符長青

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，除了提供人類生存發(fā)展所須的原材料外，在緩解全球氣候變化，保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境及全球碳平衡等方面發(fā)揮著不可替代的作用。然而，傳統(tǒng)的森林資源管理存在管理水平低、技術手段落后、人力成本高等諸多問題。近年來，隨著技術的快速發(fā)展，無人機迅速運用到林業(yè)領域，為森林資源管理注入了新的活力，對推動現(xiàn)代林業(yè)、智慧林業(yè)和精準林業(yè)的建設和發(fā)展具有重要意義。

林業(yè)無人機的定義

隨著無人機技術，特別是動力、復合材料、通信、飛行控制、導航和移動通信等新技術的快速發(fā)展，民用無人機性能大幅提升，任務載荷功能不斷擴展。民用無人機擁有視角廣闊、視頻實時傳輸、操控靈活、機動性高、成本低等特點，可按照作業(yè)要求，執(zhí)行多種任務，而專用于森林資源管理的無人機稱為林業(yè)無人機。

林業(yè)無人機具有重量輕、自動化水平高、安全性好，機動性高、無人員傷亡、成本低等多種優(yōu)勢，可以在森林（林區(qū)）中快速接近目標，高效完成信息獲取、數據回傳、森林消防等工作。

林業(yè)無人機屬于航空護林裝備的范疇。航空護林是森林資源管理工作的重要組成部分，在森林資源保護、生態(tài)平衡維持中發(fā)揮了重要作用。航空護林通常采用有人機（飛機、直升機）和無人機兩大類裝備。航空護林的發(fā)展水平體現(xiàn)了一個國家林業(yè)發(fā)展水平的高低，受到世界各國的高度重視。林業(yè)無人機的獨特優(yōu)勢和我國對民用無人機發(fā)展的高度重視，為我國大力發(fā)展航空護林技術，追趕世界先進水平提供了一條新的快捷路徑。

森林資源管理通常采用衛(wèi)星遙感、人工實地監(jiān)測、固定點監(jiān)測等傳統(tǒng)方法，但這些傳統(tǒng)方法普遍存在運行成本高、操作靈活性低、實時性不佳等缺點，無法滿足森林資源管理工作的實際需求。林業(yè)無人機對森林資源進行監(jiān)測，是提升林業(yè)信息化和精準化水平的重要方向，也是實現(xiàn)精準森林資源管理目標的有效途徑。相較傳統(tǒng)森林資源監(jiān)測方法，林業(yè)無人機不受地面道路的限制，快速飛抵目的地上空，實時準確地獲取多時相、高分辨率影像數據，提升森林資源管理的自動化、智能化水平，滿足智慧林業(yè)建設的需求。

林業(yè)無人機的應用領域

無人機非常適合在林區(qū)、山區(qū)等復雜地形下開展作業(yè)，為改善森林資源管理的工作條件，提高工作效率，加快林業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展帶來了契機。林業(yè)無人機搭載多種信息采集設備，結合5G移動無線通信技術，可高效完成特征目標信息采集工作，獲取森林資源的多層級數據，而這些數據將應用于森林資源管理的各個領域。

森林資源調查

森林資源調查是實現(xiàn)森林資源有效管理與森林資源可持續(xù)利用的重要前提。及時、準確的森林資源信息有利于相關管理部門更好地進行決策，提高森林資源管理水平，并不斷推動森林資源管理的可持續(xù)發(fā)展。

我國國家林業(yè)和草原局從2003年開始，在全國范圍內采用SPOT5等高分辨率衛(wèi)星數據進行森林資源調查，掀起了衛(wèi)星遙感森林資源調查的熱潮。目前，各地在一類調查工作中已普遍采用衛(wèi)星數據與地面人工調查數據相結合的方法，取得了較好效果。但是，這種方法有許多缺點，一是衛(wèi)星容易受天氣和云層影響，遙感圖像分辨率低，而且數據更新周期長，使用成本高；二是衛(wèi)星只適合大尺度的森林蓄積量（森林蓄積量是指一定森林面積上存在的林木樹干部分的總材積）調查，而對于小尺度的蓄積量調查，其測量精度不高。

在森林區(qū)劃調查中，小班區(qū)劃調查受益于林業(yè)無人機遙感技術良好的集成性和適用性，識別精度及錯判率均能滿足需求，克服了人工林地評估時間長、受環(huán)境條件影響大等缺點，可有效彌補衛(wèi)星影像分辨率低、精度不高和時效性差等缺點，極大降低了成本，減少了基層工作量，并能有效提高資源調查的效率和質量。因此，林業(yè)無人機開展森林資源調查已越來越成為相關部門的主流選擇方案。

森林巡查

林業(yè)無人機開展森林巡查作業(yè)，即利用通信、傳感器、飛行控制等技術對大范圍森林生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)、環(huán)境進行實時監(jiān)測。林業(yè)無人機進行森林巡查的優(yōu)點是，投資小、成本低、自動化程度高、安全性好，具有明顯的技術優(yōu)勢，可大大提升森林巡查的效率，其他任何技術手段無法比擬。

傳統(tǒng)森林巡查主要由護林員定期地沿特定路線觀測森林和記錄數據。由于林區(qū)缺少道路且環(huán)境復雜，人工須要1～2天才能完成10km巡查，蜿蜒的山路及茂密的林木對護林員視線造成了遮擋。這種人工巡查方法不僅工作量、勞動強度大、效率低、局限性大，而且無法及時發(fā)現(xiàn)問題，難以保證森林巡查的質量。

與傳統(tǒng)人工巡查相比，林業(yè)無人機可自動生成巡查航線，搭載可見光攝像機在預定區(qū)域對森林資源進行日常巡查，獲取森林資源信息，將視頻實時傳輸給地面指揮中心，為指揮中心的決策工作提供支持。無人機獲取的林區(qū)全方位信息后期經拼圖后，可測算林區(qū)面積。

林業(yè)無人機具有快速響應能力，可大幅提高林業(yè)執(zhí)法部門的工作效率。例如，盜伐林木案件一旦發(fā)生，林業(yè)無人機在空中對被盜伐的林木進行航拍，精確獲取盜伐濫伐林區(qū)的面積、株樹，加強對非法采伐的監(jiān)視。對于林地違法征占、毀林開荒等案件，相關部門利用林業(yè)無人機，快速獲取案發(fā)區(qū)域的影像，確定森林受損的地點并分析受損程度，以便及時對林地征占、毀林開荒等行為進行處置。

森林病蟲害防治

森林病蟲害的種類非常多，不同的病蟲害造成的損壞部位也各不相同，有的是樹干，有的則是樹根。被損部位以及損害方式都會對林木生長造成嚴重的危害，林木的外貌會因此發(fā)生很大的變化，例如葉片變得枯黃，嚴重的危害甚至會導致林木枯死。近年來，我國森林病蟲害呈現(xiàn)危害程度增強、危害面積增加的趨勢，一方面大面積森林病蟲害每年發(fā)生，造成成片樹木死亡，經濟損失巨大，危害極為嚴重；另一方面，傳統(tǒng)人工巡查方法難以應對大面積森林病蟲害，存在效率低、成本高、勞動強度大等缺點。

林業(yè)無人機用于森林病蟲害防治，首先監(jiān)測森林病蟲害發(fā)生的情況，并選用有效的殺蟲藥物；然后，無人機在空中噴灑藥物，達到消滅森林病蟲害的目的。無人機噴灑藥物，解決了人工投放殺蟲藥物不均、高山陡峭地無法投放等難題，能大幅度提高森林病蟲害防治和減災效率。

無人機遙感技術應用于森林病蟲害監(jiān)測，具有監(jiān)測面積廣、實時、客觀、高效等優(yōu)點，可有效降低成本，全面獲取森林受災的整體情況。相關部門利用無人機遙感信息，提出更為快速有效的應對措施，進而減小病蟲害對森林資源的損害。

野生動植物保護

森林生態(tài)系統(tǒng)是多種生物群落及非生物環(huán)境形成的動態(tài)系統(tǒng)。其中，野生動植物不斷繁殖和生長，構成了復雜的生物群落結構。野生植物給微生物提供了棲息之地，具有防止水土流失、改善生態(tài)環(huán)境等作用；很多野生動物都是害蟲的天敵，可維持自然生態(tài)平衡。森林生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況直接影響了動植物數量變動和結構平衡，野生動植物數量的增減顯示了森林系統(tǒng)狀況的好壞。例如，野生動植物的健康狀況下降，會導致生物質量下降，進而減少物種數量，導致野生動植物數量不斷減少；森林生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況下降，容易導致某些稀有物種生病死亡，進而減少野生動植物的數量，甚至引起各種較為脆弱的野生動植物滅絕。

森林生態(tài)系統(tǒng)面臨的威脅主要來自人類對資源的不合理應用，人類的干擾活動會引起森林變化，影響森林生態(tài)系統(tǒng)的健康。因此，為維持森林生態(tài)系統(tǒng)的自然平衡，人類必須遵循自然規(guī)律，首先重視林木生長與發(fā)育，讓森林生態(tài)系統(tǒng)向健康、穩(wěn)定的方向發(fā)展。因此，野生動植物監(jiān)測、識別與保護是森林持續(xù)發(fā)展的基礎，意義特別重大。我國早已立法保護有益或者有重要經濟、科學研究價值的野生動植物，任何非法采伐、獵捕、走私、收購、運輸、出售珍貴瀕危野生動植物的重大案件，都要受到法律嚴懲。

林業(yè)無人機應用于野生動植物保護，首先在空中監(jiān)視森林野生動植物的狀況，實時監(jiān)測野生動植物的空間位置和動態(tài)，實時傳輸數據信息，提高野生動植物資源監(jiān)測、管理、保護和利用水平；其次，為保護野生動植物，無人機在空中進行大面積搜索，不受地形和視野限制，不易引起所監(jiān)視目標的注意，機載監(jiān)視設備可實時提供穩(wěn)定、高分辨率視頻。森林管理部門借助無人機回傳的信息，一旦發(fā)現(xiàn)非法采伐獵捕野生動植物的犯罪份子，將第一時間派出森林警察前往事發(fā)地區(qū)展開抓捕行動。與地面警力相比，林業(yè)無人機可快速尋找、識別目標，并精準定位犯罪嫌疑人的位置，具有成本低、效率高、效果好等明顯優(yōu)勢。

精準林業(yè)

精準林業(yè)是一種基于知識的林業(yè)技術系統(tǒng)，旨在有效利用森林生態(tài)資源，實時評估研究對象的工作質量、數量和時間數據等內容。精準林業(yè)的主要工作包括樹木長勢、病害和蟲害的發(fā)生趨勢進行分析模擬，針對林木生長環(huán)境和生長條件的時空差異性，生成直方圖，為各林班施肥噴藥提供方案，以及對精準林業(yè)的實施效果、經濟效益進行評估。

森林質量的定義是，森林在生態(tài)、社會和經濟效益方面所發(fā)揮的功能與貢獻的價值總和。森林質量提升是一個基于具體林分特點、預期實現(xiàn)的功能和目標，實現(xiàn)精準化經營方案和措施，綜合提升森林生態(tài)、社會和經濟效益的過程。

森林經營是實現(xiàn)森林質量精準提升的過程和手段，森林質量精準提升是森林經營的目標和結果。精準林業(yè)可量化影響樹木長勢的因素，最終生成空間差異性信息，實施可變量投入，達到低成本、低消耗、高效率、良好環(huán)保等目標。

精準林業(yè)依賴于地球空間信息基礎理論及其他高新科學技術的發(fā)展而建立，主要以3S技術、信息技術、無人機技術、智能化決策技術、可變量控制技術等為技術支撐體系，以生態(tài)學、造林學、工程學、系統(tǒng)學、控制學、測繪學為指導，在自動化、智能化、一體化、時效性、準確性、可靠性等方面滿足人們的需要。它能優(yōu)化資源，保護環(huán)境，實現(xiàn)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實際上這也是社會經濟發(fā)展的基本戰(zhàn)略目標。在精準林業(yè)系統(tǒng)建立的過程中，林業(yè)無人機作為最有效的森林生態(tài)系統(tǒng)調查、巡查手段，已充分顯示出無法比擬的優(yōu)越性，有效彌補衛(wèi)星影像存在的分辨率低、精度不高和時效性差等缺點。

飛播造林

飛播造林是指飛機在林區(qū)播種，對大面積宜林荒山進行綠化。天然飛籽成林具有速度快、效率高、省勞力、質量好的優(yōu)勢，而對于大面積荒山荒坡地域，飛播造林具有良好的效果。例如，在陜北黃土高原等人煙稀少、交通不便的地區(qū)，飛播造林已成為荒山綠化、生態(tài)平衡調節(jié)的重要手段。但是，傳統(tǒng)有人機實施飛播造林，受限于天氣、地形等因素，不能按照飛播區(qū)域的地形部位、坡向、植被類型等實施精準播種，而且種子消耗量大、幼苗成活率低。林業(yè)無人機具有機動靈活、安全方便等特點，非常適用于較為分散的小區(qū)域播種，能有效彌補傳統(tǒng)有人機飛播造林作業(yè)的不足。

在森林遭遇火災后，大片森林中往往會出現(xiàn)面積不一、被林火燒毀的過火區(qū)。當森林火災被撲滅后，過火區(qū)須要及時補種樹木。林業(yè)無人機集群在這些分散的過火區(qū)塊進行補種，是一種速度最快、成本最低的補種方法。

如果傳統(tǒng)有人機對這些零散分布、不規(guī)則的區(qū)塊實施飛播造林，不僅成本高、效率低，而且效果差。例如，2020年夏秋兩季，美國遭遇了罕見森林大火，其中加利福尼亞州超過16000km2的森林被野火燒毀。野火被撲滅后，林業(yè)部門為趕在多雨季來臨之前播種，采用大規(guī)模無人機集群及時補種，大幅提高了樹木種子的發(fā)芽率和幼苗成活率，效果極佳，其他各州借鑒了這一成功經驗。2021年，美國聯(lián)邦航空管理局批準無人機集群可在亞利桑那州、科羅拉多州、蒙大拿州、新墨西哥州和內華達州開展樹木再植作業(yè)。

林區(qū)應急救援

近年來，極端氣候頻發(fā)，自然災害及次生災害造成的突發(fā)性危害呈現(xiàn)加重加大的趨勢。例如，國內數量眾多的國家森林公園，風景秀麗、得天獨厚的人文和自然資源，每年吸引著大量游客，伴隨而來的是，各類非法穿越行為屢禁不止，野外遇險事件時有發(fā)生，林區(qū)應急救援工作面臨嚴峻且復雜的新形勢。林業(yè)無人機使用成本低、受天氣影響小，能快速起飛并回傳實時影像，為應急搜救工作提供有力支持，極大提升了林區(qū)突發(fā)事件處置能力和應急管理水平。

森林郁閉度估測

森林郁閉度是指森林中喬木樹冠遮蔽地面的程度，是評價森林資源質量的重要指標。獲取郁閉度的傳統(tǒng)方法包括目測法、樣點法、樣線法等，但勞動強度大、成本高、誤差大，不適合大范圍或大尺度林區(qū)的郁閉度測量。雖然衛(wèi)星影像應用可以估測大面積林區(qū)的郁閉度，但由于受空間分辨率的影響，提取的郁閉度信息精度不高。相較而言，林業(yè)無人機獲取的遙感影像分辨率高，提取的森林郁閉度信息更加準確可靠，成本低、誤差小，其他估測方法無法比擬。

營造林核查

營造林核查是林業(yè)部門森林資源管理的日常工作。由于營造林普遍面積較大，檢查采用人工目視的方法，工作強度大且難于全面檢查到位。相較而言，林業(yè)部門利用林業(yè)無人機獲取影像，并分析影像，算出造林面積、株數，再統(tǒng)計死亡株數和總株數，得出成活率和保存率，不僅能降低工作強度，而且大幅提高了工作效率和工作質量。

林業(yè)執(zhí)法

林業(yè)執(zhí)法是保護森林資源的強有力措施之一，也是林業(yè)無人機的另一個重要應用場景。如今，野外林場被亂砍濫伐，林地違法征占、毀林開墾、野生動植物盜伐盜獵與非法貿易等違法犯罪行為時有發(fā)生。如何及時發(fā)現(xiàn)破壞森林資源的違法行為并有效取證，是林業(yè)管理部門亟須解決的問題。傳統(tǒng)實地執(zhí)法是森林資源管理人員在林間進行執(zhí)法，缺點是有效覆蓋范圍小，人力成本高，難以在接近性較差的林間環(huán)境中開展執(zhí)法作業(yè)。同時，野外復雜惡劣的實際環(huán)境容易給執(zhí)法人員帶來傷害。為了彌補傳統(tǒng)執(zhí)法手段的不足，林業(yè)管理部門應用林業(yè)無人機對林區(qū)環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)視，實時掌握林地的使用情況，并及時制止違法行為。在林業(yè)執(zhí)法過程中，突發(fā)事件往往具有不確定性，如果執(zhí)法工作人員在處置過程中不能使用正常的宣傳工具與群眾溝通，可通過林業(yè)無人機搭載的空中喊話器、高分貝喇叭對現(xiàn)場人員進行空中喊話，傳遞政府領導者的講話和正確的輿論導向，以及表達林業(yè)執(zhí)法意圖。林業(yè)無人機可參與土地執(zhí)法檢查、土地管理動態(tài)巡查、違法土地案件整改、耕地保護等工作，降低了執(zhí)法人員的工作強度，極大提升了執(zhí)法工作效率，已成為林業(yè)執(zhí)法工作的主流裝備之一。

森林消防滅火

與傳統(tǒng)森林消防滅火方式相比，森林消防無人機機上無人，執(zhí)行消防滅火任務時，無須考慮機上人員的生命安全，不必考慮任務的危險性。如果森林滅火采用消防無人機，消防人員遠程操控無人機作業(yè)，可遠離高危區(qū)域，有效避免或減小森林大火對消防人員的傷害。另外，消防無人機能及時發(fā)現(xiàn)和報告火情。

森林消防無人機搭載不同的任務載荷，承擔空中巡查、火情偵察、火場監(jiān)視、空中指揮與調度、空中灑水或化學滅火劑（含阻燃劑）拋灑、防火隔離帶開設、防火線點燒、人工降雨、火場應急救援、滅火物資運送、后勤物質補給、防火傳單和其他宣傳品空投、“移動航站"前方指揮保障、火場信息采集等多種消防任務。當森林發(fā)生火災時，消防無人機集群可輪番對著火區(qū)域投擲滅火彈或噴射滅火干粉，取得快速滅火的效果。 ■