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  • 淺析無人機在林業工作中的應用

      隨著復合材料、遙感通信、飛行控制和GPS導航等新技術的快速發展,無人機性能得到大幅提升、功能不斷擴展,已可以按照生產工作具體需要,攜帶不同設備、執行多種任務,各種專業無人機不斷涌現。本文結合無人機的概念和發展現狀,闡述了無人機對林業的積極意義,提出了無人機在陜西林業中的應用前景,進行分析并提出相關建議。

      1 無人機的概念和發展現狀

      無人駕駛航空器(UA: Unmanned Aircraft),簡稱“無人機”,是指由遙控站管理(包括遠程操縱或自主飛行)的航空器。無人機系統(UAS: Unmanned Aircraft System),是指由無人機、相關的遙控站、所需的指令與控制數據鏈路以及批準的型號設計規定的任何其他部件組織的系統[1]。

      無人機最早出現于1914年的英國,之后很長一段時期主要作為靶機、偵察機等運用于軍事領域。隨著技術持續進步和國際形勢變化,上世紀末逐漸從軍事向民用領域轉移。1987年日本為了解決日益減少的農業人口問題,委托雅馬哈公司開發出播撒農藥的“R-50”無人直升機,是世界上第一架農用無人機[2]。2006年美國航空航天局(NASA)和美國林業局在加州森林大火中使用“牽牛星(Altair)”型無人機,為消防人員實施滅火撲救提供幫助,這是美國首次在國家空域批準無人機開展民用任務[3]。我國民用領域無人機應用起步較晚,但發展迅速。2008年5月,汶川大地震發生后,國家減災中心運用“千里眼”無人機開展災區遙感偵察,為災情評估和救災決策提供依據。2013年6月3日,我國自主研發的Z5型無人直升機在內蒙古大興安嶺林區根河航空林業站首航,是我國中型無人機首次應用于林業行業。隨著微機電制造的進步,2010年云臺技術開始在無人機上的得到運用,民用消費級航拍無人機迎來了爆發式增長,2017年全球無人機的產量達到300萬架,市場的規模達到60億美元[4]。

      由于無人機作業高效、施藥精準,被認為是開展農業植保的最佳解決方案之一,河南、福建和湖南等省已將無人機納入地方農機補貼范圍[5]。林業工作多位于山區,復雜的使用環境對無人機性能提出了更高要求,目前林業工作中對無人機的應用大多還停留在實驗論證階段,發展前景廣闊。

      2 無人機對林業的積極意義

      2.1 實現林業現代化的有效手段

      航空護林的發展程度是一個國家林業現代化水平的重要體現。美國擁有20多種機型、近萬架的農林用飛機,近3億公頃的森林全部采用飛機作業方式進行森林植保,其中無人機約占12%,通用機場有2952個,全年農林業航空作業已達97萬余小時,形成了較完善的農林業航空產業體系,為農林業生產帶來了15%以上的直接貢獻率。截至2016年,我國頒證的民用航空機場僅有218個,全年農林業航空作業僅有5.10萬小時,與我國現代化林業的建設目標極不相稱。

      2.2 滿足基層工作實際的迫切需求

      我國林業基層職工大多由采伐時期轉型而來,年齡普遍偏大,已逐漸不適應正常的野外作業。以陜西為例,全省國有林場40歲以上職工占65.3%、50歲以上的占18.9%,職工老齡化問題逐步暴露。大中專院校畢業生在林業行業就業的意愿普遍較低,據調查80.79%的林科大學畢業生認為林業行業工作辛苦、薪水低、發展空間有限,林業專業從業匹配度不足55.5%,人才流失現象嚴重。因此改善工作環境、提高工作效率就成了當前林業行業迫切需要解決的問題。

      3 無人機在林業中的應用前景

      無人機與載人飛機相比,具有成本低、耗能少、操作簡易、無須專用機場等特點,節約財力物力的同時,能有效降低人員風險,非常適合在林區、山區等復雜地形下開展工作,也為林業行業改善工作條件、提高工作效率、加快林業現代化帶來了契機。

      3.1 資源調查

      國家林業局于2003年開始,在全國范圍采用SPOT5等高分辨率衛星數據開展森林資源調查,開啟了森林資源航天遙感調查的熱潮。目前各地在一類調查中已普遍采用“衛星數據+地面人工調查”的清查方式,取得了較好效果。但衛星容易受到天氣和云層影響,遙感圖像分辨率低,而且刷新周期長、使用成本高。通過無人機遙感航拍,可以有效彌補衛星影像分辨率低和時效性差等缺點,極大降低了數據成本、減輕了基層工作量,能有效地提高資源調查的效率和質量。

      3.2 巡護監測

      當前開展巡護監測主要依托人工定期沿特定路線觀測記錄,效率低下、工作量大。運用無人機技術,在重點林區的中心管護站等位置建設無人機控制中心,以Z5型無人直升機為例(由總參六十所研制:測控半徑30-100公里,續航時間3-6小時,最大起飛重量450千克),執行單次任務可實現大范圍區域的監測。在有特定任務或需要精細作業時,巡護人員進入林區在巡護主干路空曠地帶啟動輕型旋翼無人機,即可開展支線重點區域巡護監測,能極大減輕日常巡護工作量、提高資源管護效率。

      3.3 病蟲害防治

      隨著全球氣候變化,以及日益頻繁的經濟貿易和物流活動,近年森林病蟲害呈現程度增強、面積增加的趨勢,傳統人工監測與防治手段在應對大面積森林病蟲害時的弱勢已逐漸暴露。2016年全國林業有害生物發生面積1.7億畝,防治面積1.2億畝。其中陜西省林業有害生物發生面積620.9萬畝,防治面積516.4萬畝,影響較為嚴重的有美國白蛾和松材線蟲病。通過無人機航拍,取得高分辨率影像及高光譜數據,能夠有效提升有害生物監測預警水平。與傳統人工方式比較,運用無人機系統實施病蟲害防治不僅能有效降低成本,還解決了人工投放不均、高山陡峭地無法投放等難題,能大幅度提高防治減災效率。

      3.4 森林防火

      受復雜的地形環境和薄弱的基礎設施條件限制,森林火災一旦發生,撲救難度極大,容易造成嚴重的生態損失、經濟損失和人員傷亡。通過無人機系統實施森林防火,結合GPS定位、實時影像傳輸等技術,可實現火點與熱點信息提取、火情排查與確認、火情告警與分發。遇到險情時無人機可快速前往起火區域,通過簡易滅火裝置可將火災消滅在萌芽階段。森林火災發生時,傳統載人飛機受煙霧、氣流等影響較大,火場監測效果有限,且存在安全隱患,而無人機系統可以盡可能地接近火場開展實時監控,有利于探查起火點和火勢方向,在安全距離內精準指揮滅火。

      3.5 飛播造林

      飛播造林在陜北黃土高原等人煙稀少、交通不便的地區,是實現荒山綠化、調節生態平衡的重要手段。但傳統固定翼飛機實施飛播造林受限于天氣、地形等因素,不能按照飛播區域的地形部位、坡向、植被類型等實施精準播種,種子消耗量大、成活率低。無人機具有機動靈活、安全方便的特點,非常適用于較為分散的小播區群的播區設計,能有效彌補傳統飛播造林作業中的不足。

      3.6 林區應急管理

      近年來極端氣候事件頻發,林區自然災害及其衍生、次生災害的突發性和危害性有進一步加重加大的趨勢。陜西秦嶺區域因其得天獨厚的人文和自然資源,每年吸引著大量游客,伴隨而來的是各類非法穿越屢禁不止、野外遇險的情況時有發生,林區應急管理工作面臨嚴峻復雜的新形勢。無人機使用成本低廉、受天氣影響小,能快速啟動并傳送實時畫面,有效指導應急及搜救工作開展,可以極大提升林區突發事件處置能力和應急管理水平。

      4 目前存在的問題

      4.1 管理制度缺失

      現行的航空法規已與當前無人機快速發展的形勢不相適應,許多政策及標準存在空白。中國民用航空局2013年頒布了《民用無人駕駛航空器系統駕駛員管理暫行規定》的咨詢通告,提出專供無人機使用的“隔離空域”,明確無人機實行分類管理,但同時又提出“有關融合空域部分待空管部門出臺相關政策后方可實施”。行業準入標準、無人機性能參數和飛行計劃申報等方面的規定仍未明確,加之我國低空空域尚未對民用開放,無人機實際使用中基本仍是依據慣例或多方協調,造成了混亂無序的使用環境。據統計目前國內約2萬架無人機處于“黑飛”(未經登記批準的飛行)狀態,2016年共發生23起無人機擾航事件,完善相關法律法規的工作迫在眉睫。

      4.2 行業融合有限

      無人機技術發展迅猛,但與傳統行業的融合還很不足,各種專業應用尚處起步階段。以占據全球民用小型無人機70%以上市場份額的大疆公司(DJI-Innovations)為例,多數無人機產品已然淪為“大玩具”,其與專業領域結合度較高的僅有(MG-1)農業植保機一款產品,市場潛力尚未打開,以至無人機的產品定位和發展方向陷入了尷尬境地。2015年10月,國家制造強國建設戰略咨詢委員會發布了《〈中國制造2025〉重點領域技術路線圖》,其中指出隨著空域開放的不斷推進,國內通用飛機、直升機和無人機市場巨大,到2025年無人機將在邊境巡邏、治安反恐、農林牧漁、地圖測繪、管線監測與維修、應急救援、攝影娛樂等領域大量應用,為無人機行業指明了專業應用的發展方向。

      5 結論和建議

      2014年1月中共中央、國務院印發了《關于全面深化農村改革加快推進農業現代化的若干意見》,提出要加強農林用航空建設。2016年5月國務院辦公廳印發了《關于促進通用航空業發展的指導意見》,明確到2020年要建成500個以上通用機場,基本實現地級以上城市擁有通用機場或兼顧通用航空服務的運輸機場,覆蓋農產品主產區、主要林區和50%以上的5A級旅游景區,通用航空器達到5000架以上,年飛行量200萬小時以上。國家層面的支持,為無人機系統在林業工作中的廣泛運用創造了先決條件。

      陜西省作為我國重要的航空事業基地,科研力量雄厚、技術平臺成熟,并且有著重視運用航空器材開展林業工作的傳統。由陜西省林業勘察設計院和陜西省飛播造林工作站起草的《飛播造林技術規程》(GB/T 15162-2005)已于2005年被確定為該項工作的國家標準,鍛煉和凝聚了一支技術過硬的人才隊伍,2017年陜西省還成立了林業科學研究院,行業科研力量得到進一步增強,陜西省完全有能力在林業專業無人機的研究和應用領域走在全國前列。相關建議:一是完善政策支撐。積極與航空管理機構協調,借助空域改革的東風,制定適應林業航空工作的省級管理制度。并爭取將林業無人機納入農機補貼范圍,加大政策扶持力度;二是加強專業合作。積極與高校、科研機構及無人機研發和生產企業合作,加快無人機技術與林業行業融合,開發適合林區和林業工作實際的專業無人機系統;三是明確發展思路。加快編制無人機航空護林的發展規劃,積極開展林業無人機專項業務試點,制定林業無人機資源監測、病蟲害防治等工作的技術規程和標準;四是釋放行業活力。鼓勵社會資本投身林業航空事業發展,同時積極建設林業航空組織體系,創辦林業無人機協會等,促進林業無人機行業健康有序發展。

      隨著科學技術的持續進步,越來越多的高新技術將應用于無人機領域,無人機系統的性能和功能也會得到進一步提升,必將在陜西林業工作中發揮越來越大的作用,為推動現代林業、智慧林業和精準林業的建設與發展提供強有力的支撐。

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