無(wú)人機(jī)搭載光學(xué)影像機(jī)或紅外拍攝設(shè)備進(jìn)行林場(chǎng)日常巡護(hù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)森林起火點(diǎn)[16]、復(fù)燃點(diǎn)等出現(xiàn)情況，有效提升森林防火的效率和精準(zhǔn)度，也能實(shí)現(xiàn)快速的災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和評(píng)估[17]。無(wú)人機(jī)技術(shù)非常適用于人工巡查過(guò)程中無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)作業(yè)和實(shí)時(shí)管理。相關(guān)研究表明，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有覆蓋面廣、運(yùn)行費(fèi)用少、操作簡(jiǎn)便、快速部署、功能多樣化等特點(diǎn)，并獲得一定應(yīng)用成效。張?jiān)龅韧ㄟ^(guò)對(duì)RGB顏色空間的遙感圖像轉(zhuǎn)化為HSV，通過(guò)選擇徑向基函數(shù)作為支持向量的核函數(shù)，以此進(jìn)行森林火災(zāi)識(shí)別，對(duì)森林火災(zāi)的檢測(cè)及識(shí)別準(zhǔn)確度大于87%[18]。何誠(chéng)等[19]通過(guò)將圖像相似度閾值大于008判定為林火圖像等影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)普通可視攝像機(jī)向智能化無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)化的林火識(shí)別技術(shù)。

4無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

自20世紀(jì)70年代國(guó)外利用TM影像分析森林病蟲害發(fā)生情況開始，越來(lái)越多的遙感影像技術(shù)被應(yīng)用于林業(yè)有害生物防治中，而近年來(lái)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)已成為趨勢(shì)。其中，利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控松材線蟲、薇甘菊入侵危害現(xiàn)狀的應(yīng)用實(shí)踐報(bào)道最多。