穿越机DJI Avata在森林病虫害监测中的应用研究

詹振亮

（福建林业职业技术学院，福建 延平 353000）

森林病害是由于生物或环境因素导致林木在生理、组织和形态上发生一系列的病理变化；森林害虫是指危害森林及林产品的昆虫。当前我国共有8 000 余种森林病虫害，可导致林木生长不良、产量和质量下降，甚至引起林木或整个林分的枯死和生态环境的恶化。因此森林病虫害防治是林业管理中的一项重要工作。随着“绿水青山就是金山银山”的发展理念深入人心，各地加大了对森林病虫害的预防和治理力度。

在科学技术水平不断提升的背景下，基于无人机技术的林业作业方法逐步替代传统林业作业方法。传统的森林病虫害调查方式以人工为主，虽然能取得较好的调查效果，但费时、费力，时效性较差。不适用于大区域。利用无人机遥感技术快速、动态的特点对森林病虫害进行监测，大大减少了作业中人力、物力的投入，也提升了林业作业效率及质量水平，在森林防火、森林病虫害防治、林政执法等工作中均能发挥出作用，已经成为当前林业遥感领域的研究热点。总体来看，无人机技术已然发展成为当前与未来驱动林业升级发展的一项主流技术手段[1]。

林木受到病虫害感染后，其原有正常生理活动将受到严重影响，在植物外观上的表现一般为树叶被啃食殆尽、枝干蛀蚀、叶片不正常变色等。 而可见光无人机监测技术则是利用无人机在林区上空采集高清晰度的影像资料，并提取影像资料中每个像素的色彩，将其与往期或标准数据进行对比，最终通过影像资料的图斑色彩变化来判断林木是否存在病虫害问题[2]。但是由于林木周围环境和林木本身的生长规律，其在不同时节，叶面的颜色也存在一定差异，故这些自然变化会对遥感图斑技术的应用产生不利影响。

目前，无人机航拍监测病虫害有以下问题：①难以区分或消除目标病虫害以外的其他因素对光谱特征的影响；②森林病虫害监测中寄主树木在受害前中期受害程度不清且前期不易发现；③无人机森林病虫害监测中害虫及病害种类识别不清。

本研究尝试利用无人机遥感技术对森林病虫害进行监测。采用航拍光谱影像来获取受害林分的位置信息，穿越机到达目标点在林间穿梭，对受害树木进行树种识别、病虫害种类分析和严重度空间分析，以实现对病虫害的及时、准确调查和监测。

1 穿越机DJI Avata简介

穿越机又称无人竞速机，一种高速度、高机动性、小体积的多旋翼无人机，被誉为“空中F1”[3]。跟熟悉的四轴航拍飞行器完全不同，属于高竞速小型无人机。有的穿越机最高时速可达260 km，可以轻松穿越一些障碍物，带来兼具速度与激情的视觉体验[4]。穿越机因其飞行速度快，操控难度系数大，安全性能低等原因常用于影视拍摄和飞行竞技等领域，在林业上的用途鲜有提及，国内外也很少有学者将其应用于森林病虫害监测中。

2022 年8 月25 日，大疆正式发布了DJI Avata 无人机。其安全性高，速度较低，体积小巧，图传距离远等特点。与DJI Phantom 4 多光谱版相比，为穿越机在林业上的应用提供了可能。DJI Avata与DJI Phantom 4 参数对比表，见表1。

DJI Avata 是一款自带桨叶保护罩的小巧无人机，质量约410 g，尺寸为180 mm×180 mm×80 mm，最长18 min悬停时间。机身坚固耐用，轻微碰撞后仍可正常飞行，可以通过佩戴飞行眼镜以第一人称视角进行操控，使其能在各类场景中灵活穿行。拍摄方面，DJI Avata 搭载了一颗1/1.7 英寸4 800 万像素f/2.8 的传感器，支持拍摄155°超广角的4K/60 fps视频，还有超强增稳和地平线增稳，画面抖动幅度有效降低，同时DJI Avata 具有Turtle 模式，在此模式下DJI Avata 甚至可以倒挂飞行，“查找我的无人机”功能会利用ESC哔哔声和闪光辅助定位。图传能力上，Avata 搭载大疆目前旗舰级DJIO3+图传，SRRC 标准下最远图传距离可达6 km，可提供1 080 P 图传画质，20 GB 机载存储，图传码率最高可达50 Mbps，延时为30 ms[5]。

2 DJI Avata和DJI Phantom 4协同工作技术流程

2.1 前期准备

查阅资料，询问有关工作人员，掌握林场面积、主要树种分布，分析天气情况，尽量避开雷雨和大雾天气，选择无风或天气晴好的天气飞行[6]。检查飞行电池电量及电池数量是否能够满足作业任务规划；检查遥控器电量；检查储存卡是否携带，并且注意储存卡的空间是否满足作业要求；检查机体是否完好，螺旋桨是否完整性。

2.2 现场勘查

开始作业前，应检查作业现场环境，核实规划是否存在盲区或禁飞区。选择四周空旷、地面平整、坚硬的地面作为起飞点。特别要注意飞行区域地形，避开高压电塔、基站信号塔等障碍物。飞行还应注意何处取电，方便电池充电。

2.3 航线规划及飞行参数设置

在显示飞行器位置的地图中，选定并调整飞行区域。设置好飞行方向，高度、重叠率、拍照模式等。

2.3.1 选择最佳飞行高度

飞行高度越低，地面采样距离（GSD）越小，地面物体分辨率越高，看得越清楚，但作业总时长会延长。因此需要根据拍摄的对象和目的来选择最优飞行高度。以林业树木长势监测为例子，应该根据不同树种、不同生长阶段来选择最优飞行高度。

如果不确定飞行高度对应的分辨率是否足够，可以把Phantom 4 多光谱相机模式调至Live NDVI 模式，然后手动起飞抬升飞机，观察在某高度下是否能清晰看到观测对象。同时，需要注意测区内是否有障碍物，飞机飞行高度必须高于测区内所有障碍物高度。

2.3.2 设置合适的重叠率

提高重叠率可以一定程度上优化建模质量，但重叠率过高会增加航线延长作业时间。因此推荐使用航向80%、旁向70%的重叠率设置。

2.3.3 设置等时间隔拍照模式

相机拍照模式有“等时间隔”和“航点悬停”2 种拍照模式。“等时间隔”不需要停顿，飞行效率更高。在大多数场景下，建议使用“等时间隔”拍照设置等时间隔拍照模式。

但是，在起伏大的山区，“等时间隔”可能存在同一组照片多个波段之间拍摄场景差别过大的情况，造成重建失败。因此，如果在山区航测时，若使用“等时间隔”拍摄出现重建失败，建议切换到“航点悬停”模式。

2.4 选择靠近测区的起飞地点

飞机起飞降落地点应该尽量靠近测区，使得起降航程最短。如果测区覆盖范围较大，建议在测区中央区域起飞。

2.5 执行作业及返航

保存设置后，阅读注意事项并点击“确定”，右滑开始作业滑块。当无人机起飞后，就会进入程序设定的轨道飞行，单反相机也会自动开启摄像功能，有效检测地面林木。使用精灵4多光谱版进行光学影像获取,内置相机的传感器为6个1/2.9英寸CMOS，包括1个用于可见光成像的彩色传感器和5个用于多光谱成像的单色传感器单个传感器：有效像素208万（总像素212万）。

为了提升建图精度，建议关闭畸变修正。在飞行作业中，请将遥控器天线切面面向飞行器，以获得最佳信号。执行大面积测绘任务时，支持断点续飞。如果任务完成前电池电量不足，可手动结束任务，App 将记录断点，更换电池后继续作业。当无人机完成检测任务后，即可按照既定的程序返航，临近地面时可转换为人工控制降落。

2.6 生成数字正射影像图。

利用Pix4 Dmapper 软件完成影像数据拼接处理，生成数字正射影像图。其操作步骤如下：建立工程，加入影像，设置影像属性，快速处理检查，使用像控点编辑器加入控制点，全自动处理初始化设置，点云加密，数字表面模型及正射影像生成，质量报告分析，点云以及正射影像编辑输出。

2.7 标记疑似被害木

通常情况下，一旦林木受到病虫害感染后，其原有正常生理活动将受到严重影响，在植物外观上的表现一般为树叶被啃食殆尽、枝干蛀蚀、叶片不正常变色等。以松材线虫病为例，感病的在无人机光学影像上黄褐色、红褐色，与健康松树的墨绿色存在明显区别。可使用SSD、YOLO v4、Faster RCNN 算法检测松材线虫病变色木,其精度分别为75%、67.2%和73.1%[7]。亦可辅以目视判读方法，实现对无人机影像染病松树检测。

2.8 DJI Avata监测疑似被害木

精灵拍摄多是从高空垂直向下拍摄，监测林分的树冠顶层部分。对于树木的树干、枝条、树冠中下层，传统的拍摄方式并不能很好的进行拍摄。而穿越机长仅180 mm、宽180 mm、高80 mm，因其体型小，能够自如的在林中进行穿梭，对疑似被害木的树干、枝条、树冠中下层进行拍摄，监测是否有蛀干害虫的蛀孔，枝梢害虫的活动、树冠中下层叶部病害等。

2.8.1 病虫害的种类识别及危害程度

DJI Avata 通过获取的疑似受害林木位置信息，穿越机到达目标点，在林中穿梭，对受害树木进行树种识别。通过穿越机拍摄树木树干、叶、叶序、花、果实等照片或视频，上传数据库进行图像识别，辅以人工识别，以获得初步树种鉴定结果。为进一步鉴定病虫害种类奠定基础。再通过穿越机拍摄害虫的危害状，害虫不同虫态形态特征、病害病症病状等照片或视频，上传数据库进行图像识别，辅以人工识别，以获得初步病虫害鉴定结果。同时对受害树木进行严重度空间分析。不同的病虫害种类，通过选用相应的森林病虫害调查严重程度分级表进行分级，如食叶害虫根据受害林木受害叶片的多少进行分级。

2.8.2 病虫害前期监测

由于树木在病虫害危害前期危害程度较轻，主要表现为叶部分变黄、枝梢部位枯萎、树干有侵入孔等，树木整体暂时还表现较为健康状态，精灵从高空拍摄拍摄所形成的正射影像图中表现不明显，因此常常忽略，不能及时发现。只有当病虫害发展到比较严重时树冠有明显变化时，在精灵所拍摄形成的正射影像图中才能识别，使得病虫害不能及时防治，加剧了病虫害带来的损失，增加了森林病虫害防治难度和防治成本。而Avata 通过在林间穿梭，能够通过飞行眼镜实时观察到树木树冠、枝干等情况，能够在病虫害危害不严重时及时发现，为防治病虫害抢得先机，减少病虫害带来的危害，降低防治成本。

2.8.3 病虫害施药后效果评估

DJI Avata 等多旋翼无人机所拍摄的影像不但能够被应用于森林病虫害监测中，还能被用于病虫害施药后的效果评估中。森林中的林木大多比较高大，一般采用人工观测的方法对林木的施药效果进行评价，但由于受枝叶遮挡，只能对林木的底层进行施药效果评价，位于林木中高处及内部的枝叶的施药效果无法评价。只有通过人工攀爬到高处进行样本采集，这样既然耗时，又有从高处坠落的危险。但使用DJI Avata 不仅能够拍摄大量树木外部叶面和枝条的图像进行评测，还能利用其小巧的身形，在空隙中拍摄，获取影像，监测树冠中部和内部的施药效果。

2.8.4 飞行安全及耐用性

以往的无人机如精灵、御等桨叶周围都没有保护罩，桨叶都是外露的，碰撞后基本上都会停桨炸机，而DJI Avata 因为更轻更小，而且自带桨叶保护罩，一般的碰撞不会影响到飞机姿态，仍能继续飞行，可以在很小的空间内穿梭拍摄，速度不快的话，就算炸机，也不容易损坏机身。但是要注意在高处炸机坠落仍有损坏风险。另外，DJI Avata 采用一体化镂空设计，使其更加轻巧，更适合其林间穿梭。还把GPS、云台相机、飞控等零部件都做成了模块，便于损坏后单独更换。有研究者暴力测试表明，DJI Avata 满杆撞击墙面树枝玻璃后任能正常启动飞行，用水和干粉灭火器喷洒DJI Avata，其仍能继续飞行。这使得林业工作者使用DJI Avata 监测森林病虫害有更高的容错率，为DJI Avata在林业中的广泛应用提供可能。

3 森林病虫害监测中DJI Avata的局限性

3.1 高密度林分监测难度大

在利用DJI Avata 监测森林病虫害时，若林分密度过大，枝叶密集交错，飞行空间受限严重，无法完整监测林木，可能无法有效地获得森林森林病虫害的实际情况；同时，密度越大的林分，枝叶对穿越机的干扰越大，飞行操作难度增加，炸机率提高，对飞手的操作水平要求也就越高。

3.2 恶劣天气无法飞行

DJI Avata 仅410 g，拥有轻巧身形的同时，相较其他机型，受风的影响更大。虽然DJI Avata 能防水，但是如遇大风、雷雨等恶劣天气，则无法使用DJI Avata进行监测。

3.3 对飞手操作技术有更高要求

DJI Phantom 4 等机型的飞行环境空旷，障碍物较少，且无人机自带避障功能，只要操作得当一般不会炸机。但在操作DJI Avata 进行森林病虫害监测时，除了要监测树木，还要躲避枝条、树干等障碍物。虽然一些轻微撞击对DJI Avata影响不大，可直接穿过一些细小枝叶，但需要飞手有较高的操作技术水平。目前无人机从业人员水平参次不齐，而从零培养无人机飞手造价高昂、耗时较长，培养成本高，且飞行器造价较高，使用成本较高，对于传统山林监测工作来说，并不存在明显的经济优势，普及效率低，难以广泛推广。

3.4 续航时间短，图传距离有限，无法大范围监测

DJI Phantom 4 等传统的多旋翼无人机的飞行续航时间约为25 min，而DJI Avata 的续航时间约为15 min，这使得监测时需频繁的起降以更换电池，限制了飞行距离。且DJI Avata 的图传信号容易受树木、灌木等障碍物遮挡，阻碍长距离图传。这使得DJI Avata 无法进行大面积森林病虫害监测工作，仅可作为小范围的详细监测。

4 应用展望

4.1 提升续航时间和图传距离

提高无人机的续航时长和图传距离是无人机领域的研究热点，穿越机DJI Avata续航时长仅15 min左右。为提高工作效率，应加强对其性能的研发力度，提高DJI Avata 的电池续航时长，增强图传信号传输质量，以保证其拥有更广阔的工作范围。

4.2 降低林间穿梭难度

运用DJI Avata进行森林病虫害监测需要穿梭于林间，躲避或撞击枝叶等各种障碍物，要求飞手要有熟练的飞行技术，还需要具有对飞行环境的预判和应急状况的处置能力。其要求要比一般多旋翼无人机高，这也导致其在传统林区难以有效普及。为进一步提升DJI Avata的普及范围，应增加全向避障功能，优化操作程序，增加保护装置，降低其在林间穿梭难度。

4.3 提高载重，增加功能

目前DJI Avata 的功能较为单一，仅有拍照和录像功能，限制了其发挥。若是能够提高DJI Avata的载重能力，搭载新的功能模块，如多光谱、红外线等可以有效提高其在监测过程中的工作效率，更好地应用于林业各个方面。

5 结语

将穿越机应用于森林病虫害监测的研究鲜有报道，本研究创新地将穿越机DJI Avata应用于森林病虫害监测中，利用其身形小巧，能在林间穿梭的特点，探索其在病虫害种类识别、危害程度、病虫害前期监测等方面的应用途径及效果，也为后续穿越机在林业中各方面的应用提供借鉴和参考。