无人机遥感（UAV-RS）在高精度森林资源监测的应用分析

曾剑生 李春干

1. 广西天茂测绘科技有限公司 广西 南宁 530023；

2. 广西大学林学院 广西 南宁 530001

近年来，无人机技术得到迅猛发展，其以自身所具备的优势，在诸多领域中获得广泛应用。无人机遥感是无人机与遥感技术的有机结合，通过该技术能够对空间遥感信息进行快速获取，由此可为森林资源监测提供条件。下面就无人机遥感在森林资源监测中的应用展开分析探讨。

1 无人机遥感技术及其应用特点

无人机遥感简称UAV-RS，它是由无人机（UAV）和遥感（RS）组成的一项非常先进的技术。通过对RS技术、传感器技术、遥测与遥控技术、无线通信技术、GPS-RTK技术的有效利用，可以实现对相关空间遥感信息的快速获取，包括国土资源、自然环境以及地震灾区等[1]，整个过程具有智能化、自动化的特点，同时可对获取到信息进行分析处理。UAV-RS的优势体现在机动性、快速性和经济性等方面，该技术的应用特点如下：

1.1 无人机的应用特点

无人机归属于飞行器的范畴，可通过无线电进行遥控操作，不需要载人，能够完成各种不适宜有人驾驶的任务，如灾害调查、遥感监测等等。根据飞行特点可将无人机分为两类，一类是固定翼，另一类是直升机。其中前者具备遥控和程控两种操控方式，无人机本身的抗风能力比较强，可以同时搭载多种遥感传感器，起飞和降落方式多，且不需要太大的场地，但要求场地空旷，适用于林业资源监测。后者突出的特点是可以定点起落降，对场地要求不高，机身结构复杂，操控难度大，种类比较有限，适用于突发事件调查。

1.2 遥感传感器的应用特点

遥感传感器可以按照不同的遥感任务，利用相应的设备，如数码相机、红外扫描仪、光谱成像仪、SAR（合成孔径雷达）等，完成任务。它的特点体现在如下方面：重量轻、体积小、精度高、性能完备、信息存储量大、数字化等。

2 无人机遥感在森林资源监测中的具体应用

在森林当中有着大量的资源，对这些资源进行监测，能够为资源管理提供依据，有助于促进森林的可持续发展。UAV-RS在森林资源监测中的应用主要体现在如下几个方面：调查规划、病虫害监测、林火监测、森林生物量测定以及树种识别等。

2.1 调查规划

森林资源监测可为林业调查规划提供依据，采用传统的方法进行调查时，需要借助大量的人力资源完成树种、树高、地块类型以及林地蓄积等方面的调查工作[2]，不但耗时较长，还会导致其他资源的耗费，并且工作效率不高。通过对UAV-RS的应用，可以使林业调查规划工作过程变得更加简单。在无人机上搭载高清摄像机、光谱成像仪或激光雷达，对目标林区进行监测，进而获取相应的遥感影像，利用这些影像，通过无人机激光雷达点云生产精确的数字高程模型（DEM）和多期数字表面模型（DSM），从而获得得到多期森林冠层表面模型(CHM)，通过多期CHM能够分析森林全林分高生长的空间情况，可为林地资源调查提供支撑。

2.2 病虫害监测

在森林当中，病虫害对林木资源的危害性较大，若是大面积发生病虫害，则可能导致树木大量死亡。由于病虫害的种类既多且杂，加之森林覆盖范围广，凭借人力对病虫害进行监测很难实现。近年来，国家对林业发展给予了足够的重视，林业资源不断增多，但从总体情况看，整个林地生态系统仍然显得比较脆弱，给病虫害的发生提供了条件。为此，加大林区病虫害监测力度显得尤为必要，通过监测能够及时发现病虫害的情况，可为防治方案的制定以及相关措施的选用提供依据。在林业病虫害监测中，可对UAV-RS进行合理运用，通过该技术能够对林区内的病虫害进行全面监测，借助相关设备，如可见光摄像机、多光谱和高光谱成像仪等，可实现常见害虫的监测，并在发现害虫后及时发出预警提示。比如，在无人机上搭载多波段成像传感器，能够对梨锈病进行分析，通过相关波段，并结合植被指数数据，能够辨别出树木叶子是否存在梨锈病[3]。发现病害后，可利用无人机搭载农药喷施设备，对病虫害进行防治，降低病虫害对林木生长的影响。

2.3 林火监测

在所有能够对森林资源造成威胁的因素当中，火灾无疑是影响程度最高的因素之一，若是森林发生火灾，则可能使其中的资源大量损失，扑救不及时，还会导致更为严重的后果。所以对林火进行监测显得尤为必要，特别是一些火灾发生概率较高的林区。传统的监测方法费时费力，效果不佳，为提高监测效率，可对UAV-RS进行应用，由此除了可以预防林火的发生之外，还能对火灾发生后现场的实际情况进行探测，为灾后评估提供可靠依据。UAV-RS在林火监测中的具体应用如下：

（1）探测林火

借助UAV-RS可对林区内的火灾进行探测。当森林内的某个区域起火之后，利用无人机可以对起火点及火灾覆盖范围进行有效探测，以无线通信技术能够及时发出报警提示，对起火点的坐标进行传输，为火灾快速扑救提供依据。

（2）提取遥感图像

UAV-RS可对空间遥感图像进行提取，随后将火灾图像转化为颜色模型，再选取相应的函数便可完成火灾识别。实践表明，UAV-RS在森林火灾中的探测与识别进度能够达到87%以上，可对火灾进行有效探测[4]。

（3）判断火灾

可在无人机上搭载热成像数字摄像机，利用视频图像，并配合灰度阈值，可对森林内的火灾进行探测，由此可以判断出是否起火。

（4）火灾智能识别

利用UAV-RS能够对森林火灾发生前后的图像进行获取，在明确相似度阈值的基础上，可将接近阈值的情况判定为火灾。由此可实现森林火灾的智能化识别。不仅如此，UAV-RS还能对火灾发生后的场景进行评估。

2.4 树种识别

在森林当中有着种类繁多的树木，对树种进行有效识别是森林资源监测的主要内容之一。通常情况下，以地面观测的方法能够得到部分森林资源的信息，但由于观测方法本身存在的不足，导致对一些树种的特征无法进行有效识别。比如树种冠幅的轮廓、颜色以及纹理等，而地面观测缺失的这些内容，恰好是空中观测的主要特征。由于常规的卫星遥感在该方面的观测中无法确保精确度，并且时间也很难保持连续，若是想要获取分辨率较高的数据，则必须花费高昂的代价[5]。UAV-RS的出现为这一问题的解决提供了途径，通过该技术在森林资源监测中的应用，可对树种进行有效识别。UAV-RS在树种识别中的具体应用如下：

以阔叶林作为监测对象，借助UAV-RS对其中的树种进行区分，按照多个时段进行调查，据此对图像时间序列进行收集。通过对树种的识别分类，可确定林区内植物最佳萌动期；在无人机上搭载光谱线机和激光雷达，对森林资源进行监测，将获取到的两种数据结合起来，可实现多种树种的有效识别，这种方法比单一数据的效果更佳；依托UAV-RS数据，可对林下植被覆盖进行识别，通过影像分割、样本训练等方法，可以对林下有、无植被覆盖进行区分，精度在85%以上[6]。

2.5 森林生物量测定

森林是一个生态系统，这个系统的正常运转需要能量与物质作为支撑，而森林生物量则是森林通过长期生产与代谢积累的成果，包括林木生物量、林下植被层生物量等，是森林资源监测的关键指标之一，常被作为森林碳平衡评估的参数使用。可以借助UAV-RS技术，对森林生物量进行测定，这里的森林生物量主要是指地上，不包括地下植被层。具体应用如下：

利用UAV-RS技术，并结合相关的野外数据，可对森林资源进行全面清查，据此能够对UAV-RS在森林生物特性获取方面的表现情况进行评估。监测结果表明，UAV-RS在森林生物量的获取方面具有较为显著的效果，可以进行推广使用；可应用UAVRS对森林内树木的林冠面积及胸径进行测定，根据该结果，可构建林地生物量模型，通过该模型能够估算出森林内的地上生物量；使用无人机搭载激光雷达，获取森林资源的相关数据，再依托回归模型，估测森林中的地上生物量，估测结果的精度非常高；依托UAV-RS数据，对树冠高度模型进行构建，据此对森林内单根树木的高度进行提取，然后利用分水岭分割的方法，对树木的冠幅进行获取，结合胸径反演模型，可以获得单木的胸径尺寸，结合生物量异速生长发生，便可计算出森林内的单木生物量，这样便可按照林木总量，估算出森林内的总生物量。

3 结束语

综上所述，无人机遥感在森林资源监测中具有良好的应用效果，除了能够用于林业调查规划之外，还能对病虫害、林火进行监测，并且可以识别树种和测定森林生物量。未来应加大对无人机遥感技术的研究力度，从而使其更好地为森林资源监测服务。