無(wú)人機(jī)在林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景

許 磊

（歙縣林業(yè)局，安徽 歙縣 245200）

1 ?無(wú)人機(jī)的概念、發(fā)展現(xiàn)狀以及特性

1.1 ?無(wú)人機(jī)與相關(guān)技術(shù)概述

（1）無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)在飛行的過(guò)程中無(wú)需真人駕駛，通常來(lái)說(shuō)，人們通過(guò)遙控設(shè)備與無(wú)人機(jī)控制程序?qū)ζ溥M(jìn)行手動(dòng)操控，或利用車(chē)載計(jì)算機(jī)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)性或間歇性操控[1]。如圖1所示，無(wú)人機(jī)一般由機(jī)體、機(jī)架、指揮控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)組成，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離飛行的無(wú)人機(jī)進(jìn)行有效回收[2]。

圖1 無(wú)人機(jī)的組成示意圖

（2）無(wú)人機(jī)技術(shù)。人們?cè)谘芯繜o(wú)人機(jī)技術(shù)時(shí)會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行原理、無(wú)人機(jī)操控流程、飛機(jī)內(nèi)部構(gòu)造、無(wú)人機(jī)修理技術(shù)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)和技能進(jìn)行掌握，主要包括無(wú)人機(jī)駕駛操控、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理、無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪等無(wú)人機(jī)技術(shù)，上述技術(shù)的研究不僅可以降低成本、簡(jiǎn)化操作、減少能耗，還可降低操作人員風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約人力和物力。

1.2 ?無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代的英國(guó)，之后主要被運(yùn)用于軍事領(lǐng)域，作為靶機(jī)或者進(jìn)行偵察任務(wù)。隨著技術(shù)持續(xù)進(jìn)步和國(guó)際形勢(shì)變化，20世紀(jì)末逐漸從軍事向民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。我國(guó)無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域起步晚，但很快進(jìn)入高速發(fā)展階段。2008年5月，汶川地震發(fā)生后，國(guó)家減災(zāi)中心運(yùn)用“千里眼”無(wú)人機(jī)開(kāi)展災(zāi)區(qū)遙感偵察，為災(zāi)情評(píng)估和救災(zāi)決策提供依據(jù)[3]。2013年6月3日，我國(guó)自主研發(fā)的Z5型無(wú)人直升機(jī)在內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)根河航空林業(yè)站首航，是我國(guó)中型無(wú)人機(jī)首次應(yīng)用于林業(yè)行業(yè)[4]。隨著微機(jī)電制造的進(jìn)步，2010年云臺(tái)技術(shù)開(kāi)始在無(wú)人機(jī)上得到運(yùn)用，民用消費(fèi)級(jí)航拍無(wú)人機(jī)迎來(lái)了爆發(fā)式增長(zhǎng)，2017年全球無(wú)人機(jī)的產(chǎn)量達(dá)到300萬(wàn)架，市場(chǎng)的規(guī)模達(dá)到60億美元。

1.3 ?無(wú)人機(jī)的特性

（1）建造、使用成本低。無(wú)人機(jī)機(jī)體小，質(zhì)量輕，造價(jià)低廉。與有人機(jī)相比，簡(jiǎn)單易操作，各方面的成本都大大降低，同時(shí)更小的體積，也帶來(lái)了保存以及使用維護(hù)費(fèi)用縮減，最多可以減少80%。

（2）操作員培養(yǎng)成本低。在對(duì)無(wú)人機(jī)操作員進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，學(xué)員僅在虛擬座艙中對(duì)手柄或鍵盤(pán)進(jìn)行操作即可完成學(xué)習(xí)流程，因此，與傳統(tǒng)飛行員訓(xùn)練中產(chǎn)生的費(fèi)用相比，無(wú)人機(jī)操作員的訓(xùn)練費(fèi)用大幅度減少。同時(shí)，多架無(wú)人機(jī)僅可以通過(guò)一名操作員進(jìn)行操控，綜上無(wú)人機(jī)操作員的培養(yǎng)成本低。

（3）配置靈活。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)的配置系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此可以衍生出適應(yīng)各種環(huán)境的不同配置。既可以通過(guò)裝備高分辨率的攝像機(jī)拍攝出清晰的林業(yè)影像圖。也可以通過(guò)地面控制系統(tǒng)，全面合理設(shè)置無(wú)人機(jī)的飛行系統(tǒng)，更可以根據(jù)林業(yè)工作任務(wù)的不同進(jìn)行模塊分工，靈活調(diào)整，從而獲得更全面的數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足多方面的需求。

（4）地勤要求更低，機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)。由于無(wú)人機(jī)起降相對(duì)容易，且場(chǎng)地要求低，因此無(wú)人機(jī)使用單位無(wú)需為其專(zhuān)門(mén)建設(shè)跑道，同時(shí)，地勤維修也是不必要的。此外，在無(wú)人機(jī)的回收方面，其能夠直接在船舶、石油等平臺(tái)上進(jìn)行回收。

（5）安全風(fēng)險(xiǎn)低。由于無(wú)人機(jī)是通過(guò)設(shè)定的程序與遠(yuǎn)程操控飛行的，所以無(wú)人機(jī)操作人員不需要與無(wú)人機(jī)共同起降，雖然，目前的傳統(tǒng)飛機(jī)已經(jīng)采取了嚴(yán)格的安全措施，但是，機(jī)毀人亡等安全問(wèn)題仍然存在。相比之下，無(wú)人機(jī)在飛行中最大的問(wèn)題僅為無(wú)法回收，因此不存在人員傷亡等安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 ?無(wú)人機(jī)在林業(yè)中的應(yīng)用分析

與有人飛機(jī)相比，無(wú)人機(jī)具有成本低、易操作、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，地勤要求低，節(jié)省財(cái)力物力等特點(diǎn)，更低的人員風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率，能更好地在林區(qū)、山區(qū)等復(fù)雜地形下開(kāi)展工作，同時(shí)也改善了林業(yè)行業(yè)的工作條件、提高工作效率、進(jìn)一步推進(jìn)了林業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。

2.1 ?無(wú)人機(jī)在林業(yè)資源調(diào)查中的應(yīng)用

林業(yè)作為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要產(chǎn)業(yè)，以及生態(tài)環(huán)境的主要組成部分。開(kāi)展全面的林業(yè)調(diào)查，有利于林業(yè)的保護(hù)和利用，并為林業(yè)發(fā)展提供各類(lèi)數(shù)據(jù)以及理論支持。但是大面積的林業(yè)調(diào)查難度巨大，為了應(yīng)對(duì)大面積的林業(yè)調(diào)查，我國(guó)先后采用了航空相片調(diào)查法、抽樣調(diào)查法、計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)法、遙感技術(shù)調(diào)查法等等。于2003年開(kāi)始，在全國(guó)范圍采用SPOT5等高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)開(kāi)展森林資源調(diào)查，開(kāi)啟了森林資源航天遙感調(diào)查的熱潮，并且目前各地在一類(lèi)調(diào)查中已普遍采用“衛(wèi)星數(shù)據(jù)+地面人工調(diào)查”的清查方式，取得了較好效果[5]。但受一些科技手段的限制，衛(wèi)星也存在不少的弊端，更易受到天氣等環(huán)境因素的影響、衛(wèi)星圖片分辨率低、更新周期長(zhǎng)，實(shí)效性差、使用成本高。但通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感航拍，可有效克服以上的缺點(diǎn)，同時(shí)還減輕了基層工作人員的工作負(fù)擔(dān)，并且提高了林業(yè)調(diào)查的效率和質(zhì)量。

2.2 ?無(wú)人機(jī)在森林病蟲(chóng)害防治中的應(yīng)用

伴隨著經(jīng)濟(jì)的全球化發(fā)展，人與人之間的流動(dòng)性得到了進(jìn)一步加強(qiáng)，同時(shí)，森林的利用率也逐漸增加，使得森林病蟲(chóng)害逐漸從自然傳播轉(zhuǎn)化為人為傳播，近年來(lái)，森林中病蟲(chóng)害的發(fā)生面積逐漸增加，強(qiáng)度不斷加大，而傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方式無(wú)法通過(guò)客觀的方式，將病蟲(chóng)害的動(dòng)態(tài)發(fā)生情況全面及時(shí)地檢測(cè)出來(lái)，使得傳統(tǒng)方式無(wú)力面對(duì)大規(guī)模病蟲(chóng)害發(fā)生的情況，無(wú)法及時(shí)采取有效的防治措施。與傳統(tǒng)人工方式比較，無(wú)人機(jī)通過(guò)航拍的方式，能夠取得分辨率更好的森林影像，并能夠探測(cè)出更加精確的森林病蟲(chóng)害相關(guān)數(shù)據(jù)，為森林病蟲(chóng)害的檢測(cè)與預(yù)警工作提供有效助力。并且無(wú)人機(jī)具備機(jī)動(dòng)、快速、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了有害生物監(jiān)測(cè)預(yù)警效率，同時(shí)也節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力。

隨著越來(lái)越頻繁的人口流動(dòng)以及物流業(yè)的飛速發(fā)展，各類(lèi)林業(yè)有害生物的人為傳播愈發(fā)嚴(yán)重，造成了各類(lèi)危險(xiǎn)性林業(yè)有害生物發(fā)生頻次增多，面積也逐年增大，人工防治的方式已無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)下森林病蟲(chóng)害防治的需求了。在此前提下，無(wú)人機(jī)空中噴灑藥物防治應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)無(wú)人機(jī)開(kāi)展病蟲(chóng)害防治工作，不僅能夠有效降低病蟲(chóng)害防治成本，還能夠做到均勻投放抗病蟲(chóng)害藥物。同時(shí)，工作人員利用無(wú)人機(jī)能夠?qū)嚯x較遠(yuǎn)、高度較高的森林進(jìn)行藥物的投放，使得病蟲(chóng)害的防治效率得到大幅度提升。

2.3 ?無(wú)人機(jī)在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在林業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，森林火災(zāi)是重大災(zāi)害之一，無(wú)人機(jī)能夠提高監(jiān)測(cè)效率、補(bǔ)充監(jiān)測(cè)手段，與傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)相比，其具有無(wú)法比擬的優(yōu)越性。目前，無(wú)人機(jī)在森林火災(zāi)的預(yù)防、監(jiān)測(cè)、撲救，以及災(zāi)后評(píng)估等方面均得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可?？捎行Ы鉀Q目前森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)上巡護(hù)不到位、監(jiān)測(cè)有漏洞和發(fā)現(xiàn)不及時(shí)的問(wèn)題。

因受山區(qū)、林區(qū)復(fù)雜的地形和薄弱的基礎(chǔ)設(shè)施的影響，一旦發(fā)生森林火災(zāi)，低能見(jiàn)度，將嚴(yán)重影響乘坐有人機(jī)對(duì)火災(zāi)觀察員對(duì)火情以及火勢(shì)的正確判斷，嚴(yán)重時(shí)還可能造成有人機(jī)駕駛員以及火災(zāi)觀察員的人身安全，而無(wú)人機(jī)則可以完美解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)無(wú)人機(jī)所攜帶的高分辨率攝像機(jī)和影像傳輸系統(tǒng)，并通過(guò)微波信號(hào)的方式，向地面工作人員實(shí)時(shí)傳遞火場(chǎng)影響，高效準(zhǔn)確的完成火情、火勢(shì)觀察任務(wù)，降低了危險(xiǎn)性，快速進(jìn)行火災(zāi)點(diǎn)辨別，為火情的后續(xù)撲救工作順利開(kāi)展提供了先決條件，所以說(shuō)無(wú)人機(jī)是林業(yè)發(fā)展中必不可少的一環(huán)。

3 ?促進(jìn)無(wú)人機(jī)在林業(yè)中進(jìn)一步應(yīng)用的建議

（1）進(jìn)一步提升無(wú)人機(jī)前沿技術(shù)的開(kāi)發(fā)效率。隨著我國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)的研究日益成熟，其適用范圍已從軍事領(lǐng)域逐漸向各行各業(yè)擴(kuò)大，例如氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通以及其他多個(gè)領(lǐng)域，而在無(wú)人機(jī)技術(shù)上也取得了重大突破，自動(dòng)導(dǎo)航、遙感技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)以及自動(dòng)控制等都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

（2）加強(qiáng)無(wú)人機(jī)科研隊(duì)伍建設(shè)。為確保無(wú)人機(jī)在林業(yè)生產(chǎn)中順利發(fā)揮應(yīng)有的作用，必須有專(zhuān)業(yè)的科技隊(duì)伍作為技術(shù)支撐，確保林業(yè)生產(chǎn)的各項(xiàng)日常生產(chǎn)活動(dòng)的順利進(jìn)行。但當(dāng)前我國(guó)無(wú)人機(jī)還處在起步階段，因此更需要加強(qiáng)科研隊(duì)伍的建設(shè)，以期更快更好的發(fā)展。這就需要政府部門(mén)和相關(guān)部門(mén)通力合作，加大對(duì)無(wú)人機(jī)科研的支持、積極培訓(xùn)無(wú)人機(jī)技術(shù)相關(guān)人員工作以及完善各項(xiàng)相關(guān)制度建設(shè)等，使其能夠更好地支持林業(yè)生產(chǎn)，從而促進(jìn)林業(yè)產(chǎn)業(yè)向下一階段進(jìn)發(fā)。

4 ?無(wú)人機(jī)林業(yè)應(yīng)用中的問(wèn)題

4.1 ?續(xù)航能力及通信范圍有待加強(qiáng)

在林業(yè)中應(yīng)用的無(wú)人機(jī)的機(jī)體質(zhì)量與運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的負(fù)荷，使得無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力較弱。然而，續(xù)航能力不強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的整體性能受到嚴(yán)重影響。在無(wú)人機(jī)的使用過(guò)程中，不同的動(dòng)力模塊使得各類(lèi)無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力不盡相同，雖然，一部分無(wú)人機(jī)的實(shí)驗(yàn)室續(xù)航數(shù)據(jù)較為優(yōu)秀，但在實(shí)際的使用過(guò)程中，受環(huán)境因素的影響，實(shí)際續(xù)航能力僅有理論續(xù)航能力的80%～90%，甚至在某些惡劣條件下，只有70%。同時(shí)無(wú)人機(jī)與地面控制平臺(tái)僅有數(shù)米到數(shù)千米的有限通信距離。而以上的兩點(diǎn)局限，在林業(yè)作業(yè)上尤為明顯，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)無(wú)法在林業(yè)中得到大規(guī)模應(yīng)用。

4.2 ?較易受環(huán)境影響

無(wú)人機(jī)在開(kāi)展林業(yè)相關(guān)工作時(shí)，面對(duì)的環(huán)境較為復(fù)雜，因此，業(yè)界對(duì)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。而無(wú)人機(jī)的體積通常較小，導(dǎo)致其抗風(fēng)性能差，因此，在實(shí)際的飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)極易受到風(fēng)力的影響，出現(xiàn)擺動(dòng)、傾斜、顛簸等不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重者甚至?xí)?dǎo)致機(jī)載監(jiān)測(cè)設(shè)備失靈，使得無(wú)人機(jī)的飛行安全受到影響。目前，在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)人機(jī)操作員通常會(huì)在晨間操控?zé)o人機(jī)，以求降低對(duì)無(wú)人機(jī)飛行造成影響的不良因素的發(fā)生概率。然而，該做法也會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的圖像采集設(shè)備出現(xiàn)成像干擾現(xiàn)象，嚴(yán)重降低了檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

4.3 ?缺乏有效的監(jiān)管機(jī)制

對(duì)無(wú)人機(jī)的合理監(jiān)管和調(diào)控正逐漸成為世界各國(guó)的主要考慮對(duì)象，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的航空法規(guī)已與當(dāng)前無(wú)人機(jī)快速發(fā)展的形勢(shì)不相適應(yīng)，并且許多政策及標(biāo)準(zhǔn)存在空白。僅有中國(guó)民用航空局在2013年頒布的《民用無(wú)人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》的中提出了專(zhuān)供無(wú)人機(jī)使用的“隔離空域”，明確無(wú)人機(jī)實(shí)行分類(lèi)管理，但同時(shí)又提出“有關(guān)融合空域部分待空管部門(mén)出臺(tái)相關(guān)政策后方可實(shí)施”。但行業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)、無(wú)人機(jī)性能參數(shù)和飛行計(jì)劃申報(bào)等方面的規(guī)定仍未明確。所以，要加強(qiáng)林業(yè)無(wú)人機(jī)監(jiān)管相關(guān)的法規(guī)建設(shè)工作，并制定無(wú)人機(jī)操作員的職業(yè)能力考核方案[6]。

4.4 ?行業(yè)融合有限

無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展迅猛，帶來(lái)的不良后果就是不協(xié)調(diào)，與其他傳統(tǒng)行業(yè)融合性不高，專(zhuān)業(yè)性無(wú)法滿(mǎn)足各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這也使無(wú)人機(jī)陷入了尷尬境地，產(chǎn)品的定位和發(fā)展方向進(jìn)入瓶頸期，以占據(jù)全球民用小型無(wú)人機(jī)70%以上市場(chǎng)份額的大疆公司（DJI-Innovations）為例，多數(shù)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品已然淪為“大玩具”，少數(shù)幾款與專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域結(jié)合度較高的無(wú)人機(jī)，卻因各方面的問(wèn)題，市場(chǎng)潛力尚未打開(kāi)。

但在2015年，國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢(xún)委員會(huì)發(fā)布了《〈中國(guó)制造2025〉重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》，其中指出隨著空域開(kāi)放的不斷推進(jìn)，國(guó)內(nèi)通用飛機(jī)、直升機(jī)和無(wú)人機(jī)市場(chǎng)巨大，到2025年無(wú)人機(jī)將在邊境巡邏、治安反恐、農(nóng)林牧漁、地圖測(cè)繪、管線監(jiān)測(cè)與維修、應(yīng)急救援、攝影娛樂(lè)等領(lǐng)域大量應(yīng)用，為無(wú)人機(jī)行業(yè)指明了專(zhuān)業(yè)應(yīng)用的發(fā)展方向。