多旋翼无人机在林业有害生物监测中的应用展望

王芳 何允清

摘 要：林业有害生物的发生与发展是一种长期积累的过程，防治林业有害生物的发生与发展是一项长期而艰巨的任务。随着科学技术的进步，无人机在林业有害生物监测中得到了广泛应用，这为林业有害生物监测提供了新的手段。本文介绍了多旋翼无人机在林业有害生物监测中应用的优点，综述了国内外在多旋翼无人机监测方面的研究进展，并对其发展前景进行了展望。

关键词：多旋翼无人机；林业有害生物；遥感技术

引言

我国的林业有害生物监测主要依靠地面人工监测，该方法费时费力，且难以覆盖大面积区域；传统遥感技术则具有成本高、效率低、空间分辨率低等缺点。无人机遥感技术具有快速、准确、成本低和效率高等特点，已经逐渐应用于林业有害生物监测中。无人机遥感技术通过搭载不同类型的遥感设备对目标区域进行成像，从而实现对目标区域的动态监测和对林业有害生物的实时监控。利用无人机遥感技术可以及时了解林业有害生物的动态变化情况，实现了对林业有害生物的动态监测。由于无人机具有较高的灵活性和稳定性，可对大面积区域进行实时监控，同时，无人机遥感技术还可克服传统遥感技术成本高、效率低的缺点，可用于大面积区域的林业有害生物监测，从而降低林业有害生物防治成本。

1无人机及其应用领域

1.1无人机

无人机属于一类无需人为驾驶远程控制的飞行器，主要通过提前设定好的飞行航线及自动化系统产生自主航行能力，通常情况下，无人机上大都装有自动驾驶仪器和遥测系统以及遥控系统、自动导航系统和着陆系统以及程序控制系统。

1.2无人机技术

1.2.1无人机航拍摄影

所谓无人机航拍摄影，实际上是指借助无人驾驶飞机当作空中平台，且基于机载遥感设备的应用，像高分辨率CCD数码相机、红外扫描仪、激光扫描仪和磁测仪及轻型光学相机等来获取信息，后运用计算机完成图像的处理工作，且又根据相应精度要求来完成图像制作过程。对于全系统来说，其优势主要体现在设计与优化组合方面，它是综合遥控、高空拍摄、遥测技术和视频影像微波传输、计算机影像信息处理等的一种新型应用技术。

1.2.2无人机遥感

无人机遥感技术当属无人机航拍摄影技术的一种，同时又属于无人机和遥感技术之间的结合体，灵活运用较之先进的无人驾驶飞行技术、遥感遥控技术及遥感应用技术，可以以最快的速度获取到空间遥感信息。另外，无人机遥感技术属于一种低空遥感技术，且这种技术在影像获取的过程中不会受到大气因素的影响，操作起来比较简单且地面分辨率高、应用成本也比较低，且获取影像的速度比较快，这些优势往往是传统遥感技术无法企及的。

2林业有害生物监测的重要性

林业有害生物具有繁殖速度快、分布范围广、危害严重等特点，一旦发生，将对森林资源造成毁灭性的破坏，必须及时开展林业有害生物的监测工作。通过对林业有害生物的监测，能够及时掌握其发生和分布状况，对病虫害的发展趋势做出预测，从而采取有效措施控制林业有害生物的发生与蔓延，为防治提供决策依据。目前我国已将森林病虫害监测纳入国家基本公共服务范围，并将其作为森林资源动态监测的重要内容之一。然而，目前我国的林业有害生物监测技术仍不够完善。随着无人机技术的发展和应用，无人机已成为森林病虫害监测领域不可或缺的技术手段之一。以无人机为代表的遥感技术具有快速、准确和成本低等优点。目前已经广泛应用于环境监测、资源调查、灾害评估、林业有害生物监测等领域，也被用于森林资源调查和森林防火等方面。由于无人机具有大范围、高效率和全天候等优点，因此其在林业有害生物监测中具有很大的应用潜力[1]。

3林业有害生物监测的现状

我国林业有害生物监测体系主要包括国家林业有害生物普查、全国重点病虫害普查和林业系统测报点三大类。我国林业有害生物防治工作深入开展，国家林业有害生物普查取得了长足进步，并在森林资源、生态环境、灾害预警、综合防治等方面发挥了重要作用。以松材线虫病为例，从1996年开始，国家林业局组织开展了松材线虫病调查工作。此后20年间，我国各地进行了大量的调查工作。在调查中应用遥感技术和地面调查相结合的方法，充分发挥遥感技术快速、高效、灵活的优势，对森林资源进行监测和评价。2007年10月8日至12日，国家林业局组织在北京召开了全国重点区域松材线虫病监测工作现场会。会议上充分肯定了近年来全国各地在松材线虫病的监测工作中采用遥感技术取得的成就，并强调今后要继续利用遥感技术在松材线虫病的监测中发挥重要作用[2]。

根据林业有害生物发生危害程度和发展趋势划分为重大、较大、一般3个级别的灾害。目前我国林业有害生物的防治工作以重大灾害为主。根据2021年全国林业有害生物发生情况，松材线虫病、美国白蛾、天牛等重大林业有害生物，在全国范围内的发生面积超过1亿hm2。由于传统的监测方法和手段存在成本高、效率低等不足，难以满足当前林业有害生物监测需要。遥感技术的快速发展，遥感技术在林业有害生物监测中的应用也越来越广泛。遥感技术具有获取数据量大、覆盖范围广、时效性强、成本低等优势，在林业有害生物监测中得到了广泛应用。

当下我国在森林病虫害监测和防治工作方面，具体采取的方法包括昆虫网诱捕、性引诱剂诱捕、黑黄灯诱杀、人工喷洒农药等方式。就在我国绿化面积不断增加的同时，因为受到气候影响的缘故，森林病虫害往往呈现出程度提升、面积增大之势，故在此应对大面积森林病虫害监测防治工作中，以往传统的人工监测和防治手段又表现得比较弱势。采取无人机喷洒药物和监测等方式可以进一步提高有害生物监测和防治水平，同时又能有效降低林业有害生物于森林资源造成的生态危害。时下我国一些地区也有运用无人机防治病虫害的，诸如勐腊县就充分发挥植保无人机的作用来监测防治县域内橡胶树病虫害，经实践表明，利用无人机喷洒农药1小时的量等同于两个工人工作一个月，这样就很大程度上提升了橡胶行业病虫害防治效率，同时也进一步提高了应对橡胶突发病虫害的反应速度。例如，山西省临县就取用无人驾驶植保机给管辖区域内的红枣树病虫害喷洒农药进行防治，并且收效不错。

4多旋翼无人机在林业有害生物监测中的应用

4.1能快速获取林业有害生物的位置信息

无人机飞行速度快、操作简单、机动灵活、能在空中进行各种复杂环境下的飞行。在森林监测中利用无人机可以快速地获取监测区域内的森林有害生物信息，以了解森林病虫害发生状况和危害程度。在森林有害生物调查中使用无人机进行森林病虫害监测与调查，不仅可以解决常规调查方法存在的局限性和人力物力不足等问题，而且能够准确快速地获得监测区域内林业有害生物的种类、数量、分布范围等信息。研究结果表明：利用多旋翼无人机进行森林病虫害调查与监测时，可以有效地获取林区内害虫和病害的空间分布信息。在对天津滨海新区大沽口湿地自然保护区进行森林病虫害调查与监测时，通过无人机对研究区进行了航拍和数据采集。结果表明：研究区内害虫主要分布在大沽口自然保护区内，主要危害树种为杨树，其次是柳树、杨树和柳树；病害主要分布在大沽口自然保护区内的大沽口林场[3]。因此，利用多旋翼无人机在林业有害生物监测中应用于森林病虫害调查时可以有效地获取林业有害生物在林区内分布信息。

4.2监测精度高，提高监测效率

与传统的航空调查方法相比，多旋翼无人机在林业有害生物监测方面具有以下优势：①具有较高的飞行速度和稳定性，从而提高了工作效率，减少了调查人员的体力劳动。②无人机遥感可以多角度、多方位地收集数据，避免了人工测量时存在的误差和人为误差，具有较高的测量精度。③无人机遥感可实时监测森林虫害动态，可以及时发现森林虫害并及时采取措施进行防治。④无人机遥感技术在林业有害生物监测中的应用可以大大降低人力成本，减少人力物力的浪费。

我国无人机在林业有害生物监测方面的研究主要集中在航空调查方法上，主要集中在调查参数获取和精度评定方面。航空调查方法主要包括航空摄影测量、遥感和地理信息系统等技术。其中航空摄影测量技术是最常用的技术手段。

4.2.1航空摄影测量

航空摄影测量是通过飞机平台，搭载摄影测量设备，沿飞行航线，对地面或空中目标进行航空摄影测量，通过地面或空中目标的影像来获取有关地形、地物、地貌、交通和气象等信息。航空摄影测量技术是获取地物影像的主要方法，广泛应用于大比例尺地形图测绘、数字城市建设等领域。利用无人机遥感技术进行林业有害生物监测时，首先需要对待测区域进行空中三角测量和地面控制点布设工作，然后再进行航空摄影测量数据处理。经过空三加密和实景三维模型的建立，可以获得森林有害生物的分布、面积和密度等数据。通过获取的数据可以更好地进行森林病虫害调查工作，为林业部门制定相应的防治措施提供依据。

4.2.2遥感和地理信息系统技术

在林业有害生物监测方面，遥感技术是最为常用的航空调查技术。遥感技术包括光学、微波、雷达、激光雷达等，其中光学遥感是当前遥感技术中应用最广泛的一种技术。随着无人机的不断发展，目前，无人机已经可以从多个角度获取三维信息，并具有高分辨率的成像能力。随着各种传感器的发展，不同类型的传感器可以获得不同层次的数据。近年来，无人机在林业有害生物监测方面的研究主要集中在多光谱、热红外等方面。与传统的航空调查方法相比，多旋翼无人机具有获取信息全面、受天气影响小、精度高等优点。但是，目前由于缺少相应的软件平台，无人机遥感数据与传统数据之间无法进行有效集成和共享。

4.3操作简单，节省人力物力

多旋翼无人机操作简单，不需要专业的飞行知识就可以进行操控。只需要通过简单的培训，就可以对无人机进行操控，只需要一名操作人员就可以进行飞行作业。同时，无人机在飞行过程中能够自主完成数据的收集、传输、存储等工作，还可以自行返航，不需要人工干预。在发生森林火灾时，如果无人机无法到达火场上空，地面人员又没有装备直升飞机的情况下，也可以由无人机自主完成数据的传输、存储等工作。无人机不仅在操作上简单，在成本上也比传统的监测方法要节省人力物力，例如人工巡山或者人工调查，要想知道森林里有多少人，需要多少天的时间才能完成，而无人机只需要几分钟就可以完成。无人机的飞行高度低，对地形要求也不高，能够快速到达地面监测人员难以到达的地方进行作业。无人机上配备了高清相机和其他设备，能够快速地获取到地面监测人员无法看到的林业有害生物图像。与传统的监测方法相比，多旋翼无人机能够有效地减少人力物力的投入。同时，由于无人机飞行高度低，不会对地面造成破坏，能够避免对森林造成二次伤害。多旋翼无人机的监测范围广，除了可以对森林进行全面的监测之外，还可以对城市和乡村进行监测。在人口稠密地区，可以利用多旋翼无人机进行森林病虫害监测，同时也可以将森林病虫害信息传给其他相关部门。

4.4数据处理方便，易与 GIS结合

通过地理信息系统（GIS）平台，可以实现数据的快速处理，实现地理信息与遥感数据的结合，从而达到更高层次的应用。随着科技的发展，无人机遥感技术将得到更广泛的应用。目前，无人机遥感技术主要是利用航空航天遥感卫星、雷达和光电传感器等，从空中对地面进行观测。由于低空飞行具有快速、机动灵活、覆盖面积大等优点，是传统地面观测手段难以实现的。尤其是在我国西南山地和丘陵地区，地形复杂，地貌多变，多旋翼无人机可以克服这一困难。

多旋翼无人机可低空飞行，能够迅速获取大范围的影像数据；同时携带有 GPS定位系统，具有极高的定位精度和时间分辨率；多旋翼无人机飞行高度低，可以使用低空航测作业平台进行快速作业。此外，由于采用了先进的激光测距传感器和惯性测量单元（IMU），具有全天候、全天时的飞行能力。因此，在不需要航空航天遥感卫星和气象卫星的情况下也能完成高精度观测任务。

由于森林病虫害是一种突发性强、危害性大、防治难度大的林业灾害，所以对其监测成为林业生产的重要环节。由于当前林业生产中缺乏对病虫害的快速、准确的监测手段，造成了大量资源和财力的浪费。森林病虫害监测是指通过对病虫害发生、发展、危害和防治情况进行长期、连续、不间断地监视和跟踪，及时掌握虫害动态，以便采取有效措施，防止其扩散蔓延和造成损失[4]。由于传统林业病虫害监测方法存在诸多缺点，如监测周期长、监测面积大、作业成本高等，已不能适应现代林业发展的需要。因此，利用无人机遥感技术进行林业病虫害监测是现代林业发展的必然趋势，是林业可持续发展和生态文明建设的必然要求。

5结语

多旋翼无人机以其成本低、操作简便、快速高效等特点，在林业有害生物监测中有着不可替代的作用。但无人机在林业有害生物监测中也存在着不足之处，如在数据处理时，数据量大，需人工判读；作业区域受限，不能大面积作业；部分无人机在飞行时有可能发生坠落事故等。因此，在利用无人机进行林业有害生物监测时，应严格按照林业有害生物监测流程操作，确保数据的准确性和时效性；同时应根据林业有害生物发生面积大小和危害程度，选择不同类型的无人机及配套设备进行作业，以达到最佳效果。

参考文献：

[1]王珺，马德辉，李睿霞.浅谈多旋翼无人机在林业生产中的应用[J].农业科技与信息，2017（22）：100.

[2]贾林基.多旋翼无人机在林业生产中的应用[J].农家科技：中旬刊，2019（1）：2.

[3]张严风，赵璠，寇卫利，等.无人机在林业灾害监测中的应用[J].世界林业研究，2020，33（2）：62-67.

[4]曾世杰，王继兴.无人机遥感技术在林业资源调查与监测中的应用[J].农村科学实验，2021（5）：2.