浅析无人机在林业工作中的应用

      随着复合材料、遥感通信、飞行控制和GPS导航等新技术的快速发展,无人机性能得到大幅提升、功能不断扩展,已可以按照生产工作具体需要,携带不同设备、执行多种任务,各种专业无人机不断涌现。本文结合无人机的概念和发展现状,阐述了无人机对林业的积极意义,提出了无人机在陕西林业中的应用前景,进行分析并提出相关建议。

      1 无人机的概念和发展现状

      无人驾驶航空器(UA: Unmanned Aircraft),简称“无人机”,是指由遥控站管理(包括远程操纵或自主飞行)的航空器。无人机系统(UAS: Unmanned Aircraft System),是指由无人机、相关的遥控站、所需的指令与控制数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组织的系统[1]。

      无人机最早出现于1914年的英国,之后很长一段时期主要作为靶机、侦察机等运用于军事领域。随着技术持续进步和国际形势变化,上世纪末逐渐从军事向民用领域转移。1987年日本为了解决日益减少的农业人口问题,委托雅马哈公司开发出播撒农药的“R-50”无人直升机,是世界上第一架农用无人机[2]。2006年美国航空航天局(NASA)和美国林业局在加州森林大火中使用“牵牛星(Altair)”型无人机,为消防人员实施灭火扑救提供帮助,这是美国首次在国家空域批准无人机开展民用任务[3]。我国民用领域无人机应用起步较晚,但发展迅速。2008年5月,汶川大地震发生后,国家减灾中心运用“千里眼”无人机开展灾区遥感侦察,为灾情评估和救灾决策提供依据。2013年6月3日,我国自主研发的Z5型无人直升机在内蒙古大兴安岭林区根河航空林业站首航,是我国中型无人机首次应用于林业行业。随着微机电制造的进步,2010年云台技术开始在无人机上的得到运用,民用消费级航拍无人机迎来了爆发式增长,2017年全球无人机的产量达到300万架,市场的规模达到60亿美元[4]。

      由于无人机作业高效、施药精准,被认为是开展农业植保的最佳解决方案之一,河南、福建和湖南等省已将无人机纳入地方农机补贴范围[5]。林业工作多位于山区,复杂的使用环境对无人机性能提出了更高要求,目前林业工作中对无人机的应用大多还停留在实验论证阶段,发展前景广阔。

      2 无人机对林业的积极意义

      2.1 实现林业现代化的有效手段

      航空护林的发展程度是一个国家林业现代化水平的重要体现。美国拥有20多种机型、近万架的农林用飞机,近3亿公顷的森林全部采用飞机作业方式进行森林植保,其中无人机约占12%,通用机场有2952个,全年农林业航空作业已达97万余小时,形成了较完善的农林业航空产业体系,为农林业生产带来了15%以上的直接贡献率。截至2016年,我国颁证的民用航空机场仅有218个,全年农林业航空作业仅有5.10万小时,与我国现代化林业的建设目标极不相称。

      2.2 满足基层工作实际的迫切需求

      我国林业基层职工大多由采伐时期转型而来,年龄普遍偏大,已逐渐不适应正常的野外作业。以陕西为例,全省国有林场40岁以上职工占65.3%、50岁以上的占18.9%,职工老龄化问题逐步暴露。大中专院校毕业生在林业行业就业的意愿普遍较低,据调查80.79%的林科大学毕业生认为林业行业工作辛苦、薪水低、发展空间有限,林业专业从业匹配度不足55.5%,人才流失现象严重。因此改善工作环境、提高工作效率就成了当前林业行业迫切需要解决的问题。

      3 无人机在林业中的应用前景

      无人机与载人飞机相比,具有成本低、耗能少、操作简易、无须专用机场等特点,节约财力物力的同时,能有效降低人员风险,非常适合在林区、山区等复杂地形下开展工作,也为林业行业改善工作条件、提高工作效率、加快林业现代化带来了契机。

      3.1 资源调查

      国家林业局于2003年开始,在全国范围采用SPOT5等高分辨率卫星数据开展森林资源调查,开启了森林资源航天遥感调查的热潮。目前各地在一类调查中已普遍采用“卫星数据+地面人工调查”的清查方式,取得了较好效果。但卫星容易受到天气和云层影响,遥感图像分辨率低,而且刷新周期长、使用成本高。通过无人机遥感航拍,可以有效弥补卫星影像分辨率低和时效性差等缺点,极大降低了数据成本、减轻了基层工作量,能有效地提高资源调查的效率和质量。

      3.2 巡护监测

      当前开展巡护监测主要依托人工定期沿特定路线观测记录,效率低下、工作量大。运用无人机技术,在重点林区的中心管护站等位置建设无人机控制中心,以Z5型无人直升机为例(由总参六十所研制:测控半径30-100公里,续航时间3-6小时,最大起飞重量450千克),执行单次任务可实现大范围区域的监测。在有特定任务或需要精细作业时,巡护人员进入林区在巡护主干路空旷地带启动轻型旋翼无人机,即可开展支线重点区域巡护监测,能极大减轻日常巡护工作量、提高资源管护效率。

      3.3 病虫害防治

      随着全球气候变化,以及日益频繁的经济贸易和物流活动,近年森林病虫害呈现程度增强、面积增加的趋势,传统人工监测与防治手段在应对大面积森林病虫害时的弱势已逐渐暴露。2016年全国林业有害生物发生面积1.7亿亩,防治面积1.2亿亩。其中陕西省林业有害生物发生面积620.9万亩,防治面积516.4万亩,影响较为严重的有美国白蛾和松材线虫病。通过无人机航拍,取得高分辨率影像及高光谱数据,能够有效提升有害生物监测预警水平。与传统人工方式比较,运用无人机系统实施病虫害防治不仅能有效降低成本,还解决了人工投放不均、高山陡峭地无法投放等难题,能大幅度提高防治减灾效率。

      3.4 森林防火

      受复杂的地形环境和薄弱的基础设施条件限制,森林火灾一旦发生,扑救难度极大,容易造成严重的生态损失、经济损失和人员伤亡。通过无人机系统实施森林防火,结合GPS定位、实时影像传输等技术,可实现火点与热点信息提取、火情排查与确认、火情告警与分发。遇到险情时无人机可快速前往起火区域,通过简易灭火装置可将火灾消灭在萌芽阶段。森林火灾发生时,传统载人飞机受烟雾、气流等影响较大,火场监测效果有限,且存在安全隐患,而无人机系统可以尽可能地接近火场开展实时监控,有利于探查起火点和火势方向,在安全距离内精准指挥灭火。

      3.5 飞播造林

      飞播造林在陕北黄土高原等人烟稀少、交通不便的地区,是实现荒山绿化、调节生态平衡的重要手段。但传统固定翼飞机实施飞播造林受限于天气、地形等因素,不能按照飞播区域的地形部位、坡向、植被类型等实施精准播种,种子消耗量大、成活率低。无人机具有机动灵活、安全方便的特点,非常适用于较为分散的小播区群的播区设计,能有效弥补传统飞播造林作业中的不足。

      3.6 林区应急管理

      近年来极端气候事件频发,林区自然灾害及其衍生、次生灾害的突发性和危害性有进一步加重加大的趋势。陕西秦岭区域因其得天独厚的人文和自然资源,每年吸引着大量游客,伴随而来的是各类非法穿越屡禁不止、野外遇险的情况时有发生,林区应急管理工作面临严峻复杂的新形势。无人机使用成本低廉、受天气影响小,能快速启动并传送实时画面,有效指导应急及搜救工作开展,可以极大提升林区突发事件处置能力和应急管理水平。

      4 目前存在的问题

      4.1 管理制度缺失

      现行的航空法规已与当前无人机快速发展的形势不相适应,许多政策及标准存在空白。中国民用航空局2013年颁布了《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》的咨询通告,提出专供无人机使用的“隔离空域”,明确无人机实行分类管理,但同时又提出“有关融合空域部分待空管部门出台相关政策后方可实施”。行业准入标准、无人机性能参数和飞行计划申报等方面的规定仍未明确,加之我国低空空域尚未对民用开放,无人机实际使用中基本仍是依据惯例或多方协调,造成了混乱无序的使用环境。据统计目前国内约2万架无人机处于“黑飞”(未经登记批准的飞行)状态,2016年共发生23起无人机扰航事件,完善相关法律法规的工作迫在眉睫。

      4.2 行业融合有限

      无人机技术发展迅猛,但与传统行业的融合还很不足,各种专业应用尚处起步阶段。以占据全球民用小型无人机70%以上市场份额的大疆公司(DJI-Innovations)为例,多数无人机产品已然沦为“大玩具”,其与专业领域结合度较高的仅有(MG-1)农业植保机一款产品,市场潜力尚未打开,以至无人机的产品定位和发展方向陷入了尴尬境地。2015年10月,国家制造强国建设战略咨询委员会发布了《〈中国制造2025〉重点领域技术路线图》,其中指出随着空域开放的不断推进,国内通用飞机、直升机和无人机市场巨大,到2025年无人机将在边境巡逻、治安反恐、农林牧渔、地图测绘、管线监测与维修、应急救援、摄影娱乐等领域大量应用,为无人机行业指明了专业应用的发展方向。

      5 结论和建议

      2014年1月中共中央、国务院印发了《关于全面深化农村改革加快推进农业现代化的若干意见》,提出要加强农林用航空建设。2016年5月国务院办公厅印发了《关于促进通用航空业发展的指导意见》,明确到2020年要建成500个以上通用机场,基本实现地级以上城市拥有通用机场或兼顾通用航空服务的运输机场,覆盖农产品主产区、主要林区和50%以上的5A级旅游景区,通用航空器达到5000架以上,年飞行量200万小时以上。国家层面的支持,为无人机系统在林业工作中的广泛运用创造了先决条件。

      陕西省作为我国重要的航空事业基地,科研力量雄厚、技术平台成熟,并且有着重视运用航空器材开展林业工作的传统。由陕西省林业勘察设计院和陕西省飞播造林工作站起草的《飞播造林技术规程》(GB/T 15162-2005)已于2005年被确定为该项工作的国家标准,锻炼和凝聚了一支技术过硬的人才队伍,2017年陕西省还成立了林业科学研究院,行业科研力量得到进一步增强,陕西省完全有能力在林业专业无人机的研究和应用领域走在全国前列。相关建议:一是完善政策支撑。积极与航空管理机构协调,借助空域改革的东风,制定适应林业航空工作的省级管理制度。并争取将林业无人机纳入农机补贴范围,加大政策扶持力度;二是加强专业合作。积极与高校、科研机构及无人机研发和生产企业合作,加快无人机技术与林业行业融合,开发适合林区和林业工作实际的专业无人机系统;三是明确发展思路。加快编制无人机航空护林的发展规划,积极开展林业无人机专项业务试点,制定林业无人机资源监测、病虫害防治等工作的技术规程和标准;四是释放行业活力。鼓励社会资本投身林业航空事业发展,同时积极建设林业航空组织体系,创办林业无人机协会等,促进林业无人机行业健康有序发展。

      随着科学技术的持续进步,越来越多的高新技术将应用于无人机领域,无人机系统的性能和功能也会得到进一步提升,必将在陕西林业工作中发挥越来越大的作用,为推动现代林业、智慧林业和精准林业的建设与发展提供强有力的支撑。

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