袁耀，韓小紅，洪宇，尚帥斌，郭昊，賈茜

1.國家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃院，陜西西安 710048；

2.旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710048

1 研究背景

建設(shè)生態(tài)文明，關(guān)系人民福祉、關(guān)乎民族未來。開展大規(guī)模國土綠化行動是生態(tài)建設(shè)的核心內(nèi)容，是建設(shè)綠水青山的內(nèi)在要求[1]，是貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想的生動實(shí)踐，是實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展、創(chuàng)造優(yōu)美人居環(huán)境的主要途徑，對建設(shè)生態(tài)文明和美麗中國具有重大意義。“十三五”期間，中國生態(tài)狀況明顯改善，森林覆蓋率達(dá)到23.04%，森林蓄積量達(dá)到175.6×108m3，完成造林種草4986.67×104hm2[2]。按照“十四五”林業(yè)草原保護(hù)發(fā)展綱要的要求，到2025年，規(guī)劃完成國土綠化3333.34×104hm2[2]。

無人機(jī)作為一種遠(yuǎn)程操控的小型飛行器，近年來在交通、農(nóng)業(yè)、測量、林業(yè)等領(lǐng)域逐漸推廣應(yīng)用，而開展大規(guī)模國土綠化行動，要求遵循生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律，科學(xué)合理布局綠化空間。目前，國土綠化工程設(shè)計(jì)主要參照衛(wèi)星影像、森林資源管理數(shù)據(jù)庫，結(jié)合現(xiàn)地調(diào)查核實(shí)繪制設(shè)計(jì)圖紙，何興平等人研究利用多源遙感數(shù)據(jù)對森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、監(jiān)測、生物量估算[3]，但受限于遙感數(shù)據(jù)季相差異，存在估算范圍不準(zhǔn)確、監(jiān)測效率低等現(xiàn)實(shí)問題；張園等人將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于林業(yè)資源調(diào)查中，說明無人機(jī)操作簡單、靈活機(jī)動、攜帶方便等優(yōu)勢能夠有效提高調(diào)查效率[4]；王小昆等人采用無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行營造林監(jiān)測，使造林監(jiān)測的樣本抽取更有針對性，能準(zhǔn)確查清成林面積，提升監(jiān)測水平[5]；陳銘潮等人提出無人機(jī)低空遙感從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理到生產(chǎn)實(shí)踐的應(yīng)用模式，探索構(gòu)建無人機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)平臺[6]。無人機(jī)在林業(yè)監(jiān)測驗(yàn)收、監(jiān)管巡護(hù)等方面的應(yīng)用，有利于減緩降低人力成本，提高成果準(zhǔn)確性、可信度和說服力。該文基于國土綠化行動的要求，探索將無人機(jī)應(yīng)用于科學(xué)造林工程當(dāng)中，研究無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)，探討建立國土綠化無人機(jī)應(yīng)用體系，進(jìn)一步夯實(shí)科學(xué)營造林基礎(chǔ)、強(qiáng)化林草資源監(jiān)督與管護(hù)、提高國土綠化行動實(shí)施效果。

2 研究目的

無人機(jī)在國土綠化行動中的應(yīng)用是落實(shí)科學(xué)綠化、健全監(jiān)測系統(tǒng)、強(qiáng)化生態(tài)文明理念的重要抓手，能夠準(zhǔn)確識別造林空間、有效提升監(jiān)管效率，全面完善智慧林業(yè)建設(shè)體系。采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)、空中巡護(hù)系統(tǒng)[6]，充分銜接國土空間規(guī)劃，在工程實(shí)施初期，對造林區(qū)域進(jìn)行航測飛行，合理劃定規(guī)劃范圍；根據(jù)工程實(shí)施進(jìn)度，嚴(yán)格落實(shí)營造林監(jiān)理制度，制定不同的無人機(jī)監(jiān)測巡護(hù)頻率，提高國土綠化質(zhì)量，科學(xué)評估國土綠化成效；結(jié)合林長制實(shí)施落實(shí)，對國土綠化區(qū)域進(jìn)行林火監(jiān)測管理，確保第一時間林火識別、病蟲害辨別，進(jìn)行火情傳送、動態(tài)跟蹤林火撲救[7]，最大限度地降低災(zāi)害損失；全面宣傳規(guī)?；瘒辆G化成效，提高人們義務(wù)植樹、生態(tài)保護(hù)的意識，推動國土綠化高質(zhì)量發(fā)展。

3 技術(shù)思路

將無人機(jī)應(yīng)用于國土綠化行動，統(tǒng)籌考慮綠化空間、營造林監(jiān)理、造林成效監(jiān)測、災(zāi)害防控預(yù)警等因素，以建立完善的科學(xué)綠化體系，構(gòu)建國土綠化無人機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。根據(jù)國土三調(diào)數(shù)據(jù)中劃定的造林空間范圍，科學(xué)設(shè)定無人機(jī)飛行航線，采集處理航測影像數(shù)據(jù)，為合理規(guī)劃造林樹種及密度提供依據(jù)；利用無人機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，配置紅外熱成像儀、高清透霧攝像頭等儀器設(shè)備，搭載移動互聯(lián)應(yīng)用服務(wù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)實(shí)時監(jiān)控，全面提升造林監(jiān)理驗(yàn)收、資源管護(hù)效率；結(jié)合林長制分區(qū)管護(hù)的要求，建立無人機(jī)網(wǎng)格化監(jiān)測巡護(hù)機(jī)制，實(shí)時采集林火、病蟲害監(jiān)測數(shù)據(jù)，強(qiáng)化災(zāi)害防控、指揮決策水平，打造高效準(zhǔn)確的災(zāi)害綜合防控預(yù)警服務(wù)平臺，探索建立國土綠化新模式。

4 應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 科學(xué)綠化

精準(zhǔn)落實(shí)綠化空間是推進(jìn)國土綠化行動的基礎(chǔ)，根據(jù)第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)和國土空間規(guī)劃，科學(xué)劃定綠化用地，合理配置林草植被，科學(xué)選擇綠化方式，實(shí)行精準(zhǔn)化規(guī)劃與管理。采用無人機(jī)搭載索尼α5100 數(shù)碼相機(jī)（有效像素為2430 萬），使用飛馬智能航測系統(tǒng)F1000（23.5mm×15.6mm 傳感器），按照預(yù)定的飛行航線，對擬規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行航空攝影測量，將獲取的像片通過Pix4D 軟件進(jìn)行畸變校正、自動空三處理、連接點(diǎn)與控制點(diǎn)校正等處理[8]，獲得數(shù)字正射影像（DOM）。參照航測影像，準(zhǔn)確鑒定造林范圍與不可作業(yè)面積，分析識別地形地貌、植被蓋度等自然因素，科學(xué)選擇造林模式，合理確定栽植密度和造林樹種，精確統(tǒng)計(jì)用苗量，規(guī)范開展綠化設(shè)計(jì)與施工。

4.2 營造林監(jiān)理

為實(shí)現(xiàn)“種一棵、活一棵、成材一棵”的科學(xué)綠化目標(biāo)，嚴(yán)格執(zhí)行營造林項(xiàng)目工程監(jiān)理制度，對營造林工程質(zhì)量、進(jìn)度、投資進(jìn)行合理控制，提高營造林工程建設(shè)質(zhì)量。國土綠化工程作業(yè)區(qū)情況復(fù)雜、規(guī)模大、工期長，工程監(jiān)理、驗(yàn)收需要耗費(fèi)大量的人力物力，而無人機(jī)體積小攜帶方便，對起飛和降落要求不高，可進(jìn)行超低空飛行，通過搭載可見光傳感器、樹種識別智能模塊，采集工程區(qū)內(nèi)的造林?jǐn)?shù)據(jù)[9]，統(tǒng)計(jì)造林樹種栽植密度、保存量等因子，從而比較分析作業(yè)設(shè)計(jì)的符合性和規(guī)范性；此外，無人機(jī)可以全自動操作模式和半自動人工操作模式相互切換，針對地形復(fù)雜的區(qū)域，通過提高日常監(jiān)測頻率，摸清“造了多少、造在哪里”，及時發(fā)現(xiàn)工程實(shí)施中存在的問題，確保工程實(shí)施質(zhì)量。

4.3 信息化監(jiān)測與評估

以無人機(jī)技術(shù)為支撐，對綠化區(qū)域進(jìn)行航片拍攝，將拍攝數(shù)據(jù)加工處理，對比分析綠化前后的正射影像圖[10]，可直接量測綠化面積，核算城市植被覆蓋度的變化；通過無人機(jī)巡護(hù)，全覆蓋監(jiān)測國土綠化，實(shí)現(xiàn)“天上看、地面查”，及時將國土綠化任務(wù)和成果落到實(shí)地、落到圖斑、落到數(shù)據(jù)庫，全面監(jiān)測林草資源變化，各類數(shù)據(jù)信息實(shí)時采集、深度挖掘和自動化、智能化分析預(yù)判，提升國土綠化狀況監(jiān)測信息化、精準(zhǔn)化水平，科學(xué)評估國土綠化成效，構(gòu)建天空地一體化綜合監(jiān)測評價體系。

4.4 鞏固提升綠化效果

為轉(zhuǎn)變長期以來“重量輕質(zhì)、重造輕管”的問題，進(jìn)一步加強(qiáng)新造幼林地管護(hù)，完善綠化后期養(yǎng)護(hù)管理，提高成活保存率。依托無人機(jī)巡護(hù)系統(tǒng)，根據(jù)森林和草原災(zāi)害風(fēng)險普查的分析評估結(jié)果，將綠化區(qū)域劃分為標(biāo)準(zhǔn)方形格網(wǎng)，建立無人機(jī)網(wǎng)格巡護(hù)機(jī)制，定期完成相應(yīng)的巡護(hù)監(jiān)測任務(wù)，減少監(jiān)測盲區(qū)，及時發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)火情火險、病蟲害等情況，進(jìn)行智能識別及預(yù)警，能夠有效改善綠化區(qū)域?yàn)?zāi)害防控能力。另外，無人機(jī)前期投入與后期維護(hù)成本低，既可以通過預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行自主飛行，也可以在地面控制人員的操控下完成半自動控制飛行，進(jìn)而擴(kuò)大了地面巡護(hù)的半徑，對于早期林火、病蟲害的發(fā)現(xiàn)意義重大，是提升新造幼林地后期管護(hù)及災(zāi)害防控水平的重要手段。

4.5 林業(yè)工程宣傳

將無人機(jī)參與到國土綠化全過程，通過獨(dú)特的攝影視角，可以將國土綠化的規(guī)模和效果更完整的展現(xiàn)出來，使工程實(shí)施的細(xì)節(jié)全部呈現(xiàn)在大眾面前，增強(qiáng)綠化造林的認(rèn)同度，努力開創(chuàng)造林綠化新格局；利用5G 網(wǎng)絡(luò)、中繼站超視距測控網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行國土綠化“云直播”，讓廣大網(wǎng)友參與到國土綠化的“云監(jiān)工”，提高“互聯(lián)網(wǎng)+全民義務(wù)植樹”，增強(qiáng)全民綠化參與度和責(zé)任感，營造全民造林護(hù)林氛圍；無人機(jī)監(jiān)測半徑大、效率高，通過搭載語音傳輸和擴(kuò)音模塊，在巡航過程中，可以定期播報生態(tài)文化的相關(guān)知識，提高生態(tài)文明理念的宣傳頻率和廣度，增強(qiáng)大眾的生態(tài)保護(hù)意識。

5 實(shí)施方案

5.1 收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

按照《無人駕駛航空器飛行管理?xiàng)l例》的要求，遵循國土綠化行動的規(guī)劃設(shè)計(jì)、監(jiān)理、質(zhì)量驗(yàn)收等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，收集無人機(jī)航測區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，包括：基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（政區(qū)圖、交通圖、水源分布圖等數(shù)字線劃圖）、林草專題數(shù)據(jù)、區(qū)域生態(tài)紅線圖等。

5.2 設(shè)置監(jiān)測網(wǎng)格

結(jié)合林長制的推廣落實(shí)，參照國土空間規(guī)劃成果，綜合考慮單架無人機(jī)每日有效巡航作業(yè)范圍、起降點(diǎn)的位置距離、數(shù)據(jù)信息的傳輸距離等因素，將國土綠化范圍劃分為若干個監(jiān)測、巡護(hù)網(wǎng)格，根據(jù)監(jiān)測管護(hù)的要求，建立無人機(jī)網(wǎng)格化監(jiān)測體系。

5.3 航測作業(yè)飛行

結(jié)合作業(yè)區(qū)的地形條件，按照設(shè)計(jì)、監(jiān)測要求的精度、分辨率等條件，合理設(shè)定飛行高度、航向重疊率、旁向重疊率等參數(shù)，科學(xué)規(guī)劃航測線路，拍攝綠化區(qū)航測像片；無人機(jī)現(xiàn)場起降點(diǎn)操作人員嚴(yán)格按照起飛指令、飛行要求開展航測作業(yè)，逐步實(shí)行監(jiān)測、管護(hù)工作常態(tài)化。

5.4 數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)的航測像片根據(jù)使用要求，經(jīng)Pix4D 軟件處理校正后，成為作業(yè)設(shè)計(jì)、工程驗(yàn)收的底圖；同時航測過程中的各種數(shù)據(jù)實(shí)時向不同用戶推送，管理單位可以實(shí)時或者回看監(jiān)測視頻，并儲存在終端服務(wù)器，針對工程實(shí)施問題、災(zāi)害事件等第一時間上報相關(guān)部門，以便及時采取應(yīng)急措施。

5.5 統(tǒng)計(jì)分析

將國土綠化作業(yè)區(qū)施工前后的正射影像進(jìn)行比較，根據(jù)NDVI 等指數(shù)變換，識別統(tǒng)計(jì)造林綠化工程數(shù)據(jù)，初步預(yù)測國土綠化行動成效，判斷工程是否嚴(yán)格按照規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)施，分析工程實(shí)施過程中存在的問題并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，從而完善國土綠化機(jī)制、優(yōu)化資源配置，強(qiáng)化質(zhì)量監(jiān)管，確保國土綠化成效。

6 結(jié)語

隨著無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及國土綠化建設(shè)格局的逐步完善，依托無人機(jī)機(jī)動性強(qiáng)、操作智能等技術(shù)優(yōu)勢，有效提升了國土綠化作業(yè)設(shè)計(jì)的規(guī)范化、科學(xué)化、精細(xì)化水平，落實(shí)了營造林監(jiān)理責(zé)任，提高了綠化區(qū)域的監(jiān)測管護(hù)效率，促進(jìn)了生態(tài)文明理念的宣傳，推動了林草生態(tài)健康發(fā)展。但是，無人機(jī)在國土綠化行動中的應(yīng)用，還有一些關(guān)鍵問題亟待解決，比如無人機(jī)的電池續(xù)航差影響飛行作業(yè)距離、監(jiān)測范圍的設(shè)置，導(dǎo)致飛行頻次增加；林業(yè)工程項(xiàng)目的投資金額有限，限制無人機(jī)在所有林業(yè)工程推廣應(yīng)用，降低使用成本勢在必行；無人機(jī)航測易受天氣干擾，有效飛行時間縮短，影響監(jiān)測管護(hù)?？傊?，無人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，必將會為中國國土綠化事業(yè)做出更多積極貢獻(xiàn)，有利于促進(jìn)國土綠化行動的高質(zhì)量健康發(fā)展，具有良好的應(yīng)用潛力。