浅析无人机在森林火灾类型评估工作中的应用

崔明,王培，孔英剑，赵建普

（河北省林业和草原局,河北石家庄 050051）

森林火灾是指失去人为控制，在林地内自由蔓延和扩展，对森林、森林生态系统和人类带来一定危害和损失的林火行为。森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。森林火灾发生后，特别是火灾扑灭后对于火烧迹地的森林资源损害情况进行第一时间的调查和测量,是目前林业调查评估工作中一项危险而艰巨的任务。但以最快的速度搞清森林过火面积、森林受害面积、蓄积以及受害林木种类等基础资料数据，是尽快恢复森林火灾发生区域植被及周边环境生态的首要工作。《森林火灾成因和森林资源损失调查方法》（LY/T 1846—2009）中规定，火烧迹地的受害森林面积采用罗盘仪、经纬仪、GPS 接收机进行测量，特别重大森林火灾可以借助飞机进行测量。现行调查方法由国家林业局于2009年颁布实施，距今已有十余年之久。方法中提及的飞机为通用载人航空器。虽然飞机的应用可以在大面积测量中提高工作效率，但是飞机租赁费用、机场管理费用高昂，空域申请流程复杂，对火烧迹地上空云层厚度的要求也相对较高。如果采用人工调查方式对火烧迹地的受害森林面积进行实地测量，工作进度比较缓慢，而且森林火灾多发于植被盖度大、枯枝落叶层厚的山地和丘陵地区。林业调查人员携带多种测量设备在这些岩壁陡峭、沟壑纵横的地区进行工作存在严重的安全隐患。日渐兴起的无人机遥感测量技术恰好能弥补采用人工或通用载人航空器方式测量受害森林面积的不足[1]。

“无人机”又称无人驾驶飞机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机具有体积小、造价低、使用方便的特点，现已被成功应用于快递包裹收送、电影电视航拍、远程监控巡逻、自然灾害救援、农药化肥喷洒等各行各业。随着科技的发展，越来越多的新型行业寄希望用机械化、自动化取代传统的人工作业方式。测量测绘行业更是如此，以往进行的测绘测量工作，通常需要大量人员进行地面测量，获取高精度数据。此过程不仅费时费力，其测量结果还高度依赖于测量员的责任心和经验，甚至当地的温度、天气、海拔、卫星信号状况、地形地貌条件都会对结果造成影响。伴随计算机技术、通信技术、无人机制造技术以及高性能传感器研发水平等新型尖端学科交叉融合形成的无人机遥感测量技术不断发展，传统的人工测量方式逐步可以被取代，测量结果同样能够满足精准测量测绘工作的要求。因此，通过无人机遥感测量技术测量森林火灾受害面积，进而确定森林火灾类型评估工作成为可能。

1 工作原理

无人机遥感测量技术是以无人机为空中平台，利用机载航空取景器获取影像信息，后期用计算机对影像信息进行处理，并按照一定精度要求制作成图像。通过地理信息软件对影像进行矢量化解译，从而得出所需测量面积、体积、高程等的各种数据[2]。

2 工作步骤

2.1 前期准备

在无人机遥感测量工作进行之前需要确认操作人员资质、空域批准手续等相关飞行许可是否完备；无人机及机载航空取景器各部件性能是否正常；无人机配套电池的数量和电量是否足够；飞行控制器、中继天线、备用桨叶、起飞毯等附件是否齐全；火烧迹地所在区域的地形、地貌、天气状况资料是否完整；选择火烧迹地区域和周边区域明显的标志物作为地面控制点，方便后期校正数据；根据火烧迹地周边地物的疏密程度、地势起伏及坡度、坡位、坡向等环境因素，选取最佳起飞点和着陆点[3]。

2.2 航线规划

在森林火灾受害面积测量工作中，航线规划是最重要的基础工作。通常根据火灾发生前所在地的卫星影像，结合森林资源规划设计调查小班数据确定火烧迹地范围，以所需测量区域外围边界向外延伸一倍航高作为无人机实际测量范围，并根据所需分辨率要求设定飞行航高。为保证测量结果精确性的基础上最大限度地减少照片拍摄的数量，进而减轻后期数据处理的工作量，通常设定机载航空取景器在飞行航线方向拍摄照片的重叠率为70%，每条航线间重叠率为60%，但根据森林火灾发生地乔木、灌木及草本植物组成比邻的不同所展示的不同地物纹理情况，重叠率可以适当增大或减小。航线规划完毕后，上传至无人机检查无误后准备起飞。

2.3 飞行作业

在飞行作业之前需校准无人机磁罗盘、水平仪、空速计、风速计等电子传感器。因森林过火后地物色彩不明显，通常以灰黑色为主，所以飞行作业时间尽量选择在接近正午的时间段。此时阳光直射地面，地面物体阴影最小且光照强度较强，成图色彩分明。在日出到上午9点左右和下午3点左右到日落的两个时间段中，光照强度较弱且太阳高度角偏大，部分测区还可能碰到雾霾，这些情况可能导致采集到的照片匹配精度差，纹理模糊且亮度较低，进而影响成图效果。无人机在飞行过程中要时刻注意航向、航速、航高、信号强度等飞行参数，以便及时发现问题及时处理，避免造成无法挽回的后果。

2.4 数据处理

飞行作业完成后将机载航空取景器采集到的单张照片进行拼接生成火烧迹地及周围区域的栅格数据。该步骤可通过Pix4D,PhotoScan，CC等专业图像处理软件完成。步骤依次为按要求将单张照片，pos 数据导入所用图像处理软件，然后选择所需的地理、投影坐标系并设置采集照片所用取景器的拍摄参数，接着通过软件由计算机对所有导入数据进行初始化处理，处理完成后导入先期固定的地面控制点，将实际地面控制点与照片中的点进行匹配，最后再由软件计算拼接成图。

2.5 结果判定

森林火灾受害森林面积调查采用遥感影像判读法，分别统计各类受害程度林地的面积。数据处理完成得到栅格影像后，可应用ArcMap等地理信息软件对影像特征明显的区域，直接确定地类、树种和林木受害程度，对影像特征不易区分的地类和树种，对比前期准备的该区域卫星影像，参考森林规划设计调查成果，确定地类、树种和林木受害程度，并对实际过火与非过火区域进行勾绘，分割合并整理后根据森林在单位面积内被烧毁或烧死的株数在30%以上或者幼林在单位面积内被烧毁或烧死的株数在60%以上的情况，该单位面积计算为受害森林面积的要求，通过软件计算实际的森林火灾受害面积。并按照受害森林面积和森林火灾造成的伤亡人数，把森林火灾类型确定为：一般森林火灾、较大森林火灾、重大森林火灾和特别重大森林火灾。

3 技术优点

3.1 性价比高

现在市场上的国产测绘无人机的价格根据续航能力和成像效果不同大约从几万元到二三十万元不等，性价比出色。除极个别不可抗力因素外，无人机正常使用过程中不易损坏，也不存在其他额外使用费用，且各大保险公司已经开展无人机保险业务，能帮助用户更好规避风险。

3.2 方便运输携带

无人机翼展或长边长度一般不会超过3 m，并可以方便地安装和拆卸。在测量测绘工作中，只需将拆解后的无人机装入“皮卡”、“面包”等常用车辆中，即可将操作人员和设备同时运送到森林火场周边。到达火场后，操作人员在短时间内就可以完成测绘无人机的组装和调试，进入工作状态。

3.3 无场地要求

采用垂直起降的固定翼无人机或者多旋翼无人机，对起飞场地要求较低无须跑道，仅需极小范围平坦场地甚至汽车车顶即可完成起降作业，对于常发生于恶劣地理条件的森林火灾受害面积测量工作来说极为方便。

3.4 成像清晰

测绘无人机采集图像的分辨率在取景器确定的情况下由飞行高度决定[4]。针对火场受害森林面积调查工作，飞行相对高度一般采用100～300 m，成像精度最高可达5 cm/px,并且此高度决定了云层厚度基本不会影响成像质量。照片经过后期图像处理矢量化后，通过地理信息软件可以精确计算出受灾面积，满足森林火灾受害面积调查的需求。

4 总结与评价

随着国家近年来持续大规模推进国土绿化行动，森林资源总量快速增加，并且全国天然林商业性采伐已全面禁止，导致林下可燃物积累加快。原国家林业局于2017年组织召开的大兴安岭1987“5·6”森林大火30周年座谈会上指出：1988年以来，全国年均发生森林火灾7 082起、受害森林面积73 000 hm2。从国家林业和草原局公布的森林资源状况来看，全国中幼林所占比例高达65%；而且多为自身抗火能力较差的纯林；加之郊游、祭祀、放牧等人为活动频繁，导致森林火灾的发生呈现出多发性、突发性和分布零散性等特点。

虽然森林火灾防灭火体系建设不断推进、火灾预警能力持续增强、灭火手段更加丰富、灭火能力明显提升，但森林火灾发生后对于损失的评估及面积的测量方式仍略显低效。目前无人机遥感测量技术应用于森林火灾类型评估工作尚待摸索阶段；各类技术标准、具体技术参数还在逐步完善之中，缺乏规范化的工作方案和流程；各种无人机硬件和操控软件对于林业工作特别是森林火灾方面的应用针对性不强，缺乏对于火烧迹地图像对比度优化、航线规划、无人机抗烟抗热处理等硬性标准的优化[4]。希望通过无人机对森林火灾类型评估工作的不断实践，逐步摸索出完备的操作流程和数据处理方式，替代传统人工调查作业，降低林调队员的工作强度和工作风险。