无人机在森林资源管理中的应用

符长青

森林作为陆地生态系统的主体，除了提供人类生存发展所须的原材料外，在缓解全球气候变化，保护区域生态环境及全球碳平衡等方面发挥着不可替代的作用。然而，传统的森林资源管理存在管理水平低、技术手段落后、人力成本高等诸多问题。近年来，随着技术的快速发展，无人机迅速运用到林业领域，为森林资源管理注入了新的活力，对推动现代林业、智慧林业和精准林业的建设和发展具有重要意义。

林业无人机的定义

随着无人机技术，特别是动力、复合材料、通信、飞行控制、导航和移动通信等新技术的快速发展，民用无人机性能大幅提升，任务载荷功能不断扩展。民用无人机拥有视角广阔、视频实时传输、操控灵活、机动性高、成本低等特点，可按照作业要求，执行多种任务，而专用于森林资源管理的无人机称为林业无人机。

林业无人机具有重量轻、自动化水平高、安全性好，机动性高、无人员伤亡、成本低等多种优势，可以在森林（林区）中快速接近目标，高效完成信息获取、数据回传、森林消防等工作。

林业无人机属于航空护林装备的范畴。航空护林是森林资源管理工作的重要组成部分，在森林资源保护、生态平衡维持中发挥了重要作用。航空护林通常采用有人机（飞机、直升机）和无人机两大类装备。航空护林的发展水平体现了一个国家林业发展水平的高低，受到世界各国的高度重视。林业无人机的独特优势和我国对民用无人机发展的高度重视，为我国大力发展航空护林技术，追赶世界先进水平提供了一条新的快捷路径。

森林资源管理通常采用卫星遥感、人工实地监测、固定点监测等传统方法，但这些传统方法普遍存在运行成本高、操作灵活性低、实时性不佳等缺点，无法满足森林资源管理工作的实际需求。林业无人机对森林资源进行监测，是提升林业信息化和精准化水平的重要方向，也是实现精准森林资源管理目标的有效途径。相较传统森林资源监测方法，林业无人机不受地面道路的限制，快速飞抵目的地上空，实时准确地获取多时相、高分辨率影像数据，提升森林资源管理的自动化、智能化水平，满足智慧林业建设的需求。

林业无人机的应用领域

无人机非常适合在林区、山区等复杂地形下开展作业，为改善森林资源管理的工作条件，提高工作效率，加快林业现代化发展带来了契机。林业无人机搭载多种信息采集设备，结合5G移动无线通信技术，可高效完成特征目标信息采集工作，获取森林资源的多层级数据，而这些数据将应用于森林资源管理的各个领域。

森林资源调查

森林资源调查是实现森林资源有效管理与森林资源可持续利用的重要前提。及时、准确的森林资源信息有利于相关管理部门更好地进行决策，提高森林资源管理水平，并不断推动森林资源管理的可持续发展。

我国国家林业和草原局从2003年开始，在全国范围内采用SPOT5等高分辨率卫星数据进行森林资源调查，掀起了卫星遥感森林资源调查的热潮。目前，各地在一类调查工作中已普遍采用卫星数据与地面人工调查数据相结合的方法，取得了较好效果。但是，这种方法有许多缺点，一是卫星容易受天气和云层影响，遥感圖像分辨率低，而且数据更新周期长，使用成本高；二是卫星只适合大尺度的森林蓄积量（森林蓄积量是指一定森林面积上存在的林木树干部分的总材积）调查，而对于小尺度的蓄积量调查，其测量精度不高。

在森林区划调查中，小班区划调查受益于林业无人机遥感技术良好的集成性和适用性，识别精度及错判率均能满足需求，克服了人工林地评估时间长、受环境条件影响大等缺点，可有效弥补卫星影像分辨率低、精度不高和时效性差等缺点，极大降低了成本，减少了基层工作量，并能有效提高资源调查的效率和质量。因此，林业无人机开展森林资源调查已越来越成为相关部门的主流选择方案。

森林巡查

林业无人机开展森林巡查作业，即利用通信、传感器、飞行控制等技术对大范围森林生态系统的状态、环境进行实时监测。林业无人机进行森林巡查的优点是，投资小、成本低、自动化程度高、安全性好，具有明显的技术优势，可大大提升森林巡查的效率，其他任何技术手段无法比拟。

传统森林巡查主要由护林员定期地沿特定路线观测森林和记录数据。由于林区缺少道路且环境复杂，人工须要1～2天才能完成10km巡查，蜿蜒的山路及茂密的林木对护林员视线造成了遮挡。这种人工巡查方法不仅工作量、劳动强度大、效率低、局限性大，而且无法及时发现问题，难以保证森林巡查的质量。

与传统人工巡查相比，林业无人机可自动生成巡查航线，搭载可见光摄像机在预定区域对森林资源进行日常巡查，获取森林资源信息，将视频实时传输给地面指挥中心，为指挥中心的决策工作提供支持。无人机获取的林区全方位信息后期经拼图后，可测算林区面积。

林业无人机具有快速响应能力，可大幅提高林业执法部门的工作效率。例如，盗伐林木案件一旦发生，林业无人机在空中对被盗伐的林木进行航拍，精确获取盗伐滥伐林区的面积、株树，加强对非法采伐的监视。对于林地违法征占、毁林开荒等案件，相关部门利用林业无人机，快速获取案发区域的影像，确定森林受损的地点并分析受损程度，以便及时对林地征占、毁林开荒等行为进行处置。

森林病虫害防治

森林病虫害的种类非常多，不同的病虫害造成的损坏部位也各不相同，有的是树干，有的则是树根。被损部位以及损害方式都会对林木生长造成严重的危害，林木的外貌会因此发生很大的变化，例如叶片变得枯黄，严重的危害甚至会导致林木枯死。近年来，我国森林病虫害呈现危害程度增强、危害面积增加的趋势，一方面大面积森林病虫害每年发生，造成成片树木死亡，经济损失巨大，危害极为严重；另一方面，传统人工巡查方法难以应对大面积森林病虫害，存在效率低、成本高、劳动强度大等缺点。

林业无人机用于森林病虫害防治，首先监测森林病虫害发生的情况，并选用有效的杀虫药物；然后，无人机在空中喷洒药物，达到消灭森林病虫害的目的。无人机喷洒药物，解决了人工投放杀虫药物不均、高山陡峭地无法投放等难题，能大幅度提高森林病虫害防治和减灾效率。

无人机遥感技术应用于森林病虫害监测，具有监测面积广、实时、客观、高效等优点，可有效降低成本，全面获取森林受灾的整体情况。相关部门利用无人机遥感信息，提出更为快速有效的应对措施，进而减小病虫害对森林资源的损害。

野生动植物保护

森林生态系统是多种生物群落及非生物环境形成的动态系统。其中，野生动植物不断繁殖和生长，构成了复杂的生物群落结构。野生植物给微生物提供了栖息之地，具有防止水土流失、改善生态环境等作用；很多野生动物都是害虫的天敌，可维持自然生态平衡。森林生态系统的健康状况直接影响了动植物数量变动和结构平衡，野生动植物数量的增减显示了森林系統状况的好坏。例如，野生动植物的健康状况下降，会导致生物质量下降，进而减少物种数量，导致野生动植物数量不断减少；森林生态系统的健康状况下降，容易导致某些稀有物种生病死亡，进而减少野生动植物的数量，甚至引起各种较为脆弱的野生动植物灭绝。

森林生态系统面临的威胁主要来自人类对资源的不合理应用，人类的干扰活动会引起森林变化，影响森林生态系统的健康。因此，为维持森林生态系统的自然平衡，人类必须遵循自然规律，首先重视林木生长与发育，让森林生态系统向健康、稳定的方向发展。因此，野生动植物监测、识别与保护是森林持续发展的基础，意义特别重大。我国早已立法保护有益或者有重要经济、科学研究价值的野生动植物，任何非法采伐、猎捕、走私、收购、运输、出售珍贵濒危野生动植物的重大案件，都要受到法律严惩。

林业无人机应用于野生动植物保护，首先在空中监视森林野生动植物的状况，实时监测野生动植物的空间位置和动态，实时传输数据信息，提高野生动植物资源监测、管理、保护和利用水平；其次，为保护野生动植物，无人机在空中进行大面积搜索，不受地形和视野限制，不易引起所监视目标的注意，机载监视设备可实时提供稳定、高分辨率视频。森林管理部门借助无人机回传的信息，一旦发现非法采伐猎捕野生动植物的犯罪份子，将第一时间派出森林警察前往事发地区展开抓捕行动。与地面警力相比，林业无人机可快速寻找、识别目标，并精准定位犯罪嫌疑人的位置，具有成本低、效率高、效果好等明显优势。

精准林业

精准林业是一种基于知识的林业技术系统，旨在有效利用森林生态资源，实时评估研究对象的工作质量、数量和时间数据等内容。精准林业的主要工作包括树木长势、病害和虫害的发生趋势进行分析模拟，针对林木生长环境和生长条件的时空差异性，生成直方图，为各林班施肥喷药提供方案，以及对精准林业的实施效果、经济效益进行评估。

森林质量的定义是，森林在生态、社会和经济效益方面所发挥的功能与贡献的价值总和。森林质量提升是一个基于具体林分特点、预期实现的功能和目标，实现精准化经营方案和措施，综合提升森林生态、社会和经济效益的过程。

森林经营是实现森林质量精准提升的过程和手段，森林质量精准提升是森林经营的目标和结果。精准林业可量化影响树木长势的因素，最终生成空间差异性信息，实施可变量投入，达到低成本、低消耗、高效率、良好环保等目标。

精准林业依赖于地球空间信息基础理论及其他高新科学技术的发展而建立，主要以3S技术、信息技术、无人机技术、智能化决策技术、可变量控制技术等为技术支撑体系，以生态学、造林学、工程学、系统学、控制学、测绘学为指导，在自动化、智能化、一体化、时效性、准确性、可靠性等方面满足人们的需要。它能优化资源，保护环境，实现林业的可持续发展，实际上这也是社会经济发展的基本战略目标。在精准林业系统建立的过程中，林业无人机作为最有效的森林生态系统调查、巡查手段，已充分显示出无法比拟的优越性，有效弥补卫星影像存在的分辨率低、精度不高和时效性差等缺点。

飞播造林

飞播造林是指飞机在林区播种，对大面积宜林荒山进行绿化。天然飞籽成林具有速度快、效率高、省劳力、质量好的优势，而对于大面积荒山荒坡地域，飞播造林具有良好的效果。例如，在陕北黄土高原等人烟稀少、交通不便的地区，飞播造林已成为荒山绿化、生态平衡调节的重要手段。但是，传统有人机实施飞播造林，受限于天气、地形等因素，不能按照飞播区域的地形部位、坡向、植被类型等实施精准播种，而且种子消耗量大、幼苗成活率低。林业无人机具有机动灵活、安全方便等特点，非常适用于较为分散的小区域播种，能有效弥补传统有人机飞播造林作业的不足。

在森林遭遇火灾后，大片森林中往往会出现面积不一、被林火烧毁的过火区。当森林火灾被扑灭后，过火区须要及时补种树木。林业无人机集群在这些分散的过火区块进行补种，是一种速度最快、成本最低的补种方法。

如果传统有人机对这些零散分布、不规则的区块实施飞播造林，不仅成本高、效率低，而且效果差。例如，2020年夏秋两季，美国遭遇了罕见森林大火，其中加利福尼亚州超过16000km2的森林被野火烧毁。野火被扑灭后，林业部门为赶在多雨季来临之前播种，采用大规模无人机集群及时补种，大幅提高了树木种子的发芽率和幼苗成活率，效果极佳，其他各州借鉴了这一成功经验。2021年，美国联邦航空管理局批准无人机集群可在亚利桑那州、科罗拉多州、蒙大拿州、新墨西哥州和内华达州开展树木再植作业。

林区应急救援

近年来，极端气候频发，自然灾害及次生灾害造成的突发性危害呈现加重加大的趋势。例如，国内数量众多的国家森林公园，风景秀丽、得天独厚的人文和自然资源，每年吸引着大量游客，伴随而来的是，各类非法穿越行为屡禁不止，野外遇险事件时有发生，林区应急救援工作面临严峻且复杂的新形势。林业无人机使用成本低、受天气影响小，能快速起飞并回传实时影像，为应急搜救工作提供有力支持，极大提升了林区突发事件处置能力和应急管理水平。

森林郁闭度估测

森林郁闭度是指森林中乔木树冠遮蔽地面的程度，是评价森林资源质量的重要指标。获取郁闭度的传统方法包括目测法、样点法、样线法等，但劳动强度大、成本高、误差大，不适合大范围或大尺度林区的郁闭度测量。虽然卫星影像应用可以估测大面积林区的郁闭度，但由于受空间分辨率的影响，提取的郁闭度信息精度不高。相较而言，林业无人机获取的遥感影像分辨率高，提取的森林郁闭度信息更加准确可靠，成本低、误差小，其他估测方法无法比拟。

营造林核查

营造林核查是林业部门森林资源管理的日常工作。由于营造林普遍面积较大，检查采用人工目视的方法，工作强度大且难于全面检查到位。相较而言，林业部门利用林业无人机获取影像，并分析影像，算出造林面积、株数，再统计死亡株数和总株数，得出成活率和保存率，不仅能降低工作强度，而且大幅提高了工作效率和工作质量。

林业执法

林业执法是保护森林资源的强有力措施之一，也是林业无人机的另一个重要应用场景。如今，野外林场被乱砍滥伐，林地违法征占、毁林开垦、野生动植物盗伐盗猎与非法贸易等违法犯罪行为时有发生。如何及时发现破坏森林资源的违法行为并有效取证，是林业管理部门亟须解决的问题。传统实地执法是森林资源管理人员在林间进行执法，缺点是有效覆盖范围小，人力成本高，难以在接近性较差的林间环境中开展执法作业。同时，野外复杂恶劣的实际环境容易给执法人员带来伤害。为了弥补传统执法手段的不足，林业管理部门应用林业无人机对林区环境进行动态监视，实时掌握林地的使用情况，并及时制止违法行为。在林业执法过程中，突发事件往往具有不确定性，如果执法工作人员在处置过程中不能使用正常的宣传工具与群众沟通，可通过林业无人机搭载的空中喊话器、高分贝喇叭对现场人员进行空中喊话，传递政府领导者的讲话和正确的舆论导向，以及表达林业执法意图。林业无人机可参与土地执法检查、土地管理动态巡查、违法土地案件整改、耕地保护等工作，降低了执法人员的工作强度，极大提升了执法工作效率，已成为林业执法工作的主流装备之一。

森林消防灭火

与传统森林消防灭火方式相比，森林消防无人机机上无人，执行消防灭火任务时，无须考虑机上人员的生命安全，不必考虑任务的危险性。如果森林灭火采用消防无人机，消防人员远程操控无人机作业，可远离高危区域，有效避免或减小森林大火对消防人员的伤害。另外，消防無人机能及时发现和报告火情。

森林消防无人机搭载不同的任务载荷，承担空中巡查、火情侦察、火场监视、空中指挥与调度、空中洒水或化学灭火剂（含阻燃剂）抛洒、防火隔离带开设、防火线点烧、人工降雨、火场应急救援、灭火物资运送、后勤物质补给、防火传单和其他宣传品空投、“移动航站"前方指挥保障、火场信息采集等多种消防任务。当森林发生火灾时，消防无人机集群可轮番对着火区域投掷灭火弹或喷射灭火干粉，取得快速灭火的效果。 ■