无人机在林业上的应用初探及操作实例

阮志华

摘要：指出了传统模式下的林业作业具有效率低、误差率高等不足，并且作业监测盲区较多。无人机应用在林业上能有效避免传统作业模式的缺点，提高林业作业效率。随着我国综合国力增强，无人机及其技术广泛应用于社会生产中，无人机在林业上的应用也备受关注。基于此，以无人机及其技术为出发点，围绕无人机在林业资源调查、森林巡护、林政执法、营造林检查等方面的具体应用进行了阐述，并以大疆精灵4无人机在林业中的实际应用为例，就如何提高无人机在林业中的工作效率提出了一些建议。

关键词：无人机;林业;应用;操作实例;注意事项

中图分类号：S757.2

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0227-04

1 引言

基层林业工作多依靠人工观测采集数据，且多为定点监测，但林地通常面积大且地形复杂，而传统的林业工作基本上是“一张图，一支笔，两条腿，一路走”的工作模式，效率极其低下，并且因作业监测盲区较多而导致错误率高，误差率大，不再适应当前“精准林业”的时代需求。无人机应用在林业上能有效避免传统工作模式的缺点，提高林业工作效率。近年来，无人机及其相关技术迅速发展，凭借其灵活性高、成本相对较低、操作相对简便、采集数据更为快速精准的优势，在林业资源调查、森林巡护、林政执法、营造林检查等方面运用广泛，并初步凸显出先进、高效的特性[1]，其应用必将成为趋势。因此探索无人机在林业中的应用已成当前林业研究的重点课题。

2 无人机及其技术

2.1 无人机

无人驾驶飞行器是指无需驾驶员，通过程序或者通过操作人员遥感控制进行作业的飞机，简称为无人机。为了实现远距离控制飞机，一般无人机上面配备了遥控、监测、卫星定位等大量系统，不同于载人飞机，它小巧便利、成本较低、环境适应力好[2]。

2.2 无人机技术

无人机技术的重点在于应用无人机。近年来，无人机技术迅速发展，现已应用于在各大领域并且成效显著，例如影视制作、遥感测绘、电力巡检、农业植保等。应用于林业时可根据中具体所需搭载诸如红外扫描仪、多光谱成像仪等相应设备，无人机技术凭借其简便的操作和较少的能源消耗，大大降低了作业风险、节约了时间、人力和物力[3]。

3 无人机在林业上的应用

无人机在林业中的应用即是使用无人机改变传统以定点监测为主的人工与卫星结合的监测方式，通过无人机实时动态监测林业资源，对各项数据和信息进行综合处理。

3.1 林业、林政执法

装备红外热成像仪和可见光相机后，无人机可在固定范围内的林地进行高频次遥感监测，根据航拍影像，林业执法部门能够及时发现林区中出现的违法行为，例如违法占地、盗砍滥伐、违章用火等;通过分析森林受损位置及程度，可及时制止和处罚毁林行为;应用正射影像技术工作人员获取森林受灾面积和受灾程度，从而确定营造林所需面积及株树。

3.2 森林巡护、森林病虫害、森林火灾监测及灾后调查评估

无人机被广泛应用于森林防火，森林火灾是林业生产中影响重大的灾害之一，而目前防火还是依靠卫星遥感技术。使用无人机搭载摄像设备和影像传输设备等即可轻松开展火灾探测工作，无人机可将探测到的影像传递给工作人员，便于工作人员掌握火场情况，制定有效灭火措施，有效地降低火灾带来的危害。据近年来的实践统计，无人机技术对森林火灾的检测率达到了88.6%，识别率达到了90.1%[4]。无人机还应用于病虫害防治，同样可依靠无人机监测发现发生病虫害林地位置、面积等信息，从而预测发展趋势并做灾后评估，之后可以应用植保无人机对林地进行大面积病虫害治理作业，亦可结合摄影测量软件快速找到病死木、观测有害生物，同时完成对森林病虫害的精准施药[5]。

3.3 森林资源调查、营造林成效检查与动态监测

林区植被分布和生态环境评价常根据林区地表植被覆盖率判定，森林资源调查成为重要的林业工作。此前，我国常用卫星遥感和人工采集两种方法来统计植被覆盖率，但卫星遥感成本较高、精度较低，人工采集工作量大、效率低下。而无人机凭借超强的灵活性根据不同需求设计飞行的区域、航线、高度等，这避免了传统采集方式的缺点，同时提高了采集数字影像效率和监测的准确性，应用无人机技术检测植被覆盖率变化成为有效手段[6]。当前，我国已经将这一技术应用于研究部分珍贵林木覆盖率。大量实践证明，无人机遥感数据可以获取林地面积、辨認树种、确定林龄、计算林地密度等，采集到的数据较高的分辨率和时效性能有效提高工作质量，降低成本，从而提高林业调查的技术水平。

4 操作实例

以应用大疆精灵4无人机进行公益林验收为例，对无人机在林业工作中的实际应用作进一步阐述。

4.1 精灵4无人机的优点

大疆精灵4无人机以其便携性、易用性、广泛性及稳定性等特点受行业应用者的青睐，并因此拥有众多的应用程序支持，DJI GS Pro就是其中之一。DJI GS Pro（ Ground Station Pro）是一款可控制DJI飞行器实现自主航线规划及飞行的iPad专属应用程序。GS Pro拥有直观简易的交互设计，能大幅提升各领域的任务执行效率，其中的测绘航拍区域模式可根据用户设定的飞行区域以及飞行器相机参数、智能规划飞行航线，执行航拍任务，并支持将航线任务保存至本地，将拍摄的照片导人PC端，利用Pix4Dmapper等3D重建软件进行照片处理，之后可生成拍照区域的3D或者正射影像图‘刀。

4.2 操作步骤

利用精灵4无人机进行公益林验收就是通过使用DJI GS Pro软件对公益林地进行区域航线规划，设置好各项参数之后执行正射影像的航拍任务，航拍完成后将航拍的照片导入PC端，利用Pix4Dmapper软件进行照片处理，生成TIF格式的正射影像图，之后打开ArcMap软件，将TIF影像和公益林数据添加到图层中进行叠加，公益林地的信息就一览无余了。相对于之前拿着图纸到现场对图验收的方式，这样的方法使验收工作效率以及精准度都大大提高。其具体步骤如下。

4.2.1 外业工作

（1）选择起飞地点。起飞地点的选择至关重要，事关外业工作成败。选择原则首先是空旷地且视野开阔，这样有利于信号传输及飞行安全;其次是要选择任务区域的相对高海拔地点，因为无人机要拍摄的是正射影像，且图像重复率均要求达到70%以上，而精灵4无人机限高，最高飞行相对高度是500 m，如果起飞点海拔越高，无人机与被拍摄区域的相对高差越大，就越容易达到图像重复率的要求，否则就会导致内业处理失败，整个工作得推倒重来。

（2）新建飞行任务及参数设置。起飞地点定好之后，打开DJI GS Pro软件，安装并连接无人机，在GSPro界面上选择新建任务，再选择测绘航拍区域模式和地图点选模式，然后在地图上点选任务区域，设定范围之后对飞行任务参数进行设置。首先，设置飞行高度，一般来说飞行高度应根据任务范围的大小进行改变，范围越大，高度越高，反之亦然，本例直接设置飞行高度为500 m，因为飞行高度越高，拍摄范围就越广，就能越快的完成任务;其次，设置主航线上的图像重复率为80%，主航线间的图像重复率为70%，主航线角度跟随任务区域的形状进行调整，其他的参数默认即可[8]（图1）。

（3）执行飞行任务。设置好飞行参数之后，点击DJI GS Pro界面右上角的飞机图标，弹出准备飞行任务对话框，里面GPS、相机、电池以及任务完成后的动作等信息均有显示，等待数据传输完成就可以开始执行飞行任务了，之后就是等待，期间若一颗电池无法完成飞行任务的话，系统会弹出提示窗口并要求自动返航降落，在更换好电池之后继续执行飞行任务即可，任务完成后无人机根据预先设置要么自动返航，要么悬停等待下一步指令。

4.2.2 内业处理

（1）影像拼接输出成果。影像拼接输出成果的过程就相对简单了。外业之后整理出任务区域的正射影像，电脑打开Pix4Dmapper软件，新建项目，选择所有正射影像图片，打开，再选择高精度处理模式，其他的默认即可，最后点击开始按钮，计算机就会对影像进行处理，最后生成3D云点模型以及TIF格式的拼接正射影像图（图2）。

（2）成果数据叠加。成果数据叠加的目的是获取公益林地的信息，并以此作为公益林地验收是否合格的主要依据。首先打开ArcMap软件，添加数据，选择生成的TIF格式正射影像图，待影像图在ArcMap里显示之后再继续添加公益林图层数据，添加成功后公益林地块的信息便一览无余了，工作人员可根据公益林的验收方案和标准进行判断其合格与否，之后填写相关验收图表。至此，该项工作全部完成（图3）。

4.3 实际操作过程中的注意事项

4.3.1 大疆应用程序DJI GS Pro与DJI G04的配合使用

DJI G04是大疆公司旗下集飞行、拍摄、编辑和分享为一体的移动应用。先用DJI G04连接无人机，对无人机硬件及周边环境进行必要的安全检查，并设置飞行高度、返航高度等重要参数，没问题之后再切换到DJI GS Pro进行任务新建及参数设置等工作，目的是為了无人机飞行的安全与稳定。

4.3.2 无人机电池的充分利用问题

如若任务区域面积较大，需要用多组电池才能完成的情况下，如何有效利用电池，节约时间久尤为重要，笔者经上百次使用之后总结以下几点供大家参考。

（1）起飞点与起测点的选择。在起飞点与起测点的选择上，两者不要在同一个地点或者距离太近。如需要两组电池的话就将起飞点设在任务区域的中部位置，需要三组电池的话将起飞点设在任务区域总长度1/3处，与起测点的距离约为任务区域总长度的1/3左右。这样做的目的是为了便于无人机电池报警之后的返航，缩短返航距离，减少返航时间。在更换电池后也能让无人机更快捷的到达起测点执行任务，减少电池损耗，将电池充分应用在任务的执行之上，条件允许的情况下，还可在更换上第二组电池执行任务之后将下一个起飞点移动到大约下个降落点之上，以此类推。

（2）两个航点之间的距离保持。两个航点之间的距离不要超过1000 m。因为无人机很有可能在飞到两个航点中间位置以上时电池即将耗尽而报警并自动返航，这将导致这条航线上之前完成的那部分工作会在更换电池之后重新开始，重新开始意味着浪费电池浪费时间，而航点之间的距离越长，碰到这种情况之后所耗费的电池越多，时间成本越高。

（3）起测点前的飞行控制模式。在无人机从起飞点飞行到起测点的过程中，最好手动控制，让无人机边上升边向起测点方向飞行，到达起测点后再点击DJI GSPro界面上的飞机图标开始执行飞行任务。这样做的目的也是为了减少电池损耗，根据经验数据，这比从起飞点就开始执行飞行任务能减少至少10%的电池损耗。因为从起飞点开始执行飞行任务时，无人机会先垂直上升至设置的飞行高度，再水平飞行到起测点开始执行任务，本身无人机垂直起飞或者降落的耗电量都是最大的，再加上飞行距离增加了30%以上，耗电量就可想而知了。

4.3.3 任务执行过程中无人机失联的问题

任务执行过程中无人机失联主要是因为飞行距离过长或者高山阻断了信号所致，失联状态下，屏幕是黑的，无图传信号，看不到影像，各种信息参数，包括GPS位置、飞行速度高度均空白，这种情况下也不必慌张，因为DJI GS Pro设置失联后继续执行飞行任务，只要等待无人机飞行到合适的位置后恢复联接即可，不要随意控制、操作无人机，以免出错，导致不必要的损失。

4.3.4 内业处理相关问题

首先，是Pix4Dmapper软件所使用的文件夹及相关目录不支持中文，必须全英文，否则无法打开相关文件。其次，是计算机在拼接影像时，如若有些影像重叠率达不到要求就会导致处理失败，以致最终成果影像有缺边、缺角、模糊或者空窗现象，若想获得完整的拼接影像只能选择更高海拔的起飞点重新执行飞行任务，获得符合要求的影像之后再拿来进行内业处理方可。当然，这是针对大疆无人机限高500 m而言的，对于其他不限高或者固定翼的无人机而言，这一条可以忽略。最后，是坐标的问题，TIF格式的成果影像坐标是WGS84坐标，与国内常用的BJ54及XIAN80坐标有一定偏移，在ArcMap软件里，要使其准确的重叠在一起，要么使用坐标转换（较为复杂另述），要么根据经验数据或者实验数据计算偏移量进行纠偏，或者设定一到多个明显地标物体进行纠偏使之匹配即可。

5 结语

无人机的优点显而易见，高速、高效、精准。经过验证，一台配置三颗电池的精灵4无人机平均ld可以完成10000亩的飞行任务，而人工定点监测的话，要花5d时间左右，而且精准度还不高。当然，缺点也是显而易见，主要是续航太短，监测设备昂贵、单一，应用不够广泛，与之配套的软件及智能化水平略低，欠缺行业应用且专业性不强。但是，无人机应用是必然趋势，随着我国科技创新能力水平的不断提高，无人机的发展也必将突破瓶颈，将我国的生态文明建设引入新时代。

参考文献：

[1]夏新丰.浅谈无人机在林业生产中的应用[J].林业科技情报，2015，47（2）：40～41.

[2]王振师，周宇飞，李小川，等.无人机在森林防火中的应用分析[J].林业与环境科学，2016，32（1）：31～35.

[3]文怡.无人机概念产品与时尚未来[J].今日科技，2015 （3）：55～57.

[4]李滨，杨笑天，王宏宇，等.森林防火中无人机的应用现状及发展趋势[J].科技创新导报，2015，12（5）：252～253.

[5]李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报（信息科学版），2014，39（5）：505～513.

[6]毕凯，李英成，丁晓波，等.轻小型无人机航摄技术现状及发展趋势[J].测绘通报，2015（3）：27～48.

[7]孙志超，杨雪清，李超.小型无人机非测量相机在林业调查中的应用[J].研究林业资源管理，2017（2）：103—109.

[8]周晓敏，赵力彬，张新利.低空无人机影像处理技术及方法探讨[J].测绘与空间地理信息，2012，35（2）：182～184.