王芳 何允清

摘 要：林業(yè)有害生物的發(fā)生與發(fā)展是一種長期積累的過程，防治林業(yè)有害生物的發(fā)生與發(fā)展是一項長期而艱巨的任務。隨著科學技術(shù)的進步，無人機在林業(yè)有害生物監(jiān)測中得到了廣泛應用，這為林業(yè)有害生物監(jiān)測提供了新的手段。本文介紹了多旋翼無人機在林業(yè)有害生物監(jiān)測中應用的優(yōu)點，綜述了國內(nèi)外在多旋翼無人機監(jiān)測方面的研究進展，并對其發(fā)展前景進行了展望。

關鍵詞：多旋翼無人機；林業(yè)有害生物；遙感技術(shù)

引言

我國的林業(yè)有害生物監(jiān)測主要依靠地面人工監(jiān)測，該方法費時費力，且難以覆蓋大面積區(qū)域；傳統(tǒng)遙感技術(shù)則具有成本高、效率低、空間分辨率低等缺點。無人機遙感技術(shù)具有快速、準確、成本低和效率高等特點，已經(jīng)逐漸應用于林業(yè)有害生物監(jiān)測中。無人機遙感技術(shù)通過搭載不同類型的遙感設備對目標區(qū)域進行成像，從而實現(xiàn)對目標區(qū)域的動態(tài)監(jiān)測和對林業(yè)有害生物的實時監(jiān)控。利用無人機遙感技術(shù)可以及時了解林業(yè)有害生物的動態(tài)變化情況，實現(xiàn)了對林業(yè)有害生物的動態(tài)監(jiān)測。由于無人機具有較高的靈活性和穩(wěn)定性，可對大面積區(qū)域進行實時監(jiān)控，同時，無人機遙感技術(shù)還可克服傳統(tǒng)遙感技術(shù)成本高、效率低的缺點，可用于大面積區(qū)域的林業(yè)有害生物監(jiān)測，從而降低林業(yè)有害生物防治成本。

1無人機及其應用領域

1.1無人機

無人機屬于一類無需人為駕駛遠程控制的飛行器，主要通過提前設定好的飛行航線及自動化系統(tǒng)產(chǎn)生自主航行能力，通常情況下，無人機上大都裝有自動駕駛儀器和遙測系統(tǒng)以及遙控系統(tǒng)、自動導航系統(tǒng)和著陸系統(tǒng)以及程序控制系統(tǒng)。

1.2無人機技術(shù)

1.2.1無人機航拍攝影

所謂無人機航拍攝影，實際上是指借助無人駕駛飛機當作空中平臺，且基于機載遙感設備的應用，像高分辨率CCD數(shù)碼相機、紅外掃描儀、激光掃描儀和磁測儀及輕型光學相機等來獲取信息，后運用計算機完成圖像的處理工作，且又根據(jù)相應精度要求來完成圖像制作過程。對于全系統(tǒng)來說，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在設計與優(yōu)化組合方面，它是綜合遙控、高空拍攝、遙測技術(shù)和視頻影像微波傳輸、計算機影像信息處理等的一種新型應用技術(shù)。

1.2.2無人機遙感

無人機遙感技術(shù)當屬無人機航拍攝影技術(shù)的一種，同時又屬于無人機和遙感技術(shù)之間的結(jié)合體，靈活運用較之先進的無人駕駛飛行技術(shù)、遙感遙控技術(shù)及遙感應用技術(shù)，可以以最快的速度獲取到空間遙感信息。另外，無人機遙感技術(shù)屬于一種低空遙感技術(shù)，且這種技術(shù)在影像獲取的過程中不會受到大氣因素的影響，操作起來比較簡單且地面分辨率高、應用成本也比較低，且獲取影像的速度比較快，這些優(yōu)勢往往是傳統(tǒng)遙感技術(shù)無法企及的。

2林業(yè)有害生物監(jiān)測的重要性

林業(yè)有害生物具有繁殖速度快、分布范圍廣、危害嚴重等特點，一旦發(fā)生，將對森林資源造成毀滅性的破壞，必須及時開展林業(yè)有害生物的監(jiān)測工作。通過對林業(yè)有害生物的監(jiān)測，能夠及時掌握其發(fā)生和分布狀況，對病蟲害的發(fā)展趨勢做出預測，從而采取有效措施控制林業(yè)有害生物的發(fā)生與蔓延，為防治提供決策依據(jù)。目前我國已將森林病蟲害監(jiān)測納入國家基本公共服務范圍，并將其作為森林資源動態(tài)監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。然而，目前我國的林業(yè)有害生物監(jiān)測技術(shù)仍不夠完善。隨著無人機技術(shù)的發(fā)展和應用，無人機已成為森林病蟲害監(jiān)測領域不可或缺的技術(shù)手段之一。以無人機為代表的遙感技術(shù)具有快速、準確和成本低等優(yōu)點。目前已經(jīng)廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、資源調(diào)查、災害評估、林業(yè)有害生物監(jiān)測等領域，也被用于森林資源調(diào)查和森林防火等方面。由于無人機具有大范圍、高效率和全天候等優(yōu)點，因此其在林業(yè)有害生物監(jiān)測中具有很大的應用潛力[1]。

3林業(yè)有害生物監(jiān)測的現(xiàn)狀

我國林業(yè)有害生物監(jiān)測體系主要包括國家林業(yè)有害生物普查、全國重點病蟲害普查和林業(yè)系統(tǒng)測報點三大類。我國林業(yè)有害生物防治工作深入開展，國家林業(yè)有害生物普查取得了長足進步，并在森林資源、生態(tài)環(huán)境、災害預警、綜合防治等方面發(fā)揮了重要作用。以松材線蟲病為例，從1996年開始，國家林業(yè)局組織開展了松材線蟲病調(diào)查工作。此后20年間，我國各地進行了大量的調(diào)查工作。在調(diào)查中應用遙感技術(shù)和地面調(diào)查相結(jié)合的方法，充分發(fā)揮遙感技術(shù)快速、高效、靈活的優(yōu)勢，對森林資源進行監(jiān)測和評價。2007年10月8日至12日，國家林業(yè)局組織在北京召開了全國重點區(qū)域松材線蟲病監(jiān)測工作現(xiàn)場會。會議上充分肯定了近年來全國各地在松材線蟲病的監(jiān)測工作中采用遙感技術(shù)取得的成就，并強調(diào)今后要繼續(xù)利用遙感技術(shù)在松材線蟲病的監(jiān)測中發(fā)揮重要作用[2]。

根據(jù)林業(yè)有害生物發(fā)生危害程度和發(fā)展趨勢劃分為重大、較大、一般3個級別的災害。目前我國林業(yè)有害生物的防治工作以重大災害為主。根據(jù)2021年全國林業(yè)有害生物發(fā)生情況，松材線蟲病、美國白蛾、天牛等重大林業(yè)有害生物，在全國范圍內(nèi)的發(fā)生面積超過1億hm2。由于傳統(tǒng)的監(jiān)測方法和手段存在成本高、效率低等不足，難以滿足當前林業(yè)有害生物監(jiān)測需要。遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感技術(shù)在林業(yè)有害生物監(jiān)測中的應用也越來越廣泛。遙感技術(shù)具有獲取數(shù)據(jù)量大、覆蓋范圍廣、時效性強、成本低等優(yōu)勢，在林業(yè)有害生物監(jiān)測中得到了廣泛應用。

當下我國在森林病蟲害監(jiān)測和防治工作方面，具體采取的方法包括昆蟲網(wǎng)誘捕、性引誘劑誘捕、黑黃燈誘殺、人工噴灑農(nóng)藥等方式。就在我國綠化面積不斷增加的同時，因為受到氣候影響的緣故，森林病蟲害往往呈現(xiàn)出程度提升、面積增大之勢，故在此應對大面積森林病蟲害監(jiān)測防治工作中，以往傳統(tǒng)的人工監(jiān)測和防治手段又表現(xiàn)得比較弱勢。采取無人機噴灑藥物和監(jiān)測等方式可以進一步提高有害生物監(jiān)測和防治水平，同時又能有效降低林業(yè)有害生物于森林資源造成的生態(tài)危害。時下我國一些地區(qū)也有運用無人機防治病蟲害的，諸如勐臘縣就充分發(fā)揮植保無人機的作用來監(jiān)測防治縣域內(nèi)橡膠樹病蟲害，經(jīng)實踐表明，利用無人機噴灑農(nóng)藥1小時的量等同于兩個工人工作一個月，這樣就很大程度上提升了橡膠行業(yè)病蟲害防治效率，同時也進一步提高了應對橡膠突發(fā)病蟲害的反應速度。例如，山西省臨縣就取用無人駕駛植保機給管轄區(qū)域內(nèi)的紅棗樹病蟲害噴灑農(nóng)藥進行防治，并且收效不錯。

4多旋翼無人機在林業(yè)有害生物監(jiān)測中的應用

4.1能快速獲取林業(yè)有害生物的位置信息

無人機飛行速度快、操作簡單、機動靈活、能在空中進行各種復雜環(huán)境下的飛行。在森林監(jiān)測中利用無人機可以快速地獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的森林有害生物信息，以了解森林病蟲害發(fā)生狀況和危害程度。在森林有害生物調(diào)查中使用無人機進行森林病蟲害監(jiān)測與調(diào)查，不僅可以解決常規(guī)調(diào)查方法存在的局限性和人力物力不足等問題，而且能夠準確快速地獲得監(jiān)測區(qū)域內(nèi)林業(yè)有害生物的種類、數(shù)量、分布范圍等信息。研究結(jié)果表明：利用多旋翼無人機進行森林病蟲害調(diào)查與監(jiān)測時，可以有效地獲取林區(qū)內(nèi)害蟲和病害的空間分布信息。在對天津濱海新區(qū)大沽口濕地自然保護區(qū)進行森林病蟲害調(diào)查與監(jiān)測時，通過無人機對研究區(qū)進行了航拍和數(shù)據(jù)采集。結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)害蟲主要分布在大沽口自然保護區(qū)內(nèi)，主要危害樹種為楊樹，其次是柳樹、楊樹和柳樹；病害主要分布在大沽口自然保護區(qū)內(nèi)的大沽口林場[3]。因此，利用多旋翼無人機在林業(yè)有害生物監(jiān)測中應用于森林病蟲害調(diào)查時可以有效地獲取林業(yè)有害生物在林區(qū)內(nèi)分布信息。

4.2監(jiān)測精度高，提高監(jiān)測效率

與傳統(tǒng)的航空調(diào)查方法相比，多旋翼無人機在林業(yè)有害生物監(jiān)測方面具有以下優(yōu)勢：①具有較高的飛行速度和穩(wěn)定性，從而提高了工作效率，減少了調(diào)查人員的體力勞動。②無人機遙感可以多角度、多方位地收集數(shù)據(jù)，避免了人工測量時存在的誤差和人為誤差，具有較高的測量精度。③無人機遙感可實時監(jiān)測森林蟲害動態(tài)，可以及時發(fā)現(xiàn)森林蟲害并及時采取措施進行防治。④無人機遙感技術(shù)在林業(yè)有害生物監(jiān)測中的應用可以大大降低人力成本，減少人力物力的浪費。

我國無人機在林業(yè)有害生物監(jiān)測方面的研究主要集中在航空調(diào)查方法上，主要集中在調(diào)查參數(shù)獲取和精度評定方面。航空調(diào)查方法主要包括航空攝影測量、遙感和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)。其中航空攝影測量技術(shù)是最常用的技術(shù)手段。

4.2.1航空攝影測量

航空攝影測量是通過飛機平臺，搭載攝影測量設備，沿飛行航線，對地面或空中目標進行航空攝影測量，通過地面或空中目標的影像來獲取有關地形、地物、地貌、交通和氣象等信息。航空攝影測量技術(shù)是獲取地物影像的主要方法，廣泛應用于大比例尺地形圖測繪、數(shù)字城市建設等領域。利用無人機遙感技術(shù)進行林業(yè)有害生物監(jiān)測時，首先需要對待測區(qū)域進行空中三角測量和地面控制點布設工作，然后再進行航空攝影測量數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過空三加密和實景三維模型的建立，可以獲得森林有害生物的分布、面積和密度等數(shù)據(jù)。通過獲取的數(shù)據(jù)可以更好地進行森林病蟲害調(diào)查工作，為林業(yè)部門制定相應的防治措施提供依據(jù)。

4.2.2遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)

在林業(yè)有害生物監(jiān)測方面，遙感技術(shù)是最為常用的航空調(diào)查技術(shù)。遙感技術(shù)包括光學、微波、雷達、激光雷達等，其中光學遙感是當前遙感技術(shù)中應用最廣泛的一種技術(shù)。隨著無人機的不斷發(fā)展，目前，無人機已經(jīng)可以從多個角度獲取三維信息，并具有高分辨率的成像能力。隨著各種傳感器的發(fā)展，不同類型的傳感器可以獲得不同層次的數(shù)據(jù)。近年來，無人機在林業(yè)有害生物監(jiān)測方面的研究主要集中在多光譜、熱紅外等方面。與傳統(tǒng)的航空調(diào)查方法相比，多旋翼無人機具有獲取信息全面、受天氣影響小、精度高等優(yōu)點。但是，目前由于缺少相應的軟件平臺，無人機遙感數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)之間無法進行有效集成和共享。

4.3操作簡單，節(jié)省人力物力

多旋翼無人機操作簡單，不需要專業(yè)的飛行知識就可以進行操控。只需要通過簡單的培訓，就可以對無人機進行操控，只需要一名操作人員就可以進行飛行作業(yè)。同時，無人機在飛行過程中能夠自主完成數(shù)據(jù)的收集、傳輸、存儲等工作，還可以自行返航，不需要人工干預。在發(fā)生森林火災時，如果無人機無法到達火場上空，地面人員又沒有裝備直升飛機的情況下，也可以由無人機自主完成數(shù)據(jù)的傳輸、存儲等工作。無人機不僅在操作上簡單，在成本上也比傳統(tǒng)的監(jiān)測方法要節(jié)省人力物力，例如人工巡山或者人工調(diào)查，要想知道森林里有多少人，需要多少天的時間才能完成，而無人機只需要幾分鐘就可以完成。無人機的飛行高度低，對地形要求也不高，能夠快速到達地面監(jiān)測人員難以到達的地方進行作業(yè)。無人機上配備了高清相機和其他設備，能夠快速地獲取到地面監(jiān)測人員無法看到的林業(yè)有害生物圖像。與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比，多旋翼無人機能夠有效地減少人力物力的投入。同時，由于無人機飛行高度低，不會對地面造成破壞，能夠避免對森林造成二次傷害。多旋翼無人機的監(jiān)測范圍廣，除了可以對森林進行全面的監(jiān)測之外，還可以對城市和鄉(xiāng)村進行監(jiān)測。在人口稠密地區(qū)，可以利用多旋翼無人機進行森林病蟲害監(jiān)測，同時也可以將森林病蟲害信息傳給其他相關部門。

4.4數(shù)據(jù)處理方便，易與 GIS結(jié)合

通過地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理，實現(xiàn)地理信息與遙感數(shù)據(jù)的結(jié)合，從而達到更高層次的應用。隨著科技的發(fā)展，無人機遙感技術(shù)將得到更廣泛的應用。目前，無人機遙感技術(shù)主要是利用航空航天遙感衛(wèi)星、雷達和光電傳感器等，從空中對地面進行觀測。由于低空飛行具有快速、機動靈活、覆蓋面積大等優(yōu)點，是傳統(tǒng)地面觀測手段難以實現(xiàn)的。尤其是在我國西南山地和丘陵地區(qū)，地形復雜，地貌多變，多旋翼無人機可以克服這一困難。

多旋翼無人機可低空飛行，能夠迅速獲取大范圍的影像數(shù)據(jù)；同時攜帶有 GPS定位系統(tǒng)，具有極高的定位精度和時間分辨率；多旋翼無人機飛行高度低，可以使用低空航測作業(yè)平臺進行快速作業(yè)。此外，由于采用了先進的激光測距傳感器和慣性測量單元（IMU），具有全天候、全天時的飛行能力。因此，在不需要航空航天遙感衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星的情況下也能完成高精度觀測任務。

由于森林病蟲害是一種突發(fā)性強、危害性大、防治難度大的林業(yè)災害，所以對其監(jiān)測成為林業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。由于當前林業(yè)生產(chǎn)中缺乏對病蟲害的快速、準確的監(jiān)測手段，造成了大量資源和財力的浪費。森林病蟲害監(jiān)測是指通過對病蟲害發(fā)生、發(fā)展、危害和防治情況進行長期、連續(xù)、不間斷地監(jiān)視和跟蹤，及時掌握蟲害動態(tài)，以便采取有效措施，防止其擴散蔓延和造成損失[4]。由于傳統(tǒng)林業(yè)病蟲害監(jiān)測方法存在諸多缺點，如監(jiān)測周期長、監(jiān)測面積大、作業(yè)成本高等，已不能適應現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展的需要。因此，利用無人機遙感技術(shù)進行林業(yè)病蟲害監(jiān)測是現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是林業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設的必然要求。

5結(jié)語

多旋翼無人機以其成本低、操作簡便、快速高效等特點，在林業(yè)有害生物監(jiān)測中有著不可替代的作用。但無人機在林業(yè)有害生物監(jiān)測中也存在著不足之處，如在數(shù)據(jù)處理時，數(shù)據(jù)量大，需人工判讀；作業(yè)區(qū)域受限，不能大面積作業(yè)；部分無人機在飛行時有可能發(fā)生墜落事故等。因此，在利用無人機進行林業(yè)有害生物監(jiān)測時，應嚴格按照林業(yè)有害生物監(jiān)測流程操作，確保數(shù)據(jù)的準確性和時效性；同時應根據(jù)林業(yè)有害生物發(fā)生面積大小和危害程度，選擇不同類型的無人機及配套設備進行作業(yè)，以達到最佳效果。

參考文獻：

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[2]賈林基.多旋翼無人機在林業(yè)生產(chǎn)中的應用[J].農(nóng)家科技：中旬刊，2019（1）：2.

[3]張嚴風，趙璠，寇衛(wèi)利，等.無人機在林業(yè)災害監(jiān)測中的應用[J].世界林業(yè)研究，2020，33（2）：62-67.

[4]曾世杰，王繼興.無人機遙感技術(shù)在林業(yè)資源調(diào)查與監(jiān)測中的應用[J].農(nóng)村科學實驗，2021（5）：2.