張　斌

無人機(jī)遙感技術(shù)在自然保護(hù)地生態(tài)資源保護(hù)監(jiān)測中的應(yīng)用——以甘肅某地為例

張斌

（甘肅博峪河省級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心甘肅隴南746400）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)遙感技術(shù)已經(jīng)被普遍應(yīng)用在林業(yè)工作中，提高了生態(tài)資源調(diào)查與保護(hù)監(jiān)測的效率和質(zhì)量。文章分析了自然保護(hù)地在生態(tài)資源保護(hù)監(jiān)測方面所面臨的問題，介紹了無人機(jī)遙感技術(shù)的特點(diǎn)，分析了其在自然保護(hù)地生態(tài)資源保護(hù)監(jiān)測中應(yīng)用存在的問題及優(yōu)勢，以期通過解決問題、發(fā)揮優(yōu)勢，推動(dòng)林業(yè)不斷發(fā)展進(jìn)步。

無人機(jī)；遙感技術(shù)；林業(yè)；生態(tài)資源；調(diào)查；保護(hù)監(jiān)測；應(yīng)用

甘肅白龍江插崗梁省級(jí)自然保護(hù)區(qū)（以下簡稱“插崗梁保護(hù)區(qū)”）地處青藏高原東北邊緣，位于甘肅省甘南藏族自治州舟曲縣境內(nèi)，岷山山系北麓，迭山山系南緣，屬于長江水系嘉陵江支流的白龍江中上游，與甘肅多兒國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、阿夏省級(jí)自然保護(hù)區(qū)相毗鄰，構(gòu)成了完整的生態(tài)系統(tǒng)和重要物種走廊。特別是插崗梁保護(hù)區(qū)的核心區(qū)域，屬生物多樣性富集地，森林資源豐富，是大熊貓等珍稀野生動(dòng)物生活的主要廊道，人跡罕至。其因特殊的地理位置，在保護(hù)生態(tài)功能、生物多樣性以及涵養(yǎng)水源等方面有著重要作用。林業(yè)資源保護(hù)是我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要工作，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)體系穩(wěn)定運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)工作的開展都具有重要影響[1-2]。在信息技術(shù)、遙感技術(shù)、智能化技術(shù)融合利用水平不斷提升的背景下，無人機(jī)遙感技術(shù)在林業(yè)資源保護(hù)與監(jiān)測中所起到的作用不斷提升。基于此，文章簡要闡述無人機(jī)遙感技術(shù)概念，對(duì)其在林業(yè)資源保護(hù)與監(jiān)測中的具體應(yīng)用進(jìn)行分析，明確無人機(jī)遙感技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的不足，并對(duì)無人機(jī)遙感技術(shù)在林業(yè)管理方面的應(yīng)用前景進(jìn)行分析。

插崗梁保護(hù)區(qū)的管理機(jī)構(gòu)是甘肅白龍江插崗梁省級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局（以下簡稱“插崗梁保護(hù)局”），全局總經(jīng)營面積194.1萬畝，有林地面積161.7萬畝，自然保護(hù)區(qū)面積124.7萬畝，森林蓄積量為809.3萬m3，森林覆蓋率為63.22%。主要負(fù)責(zé)環(huán)境與資源監(jiān)測、自然環(huán)境和自然資源保護(hù)，自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的森林防火、林政執(zhí)法、禁種鏟毒、林業(yè)有害生物防治和檢驗(yàn)檢疫以及科學(xué)研究和宣傳教育等工作。目前保護(hù)區(qū)內(nèi)現(xiàn)代化科技輔助設(shè)備應(yīng)用相對(duì)滯后，仍以人力巡護(hù)為主，現(xiàn)有?？礥AV-MX10B無人機(jī) 2架，已在禁毒、防火等實(shí)際工作中發(fā)揮出了積極作用。

1 自然保護(hù)地在生態(tài)資源保護(hù)監(jiān)測方面所面臨的問題

1.1 地理?xiàng)l件惡劣

插崗梁保護(hù)區(qū)屬西秦嶺構(gòu)造帶陸地地貌中的中、高山地貌類型，西北高，東南低，海拔在1 700 m～4 504 m，相對(duì)高度差2 804 m。保護(hù)區(qū)內(nèi)重巒疊嶂、溝壑縱橫、植被茂密、地形復(fù)雜，部分地段巖石裸露、斷崖林立、山溝狹窄、水流湍急，有些地方僅靠汽車和人力根本無法到達(dá)。

1.2 巡護(hù)難度大、效率低

插崗梁保護(hù)局人均管護(hù)面積達(dá)3 500畝，且大多數(shù)地域?yàn)樯降睾蛥擦?，日常巡護(hù)難度非常大。有些林班距離駐地達(dá)30余km，巡護(hù)隊(duì)伍全程基本上只能靠步行，往返一趟有時(shí)需要2 d～3 d，巡護(hù)人員常常超負(fù)荷工作，體力消耗快，中途補(bǔ)給困難，巡護(hù)效率低，周期長。

1.3 人力巡護(hù)存在安全風(fēng)險(xiǎn)

巡護(hù)安全風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在巡護(hù)途中如遇暴雨、雷雨等惡劣天氣，遭遇小范圍洪水、泥石流、塌方、落石和落雷風(fēng)險(xiǎn)就較大，會(huì)給巡護(hù)人員帶來安全隱患。隨著對(duì)自然保護(hù)地保護(hù)措施的不斷更新和保護(hù)力度的不斷加大，保護(hù)成效日漸凸顯，保護(hù)地內(nèi)亞洲黑熊、狼等野生肉食動(dòng)物族群增加，日常巡護(hù)中巡護(hù)人員遭遇野生肉食動(dòng)物攻擊的風(fēng)險(xiǎn)也日漸增大[3-4]。

1.4 人力巡護(hù)不適宜在自然保護(hù)地核心區(qū)開展

中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于在國土空間規(guī)劃中統(tǒng)籌劃定落實(shí)三條控制線的指導(dǎo)意見》指出：“生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi)，自然保護(hù)地核心保護(hù)區(qū)原則上禁止人為活動(dòng)”。巡護(hù)工作雖然在自然保護(hù)地保護(hù)工作中起著關(guān)鍵性作用，但或多或少也會(huì)給自然保護(hù)地尤其是核心保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來一定的外在影響，有違國家劃定生態(tài)保護(hù)紅線的初衷。

1.5 森林防火面臨諸多挑戰(zhàn)

縱觀近年來國內(nèi)外防火形勢，森林火災(zāi)范圍大、勢頭猛，澳大利亞和美國相繼爆發(fā)超大規(guī)模森林火災(zāi)，人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和全球生態(tài)安全遭遇到有史以來最嚴(yán)厲的考驗(yàn)。四川涼山州連續(xù)兩年發(fā)生森林火災(zāi)的慘痛教訓(xùn)，令人扼腕嘆息，痛定思痛，深究其根本原因還是由于發(fā)火點(diǎn)的位置難以及時(shí)掌控，等發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，火場已形成規(guī)模，大火已無法控制。以往在開展林業(yè)監(jiān)測工作時(shí)，會(huì)在原有調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行室內(nèi)判讀工作，再根據(jù)調(diào)查需求進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。然而，受森林內(nèi)部地形和環(huán)境的影響，調(diào)查人員無法準(zhǔn)確獲知森林實(shí)際情況，衛(wèi)星遙感技術(shù)雖然可以幫助調(diào)查人員解決這一問題，但其受天氣影響較大，導(dǎo)致拍攝的圖片分辨率較低，不能真實(shí)反饋森林情況。因此，調(diào)查人員可以根據(jù)實(shí)際調(diào)查需求，合理使用無人機(jī)，借助無人機(jī)在復(fù)雜的森林內(nèi)展開對(duì)地形和環(huán)境情況的調(diào)查，可以在無人機(jī)上裝載高清攝像設(shè)備，在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行森林圖片的拍攝，為調(diào)查人員進(jìn)行森林實(shí)際勘查提供精確的圖片信息，不但保證了森林信息獲取的準(zhǔn)確性，而且提升了森林調(diào)查的工作效率，保證了調(diào)查人員的安全，在提高森林資源各種數(shù)據(jù)的精確度、各類小班區(qū)劃的準(zhǔn)確性等方面都具有重要作用，為科學(xué)經(jīng)營森林資源提供了依據(jù)，為林業(yè)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)的科學(xué)決策提供了更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)的特點(diǎn)

隨著無人機(jī)在各行各業(yè)的持續(xù)應(yīng)用，各行業(yè)根據(jù)自身使用需求，不斷對(duì)無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行完善，促進(jìn)了無人機(jī)遙感技術(shù)的多元化應(yīng)用與發(fā)展。無人機(jī)遙感技術(shù)具有以下特點(diǎn)：一是采集的影像分辨率高。相比衛(wèi)星遙感技術(shù)，無人機(jī)遙感技術(shù)受外部因素的影響較小，在影像采集過程中實(shí)現(xiàn)了高分辨率，為各行業(yè)進(jìn)行監(jiān)測、治理提供了重要依據(jù)。二是智能化程度高。無人機(jī)借助無線遙感技術(shù)和程序控制裝置進(jìn)行操作和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了操作運(yùn)行自主化，有助于工作效率的提升。三是運(yùn)行性能穩(wěn)定[5]。無人機(jī)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，氣壓、高度、風(fēng)力等外界因素對(duì)無人機(jī)的影響較小，在協(xié)助各行業(yè)開展工作的過程中，主要是借助其穩(wěn)定性的特點(diǎn)，滿足各行業(yè)的使用需求，為各行業(yè)工作的開展提供便利條件。因此，無人機(jī)遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用，為林業(yè)資源調(diào)查、林業(yè)管理、林業(yè)防火和林業(yè)病蟲害防治工作的開展提供了重要幫助。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)在自然保護(hù)地生態(tài)資源保護(hù)監(jiān)測中應(yīng)用存在的問題

3.1 續(xù)航時(shí)間短，抗風(fēng)能力差

小型無人機(jī)普遍存在續(xù)航時(shí)間短、抗風(fēng)能力差的問題，這也是小型無人機(jī)不能在高海拔地區(qū)推廣的主要原因之一，高海拔地區(qū)頻繁變換的小氣候，以及山體間空氣流動(dòng)產(chǎn)生的渦流，對(duì)小型無人機(jī)來說是致命的，基本不具備飛行所需條件。目前市面上大部分小型無人機(jī)續(xù)航時(shí)間僅有20 min～30 min，抗風(fēng)能力僅為3～5級(jí)，在高海拔地區(qū)使用時(shí)必須是晴朗且無風(fēng)的天氣，還需要攜帶多組電池以備不時(shí)之需，同時(shí)，無人機(jī)包裝箱巨大、沉重，只能依靠人力背運(yùn)到指定地點(diǎn)，使用條件苛刻、制約因素多是致使小型無人機(jī)不能在高海拔地區(qū)推廣的另一個(gè)重要原因。但就筆者目前了解的情況來看，此類問題并不能制約無人機(jī)技術(shù)在高海拔地區(qū)的普及和應(yīng)用，有部分燃油動(dòng)力無人機(jī)續(xù)航時(shí)間可達(dá)到5 h～8 h，甲醇電池動(dòng)力無人機(jī)續(xù)航時(shí)間可達(dá)到12 h。同時(shí)，這些無人機(jī)的抗風(fēng)能力可以達(dá)到6～8級(jí)，在晴天和正常風(fēng)速的情況下，能夠完全滿足高海拔地區(qū)的巡航需要。

3.2 數(shù)據(jù)同步差，無線信號(hào)傳輸存在盲點(diǎn)

無人機(jī)監(jiān)測到數(shù)據(jù)后，需要實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婀ぷ髡?，地面站與無人機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還具備遙控、遙測和跟蹤定位的功能。在4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，這類問題解決起來的確比較困難，但隨著我國5G技術(shù)的普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸將會(huì)有質(zhì)的飛躍，H.265以及5G技術(shù)的出現(xiàn)，不但可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的遠(yuǎn)程精細(xì)操控、飛行數(shù)據(jù)安全保障、數(shù)據(jù)傳輸更快捷等，而且賦予無人機(jī)更多的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。高海拔林區(qū)由于人煙稀少，很多地方存在死角和盲區(qū)，無法做到通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)全覆蓋，但是隨著我國北斗衛(wèi)星民用波段的啟用，無人機(jī)完全可以采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航+光伏中繼站組網(wǎng)的模式實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)無線信號(hào)全覆蓋[6]。

3.3 無人機(jī)資金投入問題和專業(yè)技術(shù)人員培養(yǎng)問題

在技術(shù)上，無人機(jī)監(jiān)測設(shè)備正在向小型化、輕型化、集成化發(fā)展，在不久的將來，隨著無人機(jī)技術(shù)的普及和應(yīng)用，無人機(jī)在價(jià)格方面將會(huì)持續(xù)下降至合理區(qū)間。與此同時(shí)，無人機(jī)將變得更加智能化、專業(yè)化，但在操作使用和后臺(tái)軟件應(yīng)用方面將更簡捷化、人性化。目前我國有多家無人機(jī)駕駛培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，技術(shù)人員只需要一個(gè)月的時(shí)間就可以掌握無人機(jī)駕駛技能，取得相應(yīng)機(jī)構(gòu)頒發(fā)的無人機(jī)駕駛許可證書。在對(duì)技術(shù)人員進(jìn)行短時(shí)間的后臺(tái)數(shù)據(jù)處理軟件培訓(xùn)后，相關(guān)人員能夠較為快速地掌握相應(yīng)的操作和使用技能。

4 無人機(jī)遙感技術(shù)在自然保護(hù)地生態(tài)資源保護(hù)監(jiān)測中應(yīng)用的優(yōu)勢

4.1 利用無人機(jī)開展巡護(hù)更加便捷

無人機(jī)具有操作簡便、體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在茂林深處、懸崖崖頂?shù)热僳E罕至的區(qū)域，無人機(jī)速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)越發(fā)凸顯，在這些地方開展人力巡護(hù)往往要?jiǎng)佑么罅咳肆ΓM(jìn)行拉網(wǎng)式排查或巡回式復(fù)查，尤其是高海拔地區(qū)，空氣中氧氣含量較低，巡護(hù)人員血氧不足更容易消耗大量的體力，同時(shí)，林內(nèi)視線較差，肉眼難以發(fā)現(xiàn)被樹林、竹林遮擋的區(qū)域。使用無人機(jī)中低空飛行巡護(hù)，不僅不需要出動(dòng)大量的人力，同時(shí)還會(huì)比人力巡護(hù)的效果更好，效率更高。如無人機(jī)搭載的光電吊艙具有紅外線測溫、測距、風(fēng)速風(fēng)向測定等功能，在群山深處、茂林之間可迅速捕獲森林火災(zāi)發(fā)火點(diǎn)位置，獲取火焰溫度、過火面積、地理坐標(biāo)等信息，通過后臺(tái)處理軟件對(duì)火場數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，可準(zhǔn)確測算火災(zāi)蔓延方向和速度，為防火指揮贏得寶貴時(shí)間。一些無人機(jī)還具有預(yù)定航線設(shè)定功能，可提前設(shè)定航線和飛行高度，在目標(biāo)區(qū)域上方進(jìn)行巡回飛行，在完成飛行任務(wù)后，無人機(jī)還可以自動(dòng)返航至起飛點(diǎn)，具有用時(shí)少、周期短、精準(zhǔn)度高、數(shù)據(jù)采集快等優(yōu)點(diǎn)。這類無人機(jī)只需要設(shè)置好安全飛行高度，并在制高點(diǎn)設(shè)立幾個(gè)信號(hào)中繼站，就可以實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)互傳、無人機(jī)自主飛行，同時(shí)還可以避免高海拔地區(qū)山體間的不規(guī)則擾流對(duì)無人機(jī)的干擾，以及在茂林中因視線不好，引起誤操作造成無人機(jī)墜落[7-8]。

4.2 利用無人機(jī)獲取信息更加精準(zhǔn)

無人機(jī)搭載的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備可在野外與飛行器駕駛員進(jìn)行交互，按飛行器駕駛員發(fā)布的指令獲取目標(biāo)信息，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)地位坐標(biāo)定位、目標(biāo)鎖定的功能，將采集到的影像、照片實(shí)時(shí)傳送至飛行器駕駛員。搭載熱成像設(shè)備的無人機(jī)，在可視范圍內(nèi)能準(zhǔn)確識(shí)別發(fā)熱源，只需要通過對(duì)拍攝圖像進(jìn)行比對(duì)分析，就可以準(zhǔn)確找出隱藏在群山之中和茂林深處的野生動(dòng)物和人，通過色溫分析，還可以了解到動(dòng)物熱源體是健康、患病還是瀕死狀態(tài)。這類無人機(jī)可用于自然保護(hù)地內(nèi)禽類、哺乳類野生動(dòng)物活動(dòng)情況和生活環(huán)境調(diào)查，也可以用于調(diào)查自然保護(hù)地內(nèi)人類活動(dòng)情況。近幾年以CMOS為代表的圖像傳感器日漸成熟，使高分辨率的數(shù)碼相機(jī)成為無人機(jī)在保護(hù)監(jiān)測中的重要武器。而隨著傳感器不斷向大面陣、多光譜、數(shù)字化方向發(fā)展，可有效提升航拍精度。搭載高清攝像頭的無人機(jī)，可清晰拍攝出可視區(qū)域內(nèi)的所有目標(biāo)，也可以通過放大功能拍攝到目標(biāo)細(xì)節(jié)，這類無人機(jī)可用于目標(biāo)區(qū)域調(diào)查、可疑目標(biāo)偵察、第一現(xiàn)場定位等。無人機(jī)相配套的后臺(tái)數(shù)據(jù)處理軟件可以對(duì)拍攝的高清照片進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，可以方便地繪制出航線圖、林相圖、地形圖等，其中光譜分析軟件可以有效甄別毒品原植物，也可用于甄別野生珍稀植物、林分調(diào)查、病蟲害監(jiān)測等。

4.3 利用無人機(jī)可以更好地監(jiān)測生態(tài)環(huán)境

無人機(jī)可以在空中立體飛行，擁有絕佳的監(jiān)測視角。通過無人機(jī)的巡查可以獲得宏觀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)后臺(tái)可實(shí)時(shí)拼接無人機(jī)影像，形成直觀的正射圖，便于發(fā)現(xiàn)異常情況。針對(duì)環(huán)境監(jiān)測的不同需求，需要不同的機(jī)載環(huán)境監(jiān)測傳感器，如面向水環(huán)境、大氣環(huán)境監(jiān)測的各種熱紅外成像儀、輕型紅外航掃儀、紅外掃描儀、微波輻射計(jì)等，以及粒子探測儀、差分吸收光譜探測系統(tǒng)、電化學(xué)類氣體監(jiān)測設(shè)備等等，選擇類型多樣，可滿足各種不同的需求，也可以通過無人機(jī)供貨商的個(gè)性化定制，使之更貼合實(shí)際工作需求。尤其是在高海拔地區(qū)利用無人機(jī)系統(tǒng)，可以對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行全天候、高頻次的環(huán)境及資源監(jiān)測，從而更好地維護(hù)好保護(hù)區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境[9]。

雖然從目前來看，我國無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初期階段，很多監(jiān)測傳感器有待于進(jìn)一步開發(fā)，一些新型實(shí)用功能也有待進(jìn)一步完善，但我國已經(jīng)提出了建立一體化環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)想，提高數(shù)據(jù)分析自動(dòng)化將成為無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的重要方向，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在多個(gè)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的自主應(yīng)用已不再是發(fā)展難題。以無人機(jī)技術(shù)和“森林眼”為基礎(chǔ)構(gòu)建的全自動(dòng)環(huán)境及資源監(jiān)測系統(tǒng)，可有效加快高海拔地區(qū)的現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程，更好地推進(jìn)自然保護(hù)地生態(tài)資源的監(jiān)測、保護(hù)及利用。

5 結(jié)語

無人機(jī)遙感技術(shù)的快速發(fā)展給林業(yè)工作人員開展自然保護(hù)地生態(tài)資源調(diào)查與保護(hù)監(jiān)測工作提供了極大的便利，可大幅提高工作的效率和質(zhì)量，同時(shí)在保護(hù)森林生態(tài)資源方面也將發(fā)揮很大的作用，其借助高清晰度的影像拍攝以及實(shí)時(shí)監(jiān)測，使資源信息的準(zhǔn)確性得到大幅提升。然而，當(dāng)前在生態(tài)資源調(diào)查與保護(hù)監(jiān)測工作中，無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用還有很大的不足，有關(guān)人員必須要結(jié)合工作實(shí)際進(jìn)一步加強(qiáng)研究，提高無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用水平，更加高效地開展資源調(diào)查與保護(hù)監(jiān)測工作，為林業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

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10.3969/j.issn.2095-1205.2022.01.48

S779

A

2095-1205(2022)01-142-03

張斌（1977- ），男，漢族，甘肅鎮(zhèn)原人，本科，林業(yè)助理工程師，研究方向?yàn)榱謽I(yè)技術(shù)。