我国林草无人机的发展研究

王凡雨，雷永杰，蒋鹏飞，张 彬，冯海韵，周建波*

(1.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.国家林业和草原局林业机电工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086；3.国家林业和草原局林业装备工程技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086)

1 林草无人机的定义

1.1 林草无人机产生背景

林草资源作为一种长期的可再生资源，直接关系到我国的生态环境与林草产业发展，据国家林草局统计，截至2020年，我国的森林覆盖率达23.04%，森林蓄积量超过175亿立方米，草原综合植被覆盖率达56%[1]。传统的林草资源管理主要依靠人工。全国2.37万个乡镇林业站中，拥有交通工具、通信设备和计算机进行辅助作业的分别占36.09%、61.34%和74.63%[2]，信息化、智能化程度不高，技术水平低，而人工作业存在时效性低、覆盖面窄、成本高、工作强度大、危险系数高和易受天气地势影响等问题，难以满足林草资源的现代化管理要求[3]。林草无人机作为一种现代化多功能飞行平台，为林草资源管理和产业发展提供了一种高度集成的一体化、智能化作业工具，在林草资源管理与保护等多个方面发挥广泛应用。本文将针对林草无人机的发展与应用进行分析，指出应用中存在问题，并提出相关建议。

1.2 林草无人机的概念

无人机全称为无人驾驶飞机，是一种利用远程遥控或沿既定航线飞行的无人驾驶飞行器[4]。无人机从应用领域上而言，可以分为民用和军用无人机[5]，其中无人机最初的应用为军用中的侦察机[6]。随着无人机技术的飞速发展，无人机被广泛应用于电力巡检、农业生产、林草保护管理等领域。

林草无人机(Forestry and Grassland Unmanned Aerial Vehicle，简称“FGUAV”)是无人机在林业与草原领域中的应用，是一种结合遥感及传感器技术，通过软件程序控制，搭载多功能平台，适应并满足林草作业环境及航空作业需要的无人驾驶飞行器。

1.3 林草无人机的分类

根据无人机在林草行业的不同应用领域，可以把林草无人机分为林草监测无人机、林草植保无人机、林草特种无人机、林草运输无人机。

(1)林草监测无人机。为了对林地及草原进行实时监测管理，结合遥感监测技术、智能跟踪技术、神经网络识别技术的林草监测无人机，主要包括林草火情监测与灭火无人机、生物资源及多样性监测无人机、病虫害防治监测无人机、林草国家公园管理监测无人机等。

(2)林草植保无人机。用于森林草原植物保护的无人驾驶飞机，主要有精准植保喷药无人机、草原投饵无人机等。

(3)林草特种无人机。为了实现林草产业复杂环境的特殊需要，进行花粉精准喷洒、果实机械化采收作业的无人机，主要有林木授粉无人机、果实采收无人机等。

(4)林草运输无人机。为满足林地山地等复杂地形空中运输作业需要的林草无人机设备，主要有木竹材运输无人机、林果运输无人机等。

2 林草无人机的应用

随着电子信息技术的突飞猛进，林草无人机将智能遥控、遥感监测、图像识别、大数据处理、互联网关联等技术应用于林草资源管理保护及产业发展，构建了无人机在林草行业中的应用系统，主要包括森林病虫害监测与防治、森林防火、野生动植物监测、森林资源调查、森林精准植保、林木授粉等领域。

2.1 林草监测无人机的现状

(1)林草监测无人机在森林防火中的应用。森林火灾是我国主要林草灾害之一，据我国应急管理部发布消息显示，2021年我国森林火灾发生共计616起。2022年第一季度，全国共发生森林火灾103起[6]，草原火灾9起[7]。由于林草复杂的地理环境，人工火情监测覆盖率低、时效性差，卫星监测精度不足，难以满足实时监测、及时汇报、精准救灾的要求。林草无人机搭载高光谱摄像机、雷达定位系统、空中遥感传输等装置，实时记录林草火灾的信息、处理反馈有效信息参数，实现林草火灾的空中全时监测工作。

张增等[8]研发林草无人机遥感图像的边缘检测系统，利用林草监测无人机机动性强、时效性高、航行稳定、图像采集精准的特点，实现对林草监测无人机高空火灾图像的特征提取和识别，对森林火灾的识别率达89.2%。马瑞升等[9]对林草火灾烟雾区进行目标监测，以烟雾的RGB值作为分类标准，开发了结构化、智能化的林草火灾监测系统。实现火灾烟雾的自动识别、无人机飞行数据保存、火情图像显示、可视化人机交互、火灾范围估算等多功能集成，对火灾烟雾的识别率可达70%以上。

(2)林草监测无人机在生物资源及多样性监测中的应用。林草动植物资源是林草资源的重要组成部分，保护生物多样性是保证生态系统可持续发展的关键因素。王芳等[10]研发的亚洲象监测无人机，利用林草无人机视野范围广，安全系数高和可夜间作业的优势，对野生亚洲象的数目以及分布进行监测，弥补了人工考察风险性高、遗漏严重的问题，实现对林草生物的数目、分布情况、种群个体、活动轨迹的实时监测。刘方正等[11]开发的一种生物多样性考察林草无人机，通过图像增强技术，针对三江并流世界遗产地的自然环境进行识别林冠数目及环境差异分析，为景观格局的分析计算提供支撑，实现对自然保护地生物多样性的管理保护工作。

(3)林草监测无人机在林草病虫害防治中的应用。病害虫害是危害我国林草生产的主要因素之一，对我国林草经济产生一定影响的病虫害种类高达300余种[12]。传统的人工地面监测，是利用病虫害的趋光性对其进行监测防控，工作强度大、范围小、监测效果差。张军国等[13]研发的林业虫害航拍无人机，采用八旋翼无人机搭载高光谱摄像机，结合复合梯度分水岭切割算法，实现了对林地虫害信息实时、高效采集和处理。兰玉彬等[14]利用林草监测无人机对低空的柑橘黄龙病株进行高光谱图像拍摄分析，其对样本的辨识精度高达94.7%，有效提高管理和生产效率，降低果园种植成本和损失。

(4)林草监测无人机在国家森林公园管理与开发中的应用。谭金石等[15]利用复合翼无人机航时长、采集效率高、起降方便的特点对岭南国家森林公园进行三维图像采集与重建，实现对森林资源、荒漠化和沙化土地、森林灾害等信息的实时监测。刘乾飞等[16]利用无人机对山西太行洪谷国家森林公园进行图像采集与三维重建，并设计三维模型的查看软件。为国家公园森林、土地资源的管理和检测提供了更为精确及全面的信息，也为国家森林公园相关的旅游行业提供了便利的信息获取方式。

如图1所示，林草监测无人机的应用。

图1 林草监测无人机的应用

2.2 林草植保无人机的应用

(1)林草植保无人机在植保施药中的应用。林草植保是林草产业发展的重要环节，人工植保工作强度大、成本高、危险性高、效率低，传统人工植保作业费用约为每人900～1 200 元/hm2，是无人机植保的8～10倍，效率约为每人0.2～0.27 hm2/h，不到植保无人机作业的十分之一，因此植保无人机在林草的病虫害检测以及农药喷洒中逐渐取代传统的人力劳动。徐兵强等[17]针对枣树中枣瘿蚊和截形叶螨的病虫害问题，利用林草植保无人机进行空中施药，效率为传统人工高压水枪喷雾作业的12.56～16.2倍，可节省水量1 485～2 227.5 L/hm2，有效提升了林草植保作业效率。朱晓峰等[18-19]针对核桃树中核桃黑斑蚜和黄刺蛾的病虫害问题，利用植保无人机进行低空施药，作业效率可达13.5～20.25 m2/s，每日作业量达19.44～29.16 hm2/台。

(2)林草植保无人机草原投饵中的应用。草原鼠害是阻滞草原可持续发展的难题，投饵是处理草原鼠害问题的重要环节。柴哲明等[20]针对草原鼠害问题，研发林草无人机遥感和烟熏捕鼠智能化系统，实现草原鼠洞识别及鼠害处理的智能化作业。李海军[21]针对复杂草原地形投饵困难问题，研发草原投饵无人机，实现林草无人机夜间作业、精准投饵，最高投饵效率为4.9 kg/min，是人工背负式投饵的49倍，悬挂式投饵机的5.4倍。

2.3 林草特种无人机的应用

林草特种无人机的应用主要包括林木授粉及林果采收等。传统的林木授粉方式以蜂蜜授粉、人工辅助抖粉为主，工作效率低、成本高、坐果率低。程建斌等[22]应用林草无人机喷洒液体花粉，对薄壳山核桃进行辅助授粉作业，利用林草无人机旋翼的风力扩散，提高了风媒花树种自身花粉及薄壳山核桃花粉的传播距离，相较于自然授粉，林草无人机辅助授粉下薄壳山核桃单果的果质量、核质量、果仁质量分别提高12.02%、5.98%、5.49%。王邦富等[23]针对杉树雌雄同株的问题，利用林草无人机授粉作业，通过控制林草无人机授粉高度、飞行速度，杉木坐果率达65.7%，比人工辅助授粉提高46.0%，比自然授粉提高117.5%。雒鹰等[24]研发的红松果采摘无人机，利用MCU控制，以切锯方式进行红松果及枝条采摘修剪作业，相较于传统人工采摘方式，安全性高、作业灵活，实现智能化采摘修剪。

2.4 林草运输无人机的应用

林草运输无人机的应用主要包括木竹材运输、林果运输等。传统的木竹材与林果采摘运输以人工及陆地交通运输为主，人工作业工作强度大、风险性高，生产环境复杂，陆地运输难度大，易受陆地植被、地面坡度、土地状况等因素影响。开发利用无人机空中运输，采用重载无人机进行原木及果实运输，可以有效解决高海拔山地地区运输难、风险高等问题，现已有大载重工程无人机在高海拔地区进行工程材料运输应用。如图2，利用大载重林草无人机进行空中木竹材及林果的运输作业，降低运输难度与运输风险，提高运输效率，实现林业运输的航空化作业。

图2 林草运输无人机

3 林草无人机现存问题及建议

针对复杂的林草作业环境，高精度的林草作业要求，林草无人机仍存在续航能力弱、环境污染严重、易受风速影响、管理规范缺失等局限性，需要在考虑经济、环境等因素的影响下，对设备续航，平台硬件，软件程序、算法系统、管理模式以及规范操作上进行创新和完善。

3.1 林草无人机发展中存在的问题

(1)林草无人机的续航能力弱，通讯距离有限。我国林地多为大规模山地、丘陵地区，受环境和现有无人机作业载荷影响，单台无人机可作业范围小、留空时间短，难以长时间、高精度作业。同时受限于林草无人机与控制台的通讯距离，现有的林草作业无人机难以适应大面积、大范围的林地草业调查和监测任务。

(2)林草无人机高空作业条件恶劣，受环境影响较大。我国林地环境复杂，林区气流极不稳定、气候变化复杂[25]。在实际飞行中，受气流、风向影响，无人机平台会产生倾斜、颠簸和晃动，对林间精密测控带来挑战，当外界环境变化剧烈时，无人机甚至会有遥控失灵，飞行设备坠落的危险。因此，目前在复杂林地进行长时间无人机作业的条件还不成熟，无人机系统的稳定性亟需提升。

(3)林草无人机冠下作业复杂，路径规划难度较大。在进行林分信息测量，或遇到树冠分布较大较密的情况时，无人机需进行冠下作业。林间植物的无序生长、野生环境下动物的不规则活动，容易干扰无人机按既定路径飞行，无人机需要随时对周围环境进行判别分析，这对无人机系统的环境感知、信息及时处理和路径规划提出了极高的要求。

(4)载重型林草无人机技术薄弱。林草领域的重载运输无人机应用较少，近年来，我国每年竹采伐量在12亿根以上，桉树木材年采伐量在3 000万m3以上，我国特有经济林果油茶年产量达72万t，在木竹材和林果运输环节，由于载荷通常仅有数十至数百公斤，传统人工运输劳动强度大、陆地运输设备上山难度高，小型无人机无法承载，现行大型载重无人机应用成本较高，基础设施不匹配，对起降环境的要求较高，不能适应山林地的复杂环境。因此无人机空中运输作业处于起步阶段，大载重、长距离、高海拔林草业运输无人机设计研发实例少，技术薄弱。

(5)林草无人机管理落后，制度标准滞后。林草无人机以林草作业为主，缺少相关的管理规定，使用主体为林草生产一线、农民群众，缺乏系统化、专业化管理与培训，存在不规范使用的问题。林草无人机的使用范围以及类型规定缺乏相关标准[26]，尤其是针对林草无人机及其操作方法所带来的风险，进行相关标准的制定修订亟待推进。

3.2 发展林草无人机的建议

针对无人机在林草应用领域中所存在的一系列问题，满足林草作业需要，对发展林草无人机提出以下建议与展望。

(1)提升无人机续航，降低能源消耗。利用无人机远程激光充电技术，目标识别特征提取技术实现无人机远程充电，提高能量转化效率；采用油电混合的能源驱动[27]，改善能源消耗方式；针对多轴旋翼无人机，开发多相充电技术。提高无人机电池效率的同时，开发新型充电技术，提升无人机在林草作业的续航能力。

(2)优化算法设计，提升识别精度。提高林草无人机传感器、控制器等硬件精度，融合智能化软件程序及算法设计，实现多目标、动态目标的智能识别，复杂对象运动轨迹的跟踪预测。采用无人机编队[28]，无人机结构仿生设计[29]，降低无人机与林草动植物的相互影响，提升林草无人机的作业精度。

(3)改善作业模式，减少安全隐患。采用多线控制，跟踪无人机飞行路径，采取手自一体的控制模式，提供保障着陆安全的机械控制，减少无人机失控的风险。采取无人机编队巡检以小型无人机监测大型林草无人机作业的方式进行森林巡检，提高对无人机作业的监测效果，改善控制情况，降低能源消耗和作业风险。

(4)拓宽应用领域，开展项目研究。开展载重无人机在林草行业的研究，进行跨领域学习及多平台协作，参考大载重物流无人机的设备结构和控制系统，研发适应林草地形下的林草运输无人机，提高林草运输效率，拓宽无人机应用领域。

(5)简化操作模式，增加人员培训。简化林草无人机的操作界面，采用简单便捷的UI设计。对操作人员安排相应的操作教学以及安全规范培训，了解林草无人机构造及使用规范，系统化、规范化作业。

(6)制定管理规范，提供政策支持。在实验室操作及实地作业的基础上，制定林草无人机安全操作规范，统一操作标准，提供相关法律法规支持。