无人机遥感技术在自然保护地生态资源保护监测中的应用——以甘肃某地为例

张　斌

无人机遥感技术在自然保护地生态资源保护监测中的应用——以甘肃某地为例

张斌

（甘肃博峪河省级自然保护区管护中心甘肃陇南746400）

随着科学技术的进步，无人机遥感技术已经被普遍应用在林业工作中，提高了生态资源调查与保护监测的效率和质量。文章分析了自然保护地在生态资源保护监测方面所面临的问题，介绍了无人机遥感技术的特点，分析了其在自然保护地生态资源保护监测中应用存在的问题及优势，以期通过解决问题、发挥优势，推动林业不断发展进步。

无人机；遥感技术；林业；生态资源；调查；保护监测；应用

甘肃白龙江插岗梁省级自然保护区（以下简称“插岗梁保护区”）地处青藏高原东北边缘，位于甘肃省甘南藏族自治州舟曲县境内，岷山山系北麓，迭山山系南缘，属于长江水系嘉陵江支流的白龙江中上游，与甘肃多儿国家级自然保护区、阿夏省级自然保护区相毗邻，构成了完整的生态系统和重要物种走廊。特别是插岗梁保护区的核心区域，属生物多样性富集地，森林资源丰富，是大熊猫等珍稀野生动物生活的主要廊道，人迹罕至。其因特殊的地理位置，在保护生态功能、生物多样性以及涵养水源等方面有着重要作用。林业资源保护是我国社会经济发展中的重要工作，对我国经济体系稳定运行和环境保护工作的开展都具有重要影响[1-2]。在信息技术、遥感技术、智能化技术融合利用水平不断提升的背景下，无人机遥感技术在林业资源保护与监测中所起到的作用不断提升。基于此，文章简要阐述无人机遥感技术概念，对其在林业资源保护与监测中的具体应用进行分析，明确无人机遥感技术在实际应用中存在的不足，并对无人机遥感技术在林业管理方面的应用前景进行分析。

插岗梁保护区的管理机构是甘肃白龙江插岗梁省级自然保护区管理局（以下简称“插岗梁保护局”），全局总经营面积194.1万亩，有林地面积161.7万亩，自然保护区面积124.7万亩，森林蓄积量为809.3万m3，森林覆盖率为63.22%。主要负责环境与资源监测、自然环境和自然资源保护，自然保护区内的森林防火、林政执法、禁种铲毒、林业有害生物防治和检验检疫以及科学研究和宣传教育等工作。目前保护区内现代化科技辅助设备应用相对滞后，仍以人力巡护为主，现有海康UAV-MX10B无人机 2架，已在禁毒、防火等实际工作中发挥出了积极作用。

1 自然保护地在生态资源保护监测方面所面临的问题

1.1 地理条件恶劣

插岗梁保护区属西秦岭构造带陆地地貌中的中、高山地貌类型，西北高，东南低，海拔在1 700 m～4 504 m，相对高度差2 804 m。保护区内重峦叠嶂、沟壑纵横、植被茂密、地形复杂，部分地段岩石裸露、断崖林立、山沟狭窄、水流湍急，有些地方仅靠汽车和人力根本无法到达。

1.2 巡护难度大、效率低

插岗梁保护局人均管护面积达3 500亩，且大多数地域为山地和丛林，日常巡护难度非常大。有些林班距离驻地达30余km，巡护队伍全程基本上只能靠步行，往返一趟有时需要2 d～3 d，巡护人员常常超负荷工作，体力消耗快，中途补给困难，巡护效率低，周期长。

1.3 人力巡护存在安全风险

巡护安全风险主要表现在巡护途中如遇暴雨、雷雨等恶劣天气，遭遇小范围洪水、泥石流、塌方、落石和落雷风险就较大，会给巡护人员带来安全隐患。随着对自然保护地保护措施的不断更新和保护力度的不断加大，保护成效日渐凸显，保护地内亚洲黑熊、狼等野生肉食动物族群增加，日常巡护中巡护人员遭遇野生肉食动物攻击的风险也日渐增大[3-4]。

1.4 人力巡护不适宜在自然保护地核心区开展

中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于在国土空间规划中统筹划定落实三条控制线的指导意见》指出：“生态保护红线内，自然保护地核心保护区原则上禁止人为活动”。巡护工作虽然在自然保护地保护工作中起着关键性作用，但或多或少也会给自然保护地尤其是核心保护区的生态环境带来一定的外在影响，有违国家划定生态保护红线的初衷。

1.5 森林防火面临诸多挑战

纵观近年来国内外防火形势，森林火灾范围大、势头猛，澳大利亚和美国相继爆发超大规模森林火灾，人民群众生命财产安全和全球生态安全遭遇到有史以来最严厉的考验。四川凉山州连续两年发生森林火灾的惨痛教训，令人扼腕叹息，痛定思痛，深究其根本原因还是由于发火点的位置难以及时掌控，等发现火灾时，火场已形成规模，大火已无法控制。以往在开展林业监测工作时，会在原有调查资料的基础上，进行室内判读工作，再根据调查需求进行实地调查。然而，受森林内部地形和环境的影响，调查人员无法准确获知森林实际情况，卫星遥感技术虽然可以帮助调查人员解决这一问题，但其受天气影响较大，导致拍摄的图片分辨率较低，不能真实反馈森林情况。因此，调查人员可以根据实际调查需求，合理使用无人机，借助无人机在复杂的森林内展开对地形和环境情况的调查，可以在无人机上装载高清摄像设备，在较短时间内进行森林图片的拍摄，为调查人员进行森林实际勘查提供精确的图片信息，不但保证了森林信息获取的准确性，而且提升了森林调查的工作效率，保证了调查人员的安全，在提高森林资源各种数据的精确度、各类小班区划的准确性等方面都具有重要作用，为科学经营森林资源提供了依据，为林业发展和生态建设的科学决策提供了更精准的数据支持。

2 无人机遥感技术的特点

随着无人机在各行各业的持续应用，各行业根据自身使用需求，不断对无人机遥感技术进行完善，促进了无人机遥感技术的多元化应用与发展。无人机遥感技术具有以下特点：一是采集的影像分辨率高。相比卫星遥感技术，无人机遥感技术受外部因素的影响较小，在影像采集过程中实现了高分辨率，为各行业进行监测、治理提供了重要依据。二是智能化程度高。无人机借助无线遥感技术和程序控制装置进行操作和应用，实现了操作运行自主化，有助于工作效率的提升。三是运行性能稳定[5]。无人机具有良好的环境适应性，气压、高度、风力等外界因素对无人机的影响较小，在协助各行业开展工作的过程中，主要是借助其稳定性的特点，满足各行业的使用需求，为各行业工作的开展提供便利条件。因此，无人机遥感技术在林业中的应用，为林业资源调查、林业管理、林业防火和林业病虫害防治工作的开展提供了重要帮助。

3 无人机遥感技术在自然保护地生态资源保护监测中应用存在的问题

3.1 续航时间短，抗风能力差

小型无人机普遍存在续航时间短、抗风能力差的问题，这也是小型无人机不能在高海拔地区推广的主要原因之一，高海拔地区频繁变换的小气候，以及山体间空气流动产生的涡流，对小型无人机来说是致命的，基本不具备飞行所需条件。目前市面上大部分小型无人机续航时间仅有20 min～30 min，抗风能力仅为3～5级，在高海拔地区使用时必须是晴朗且无风的天气，还需要携带多组电池以备不时之需，同时，无人机包装箱巨大、沉重，只能依靠人力背运到指定地点，使用条件苛刻、制约因素多是致使小型无人机不能在高海拔地区推广的另一个重要原因。但就笔者目前了解的情况来看，此类问题并不能制约无人机技术在高海拔地区的普及和应用，有部分燃油动力无人机续航时间可达到5 h～8 h，甲醇电池动力无人机续航时间可达到12 h。同时，这些无人机的抗风能力可以达到6～8级，在晴天和正常风速的情况下，能够完全满足高海拔地区的巡航需要。

3.2 数据同步差，无线信号传输存在盲点

无人机监测到数据后，需要实时传输到地面工作站，地面站与无人机之间的数据传输是通过数据链实现的，同时还具备遥控、遥测和跟踪定位的功能。在4G网络时代，这类问题解决起来的确比较困难，但随着我国5G技术的普及应用，数据传输将会有质的飞跃，H.265以及5G技术的出现，不但可以实现无人机的远程精细操控、飞行数据安全保障、数据传输更快捷等，而且赋予无人机更多的应用空间和发展前景。高海拔林区由于人烟稀少，很多地方存在死角和盲区，无法做到通信网络信号全覆盖，但是随着我国北斗卫星民用波段的启用，无人机完全可以采用北斗卫星导航+光伏中继站组网的模式实现作业区无线信号全覆盖[6]。

3.3 无人机资金投入问题和专业技术人员培养问题

在技术上，无人机监测设备正在向小型化、轻型化、集成化发展，在不久的将来，随着无人机技术的普及和应用，无人机在价格方面将会持续下降至合理区间。与此同时，无人机将变得更加智能化、专业化，但在操作使用和后台软件应用方面将更简捷化、人性化。目前我国有多家无人机驾驶培训机构，技术人员只需要一个月的时间就可以掌握无人机驾驶技能，取得相应机构颁发的无人机驾驶许可证书。在对技术人员进行短时间的后台数据处理软件培训后，相关人员能够较为快速地掌握相应的操作和使用技能。

4 无人机遥感技术在自然保护地生态资源保护监测中应用的优势

4.1 利用无人机开展巡护更加便捷

无人机具有操作简便、体积小、机动性强等优点，在茂林深处、悬崖崖顶等人迹罕至的区域，无人机速度快、机动性强的优点越发凸显，在这些地方开展人力巡护往往要动用大量人力，进行拉网式排查或巡回式复查，尤其是高海拔地区，空气中氧气含量较低，巡护人员血氧不足更容易消耗大量的体力，同时，林内视线较差，肉眼难以发现被树林、竹林遮挡的区域。使用无人机中低空飞行巡护，不仅不需要出动大量的人力，同时还会比人力巡护的效果更好，效率更高。如无人机搭载的光电吊舱具有红外线测温、测距、风速风向测定等功能，在群山深处、茂林之间可迅速捕获森林火灾发火点位置，获取火焰温度、过火面积、地理坐标等信息，通过后台处理软件对火场数据进行详细分析，可准确测算火灾蔓延方向和速度，为防火指挥赢得宝贵时间。一些无人机还具有预定航线设定功能，可提前设定航线和飞行高度，在目标区域上方进行巡回飞行，在完成飞行任务后，无人机还可以自动返航至起飞点，具有用时少、周期短、精准度高、数据采集快等优点。这类无人机只需要设置好安全飞行高度，并在制高点设立几个信号中继站，就可以实现无线信号互传、无人机自主飞行，同时还可以避免高海拔地区山体间的不规则扰流对无人机的干扰，以及在茂林中因视线不好，引起误操作造成无人机坠落[7-8]。

4.2 利用无人机获取信息更加精准

无人机搭载的数据传输设备可在野外与飞行器驾驶员进行交互，按飞行器驾驶员发布的指令获取目标信息，同时还能实现地位坐标定位、目标锁定的功能，将采集到的影像、照片实时传送至飞行器驾驶员。搭载热成像设备的无人机，在可视范围内能准确识别发热源，只需要通过对拍摄图像进行比对分析，就可以准确找出隐藏在群山之中和茂林深处的野生动物和人，通过色温分析，还可以了解到动物热源体是健康、患病还是濒死状态。这类无人机可用于自然保护地内禽类、哺乳类野生动物活动情况和生活环境调查，也可以用于调查自然保护地内人类活动情况。近几年以CMOS为代表的图像传感器日渐成熟，使高分辨率的数码相机成为无人机在保护监测中的重要武器。而随着传感器不断向大面阵、多光谱、数字化方向发展，可有效提升航拍精度。搭载高清摄像头的无人机，可清晰拍摄出可视区域内的所有目标，也可以通过放大功能拍摄到目标细节，这类无人机可用于目标区域调查、可疑目标侦察、第一现场定位等。无人机相配套的后台数据处理软件可以对拍摄的高清照片进行大数据分析，可以方便地绘制出航线图、林相图、地形图等，其中光谱分析软件可以有效甄别毒品原植物，也可用于甄别野生珍稀植物、林分调查、病虫害监测等。

4.3 利用无人机可以更好地监测生态环境

无人机可以在空中立体飞行，拥有绝佳的监测视角。通过无人机的巡查可以获得宏观的监测数据，同时后台可实时拼接无人机影像，形成直观的正射图，便于发现异常情况。针对环境监测的不同需求，需要不同的机载环境监测传感器，如面向水环境、大气环境监测的各种热红外成像仪、轻型红外航扫仪、红外扫描仪、微波辐射计等，以及粒子探测仪、差分吸收光谱探测系统、电化学类气体监测设备等等，选择类型多样，可满足各种不同的需求，也可以通过无人机供货商的个性化定制，使之更贴合实际工作需求。尤其是在高海拔地区利用无人机系统，可以对目标区域进行全天候、高频次的环境及资源监测，从而更好地维护好保护区的自然生态环境[9]。

虽然从目前来看，我国无人机在环境监测领域的应用尚处于初期阶段，很多监测传感器有待于进一步开发，一些新型实用功能也有待进一步完善，但我国已经提出了建立一体化环境监测网络体系的构想，提高数据分析自动化将成为无人机在环境监测领域应用的重要方向，实现无人机在多个环境监测领域的自主应用已不再是发展难题。以无人机技术和“森林眼”为基础构建的全自动环境及资源监测系统，可有效加快高海拔地区的现代化建设进程，更好地推进自然保护地生态资源的监测、保护及利用。

5 结语

无人机遥感技术的快速发展给林业工作人员开展自然保护地生态资源调查与保护监测工作提供了极大的便利，可大幅提高工作的效率和质量，同时在保护森林生态资源方面也将发挥很大的作用，其借助高清晰度的影像拍摄以及实时监测，使资源信息的准确性得到大幅提升。然而，当前在生态资源调查与保护监测工作中，无人机遥感技术的应用还有很大的不足，有关人员必须要结合工作实际进一步加强研究，提高无人机遥感技术的应用水平，更加高效地开展资源调查与保护监测工作，为林业的持续健康发展奠定良好的基础。

[1]荣泽山,王爱博.无人机遥感技术与GIS数据处理在林业系统中的应用[J].吉林农业,2019(17):100.

[2]林阳.无人机遥感技术在林业资源调查与监测中的运用[J].林业科技情报,2019,51(3):28-30,33.

[3]臧进勇.无人机遥感技术在林业中的应用[J].农家参谋,2019(10):130.

[4]尤俊荣.无人机遥感技术在林业资源调查与监测中的应用[J].现代园艺,2020,43(10):109-110.

[5]地力夏提·包尔汉.无人机遥感技术在林业资源调查与监测中的应用[J].广东蚕业,2021,55(5):111-112.

[6]聂丽.无人机遥感技术与ArcGIS数据处理在林业系统中的运用[J].南方农业,2021,15(26):43-45.

[7]东国玲.无人机遥感技术在林场管理中的应用[J].广东蚕业,2020,54(6):77-78.

[8]徐炳龙.浅谈无人机技术在林业调查工作中的应用[J].南方农业,2020,14(18):71-72.

[9]李志美.无人机在林业调查中的应用探索[J].绿色科技,2018(21):153-154.

10.3969/j.issn.2095-1205.2022.01.48

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2095-1205(2022)01-142-03

张斌（1977- ），男，汉族，甘肃镇原人，本科，林业助理工程师，研究方向为林业技术。