森林保護學(xué)專業(yè)課程中無人機教學(xué)的探索與思考

孫 思，單體江，毛子翎

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣州 510642）

目前，在我國的森林保護工作中，使用無人機開展調(diào)查監(jiān)測已屬于常態(tài)[1]。以作者所在的廣東省為例，在調(diào)查松材線蟲病的過程中，項目承擔(dān)單位均使用了無人機。這是由森林保護調(diào)查工作的特點——面積廣大、位置偏僻及林業(yè)有害生物有一定特殊危害癥狀決定的[2-3]。無人機遙感的優(yōu)勢正好對應(yīng)了這些特點。

由于以上原因，基層一線的林業(yè)單位，如區(qū)縣林業(yè)局、鄉(xiāng)鎮(zhèn)林業(yè)站、林場和承擔(dān)林業(yè)項目的相關(guān)公司等，均購置了相當(dāng)數(shù)量的無人機。而畢業(yè)生又大量充實到這些單位，因此在森林保護學(xué)專業(yè)的教學(xué)工作中加入無人機的內(nèi)容，已經(jīng)十分緊迫。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院2016年即在森林保護學(xué)專業(yè)的碩士研究生課程中開展了無人機教學(xué)工作，經(jīng)過幾年積累后，又于2020年在森林保護學(xué)專業(yè)本科生課程中開展了無人機教學(xué)工作。作為這些課程的主講教師，本文作者在教學(xué)過程中有了一些體會和思考，主要是以下3點。

1 課程內(nèi)容的編排

本課程的內(nèi)容既要講解無人機的使用，又要兼顧林業(yè)有害生物的內(nèi)容。因此，課程內(nèi)容分為3大部分，分別是無人機的使用，林業(yè)有害生物和使用無人機調(diào)查林業(yè)有害生物的案例。

1.1 無人機的使用

第一部分具體包括以下內(nèi)容：電子地圖、無人機影像拼接軟件和無人機操作介紹。

介紹電子地圖的目的是為了航線規(guī)劃。教師需要向?qū)W生說明航線規(guī)劃是無人機操作的核心內(nèi)容，只有掌握了航線規(guī)劃，無人機才真正成為“無人”機；如果只是手動操作，無人機與航模無異。而航線規(guī)劃的第一步就是在電子地圖上劃定航拍范圍，教師需要在常用的電子地圖，如谷歌地圖或奧維互動地圖上講解如何尋找地點地名，劃定矢量面，并將其導(dǎo)入操作無人機的地面站軟件等操作。特別需要向?qū)W生說明的是，單架次無法完成大面積拍攝時，如何對矢量面進行切割的問題。解決了這一問題，就解決了很多人心中的“輕型無人機續(xù)航能力較低，不能拍攝大面積”的疑問。

對于無人機圖像拼接軟件，目前市面上的主流軟件Pix4dmapper和Photoscan等的操作都是流程化的，難度并不大。教師可選擇少量圖片示范運行一遍完整的流程，講解的重點放在軟件運行完成后生成的各類成果，主要包括數(shù)字正射模型（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字地形模型（DTM）和三維飛行動畫等。

無人機的操作是一個無法回避的問題。目前部分單位將航拍的任務(wù)外包，但多數(shù)情況下仍然需要本單位自行操作。如果不掌握好操作，林業(yè)有害生物調(diào)查工作難以靈活機動的開展，甚至可能導(dǎo)致飛機出現(xiàn)事故。

根據(jù)作者的教學(xué)經(jīng)驗，除非能達到人手1臺無人機，否則無法細致地開展操作的教學(xué)工作。因此目前采取的方法是，只花1～2個課時進行操作的示范，主要示范內(nèi)容是手動控制無人機和航線規(guī)劃外業(yè)部分。讓學(xué)生了解大致流程和注意事項即可。真正要達到熟練操作無人機的水平，只有在工作中勤加練習(xí)，逐漸積累經(jīng)驗。

1.2 林業(yè)有害生物

森林保護專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了以森林昆蟲學(xué)和森林病理學(xué)為核心的大量有關(guān)林業(yè)有害生物的課程。而本門課程是從航拍的角度講解可在航拍圖上觀測到的林業(yè)有害生物，與其在航拍圖上的識別特征。具體內(nèi)容分為2部分。

第一部分講解國外研究進展。一些林業(yè)發(fā)達的國家，如美國和加拿大等，早已普遍開展了使用有人駕駛飛機調(diào)查林業(yè)有害生物的工作，積累了大量有價值的影像資料和調(diào)查經(jīng)驗，值得借鑒學(xué)習(xí)。第二部分講解廣東省的情況，例如松材線蟲病、松突圓蚧、薇甘菊、桉樹食葉害蟲和桉樹梢枯潰瘍病等。這些林業(yè)有害生物在航拍圖上各有特點，因此講解的側(cè)重點各不相同。松材線蟲病重點在講解染病松樹在不同時期顏色的變化；薇甘菊重點在講解航拍調(diào)查的窗口期——薇甘菊的花期；松突圓蚧重點在講解如何觀察分辨整片發(fā)黃，但又不至于死亡的松樹林；桉樹食葉害蟲和桉樹梢枯潰瘍病，重點在講解病蟲害如何擴展。這屬于病害流行學(xué)的內(nèi)容。在以前沒有航拍技術(shù)的情況下，這部分內(nèi)容研究難度大，講解難度大?，F(xiàn)在通過航拍，不管是調(diào)查還是講解，都形象生動了許多。

國內(nèi)國外的內(nèi)容結(jié)合講解，既能讓學(xué)生了解到早期中國和國外的差距，又讓學(xué)生學(xué)習(xí)到現(xiàn)今中國由于民用無人機技術(shù)的領(lǐng)先，林業(yè)有害生物航拍調(diào)查的工作也隨之突飛猛進。

1.3 使用無人機調(diào)查林業(yè)有害生物的案例

講解實際案例是講解一個調(diào)查項目的全過程，包括內(nèi)業(yè)和外業(yè)。具體分為：前期內(nèi)業(yè)——航線規(guī)劃；外業(yè)——現(xiàn)場航拍；后期內(nèi)業(yè)——影像處理與分析。如前文所述，航線規(guī)劃已有詳細講解，此時再融入案例的實際情況，走一遍流程即可；航拍不作為理論課的重點。因此，案例講解的重點在于影像分析。而影像分析離不開遙感圖像分析軟件和地理信息系統(tǒng)（GIS）這兩大類軟件，這就必須要求課程有一定的學(xué)時講解這些軟件的操作。由于這類軟件都是一個龐大的系統(tǒng)，所包含的內(nèi)容與操作極多，因此，講解時不可能面面俱到，主要考慮與本課程的內(nèi)容相結(jié)合即可。一般主要講解的是點、線、面矢量的操作與統(tǒng)計分析，以及出圖的技術(shù)等。

選擇案例要考慮2方面的情況，既要考慮該案例在森林保護工作中的典型性，又要考慮該案例在教學(xué)中學(xué)生的易接受性。因此，教師應(yīng)按照由易到難、循序漸進的順序講解案例。例如，對于松材線蟲病導(dǎo)致的枯死木提取，先講解在GIS中人工打點的方法，此時不涉及遙感圖像分析軟件。在學(xué)生掌握這一基本技術(shù)后，再講解利用遙感分析提取枯死木的技術(shù)，并導(dǎo)入GIS統(tǒng)計分析并出圖。同理，對于面狀發(fā)生的病蟲害，可先講解在GIS中人工勾繪發(fā)生區(qū)域的方法，再講解利用遙感分析提取發(fā)生范圍的技術(shù)。

2 講解思路

2.1 基礎(chǔ)理論與應(yīng)用的內(nèi)容比例

無人機航拍與衛(wèi)星遙感不同，衛(wèi)星遙感屬于航天遙感，無人機遙感屬于航空遙感，但兩者的基本原理有很多相同點。在以衛(wèi)星遙感為核心的林業(yè)遙感已經(jīng)講解了大量基礎(chǔ)理論的前提下，無人機的課程應(yīng)該盡量壓縮講解理論的比例，以只講解無人機遙感必須的知識點為宜。

例如，課程一般不再講解光譜學(xué)和坐標(biāo)系的知識，而只說明圖像分析過程中涉及的紅、綠、藍及近紅外波段的知識即可。課程也不再詳細講解衛(wèi)星遙感分析的關(guān)鍵知識點——NDVI植被指數(shù)，而是借NDVI植被指數(shù)過渡到無人機遙感的常用指數(shù)——可見光植被指數(shù)。課程的主要精力用于具體案例中航拍圖片的講解與分析，讓學(xué)生體會到從一個全新角度觀察平時所觀察到的樹木和林地的樂趣。

2.2 硬件（無人機）與軟件的關(guān)系

在無人機遙感工作流程中，無人機航拍只是其中一個環(huán)節(jié)。要較好地開展利用無人機調(diào)查林業(yè)有害生物的工作，還必須掌握多種軟件的使用。例如，前面已經(jīng)提到的軟件就有電子地圖軟件、無人機圖像拼接軟件、遙感圖像分析軟件和地理信息系統(tǒng)軟件（GIS）等。這都需要一定時間的學(xué)習(xí)和積累才能熟練掌握。

許多學(xué)生對無人機都十分感興趣，有著學(xué)習(xí)的熱情。但當(dāng)學(xué)生們了解到還要學(xué)習(xí)大量軟件后，又失去了熱情。這就需要教師在課程開始時，不但要講解無人機航拍的樂趣，還要強調(diào)說明軟件和硬件兩者的同等重要性。同時，教師還可以從使用軟件分析可以大大減輕外業(yè)工作量的角度，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，使用遙感圖像分析軟件和地理信息系統(tǒng)軟件對航拍結(jié)果進行分析，可以輸出受害樹木的位置、面積，甚至株數(shù)等結(jié)果，而無需深入林中調(diào)查。這也向?qū)W生傳遞了林業(yè)調(diào)查工作包含了較高的技術(shù)含量，而不是一味的艱苦體力勞動。

2.3 新技術(shù)的應(yīng)用

圍繞無人機遙感的相關(guān)軟硬件技術(shù)一直在日新月異地發(fā)展。從硬件來說，使用的主流輕型無人機剛開始只搭載了可見光傳感器（相機），后來又有了熱成像和多光譜（近紅外）傳感器，現(xiàn)在還有激光雷達和高光譜傳感器。而軟件從剛開始的常規(guī)遙感分析到現(xiàn)在的深度學(xué)習(xí)，成為了研究熱點。軟件和硬件的內(nèi)容繁多，應(yīng)以學(xué)生的接受程度和工作單位的實際需要為標(biāo)準(zhǔn)，來進行選擇性講解。

例如，對于不同的傳感器獲得的數(shù)據(jù)，除可見光為核心的講解內(nèi)容外，還可加入較多的多光譜傳感器的內(nèi)容。因為多光譜傳感器的主要作用是監(jiān)測植物的生長勢，而各類林業(yè)有害生物導(dǎo)致的結(jié)果就是林木的生長勢不良。因此多光譜傳感器在林業(yè)有害生物調(diào)查監(jiān)測中的作用不言而喻。高光譜傳感器也可用于林業(yè)有害生物的監(jiān)測，但由于其價格昂貴，且圖像分析難度較大，在基層林業(yè)單位中較少購置這類設(shè)備。熱成像傳感器主要用于森林火災(zāi)的監(jiān)測，激光雷達主要用于森林培育和森林經(jīng)理等方向。因此這幾類傳感器在講解時簡單介紹即可。

對于人工智能中的深度學(xué)習(xí)，目前在松材線蟲病引起的枯死松樹識別上應(yīng)用十分廣泛，屬于研究熱點[4]，已有大量論文發(fā)表。而學(xué)生們對于深度學(xué)習(xí)也并不陌生，如人臉識別已經(jīng)大量應(yīng)用于各類生活場景中。但學(xué)生對其具體過程，特別是涉及到編程的內(nèi)容，都感到陌生或無興趣。因此教師需要對學(xué)生講解示范的是，目前在許多主流軟件中，如遙感應(yīng)用的核心軟件GIS，都已經(jīng)融合了深度學(xué)習(xí)的功能。其過程為流程化的操作，無需編程的知識也可學(xué)習(xí)掌握。

3 發(fā)展方向

無人機遙感的興起是因為其能夠補充衛(wèi)星遙感的劣勢，但不是代替衛(wèi)星遙感。兩者是優(yōu)勢互補的關(guān)系。隨著我國航天技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量和種類越來越多，衛(wèi)星遙感的應(yīng)用也必將得到進一步加強。早期由于分辨率所限，衛(wèi)星影像上難以分辨單株樹木。近年來由于衛(wèi)星影像的分辨率大幅提高，從部分高分辨率的衛(wèi)星影像上已經(jīng)足以分辨出單株松樹。因此一些單位已經(jīng)開展了使用衛(wèi)星影像調(diào)查枯死松樹的工作，國家層面也已經(jīng)開展了使用衛(wèi)星影像督查各地松材線蟲病防控效果的工作。

同時，授課時要說明，除個別有害植物，如薇甘菊以外，遙感調(diào)查并不能觀察到有害生物本身，而只是觀察到受害樹木及其表現(xiàn)出的各種癥狀。要準(zhǔn)確鑒定有害生物的種類，必須要結(jié)合地面踏查的工作。以調(diào)查枯死松樹為例，廣東省常見的致死原因，除松材線蟲病以外，還有干旱、過度割脂和人為破壞等。這幾種原因致死的松樹在航拍圖上較為相似，通常要通過地面調(diào)查來鑒定死亡原因。因此學(xué)生必須具備地面調(diào)查的功底，如松材線蟲病常見的樹干天牛蛀屑，木質(zhì)部藍變等癥狀。

只有將三者結(jié)合運用，才能在將來做好林業(yè)有害生物的調(diào)查工作。因此本文作者提出以GIS為核心，地面調(diào)查、無人機遙感、衛(wèi)星遙感3種調(diào)查技術(shù)相結(jié)合的“三位一體”思路。即學(xué)生需要掌握這3種技術(shù)并熟練使用GIS軟件。課程的編排也要由現(xiàn)在的衛(wèi)星遙感和無人機遙感各為獨立的課程，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐园咐秊檩d體，地面調(diào)查、無人機遙感、衛(wèi)星遙感結(jié)合使用的形式，讓學(xué)生具備能夠分析何種場景、何種林業(yè)有害生物適合何種調(diào)查方式的能力。

由于林業(yè)有害生物調(diào)查工作需求的巨大，教師可以從科研中不斷總結(jié)吸取經(jīng)驗，再加上無人機相關(guān)技術(shù)的突飛猛進，實際上作者每年講授的課程都作了一些調(diào)整和改進。同時也因為本課程覆蓋的范圍不斷擴展，如已經(jīng)開設(shè)了藥用植物病蟲害防治，特別是南藥的病蟲害防控，都融入了無人機遙感的內(nèi)容。相信森林保護學(xué)課程中的無人機教學(xué)工作會一直處于這種不斷調(diào)整上升中，以更加適應(yīng)學(xué)生和社會需求。