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        無人機(jī)遙感技術(shù)與ArcGIS數(shù)據(jù)處理在林業(yè)系統(tǒng)中的運(yùn)用

        2021-11-19 12:01:28聶麗
        南方農(nóng)業(yè)·中旬 2021年9期

        聶麗

        摘 要 林業(yè)系統(tǒng)是社會(huì)可持續(xù)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是國(guó)家生態(tài)體系的重要組成部分。國(guó)內(nèi)的林業(yè)系統(tǒng)發(fā)展仍然處于轉(zhuǎn)型階段,為了確保林業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展,需要引進(jìn)以無人機(jī)遙感和ArcGIS為代表的先進(jìn)技術(shù)。闡述無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS系統(tǒng)的概念,結(jié)合實(shí)例分別對(duì)其在林業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析總結(jié)。

        關(guān)鍵詞 無人機(jī)遙感技術(shù);ArcGIS;林業(yè);江西省撫州市

        中圖分類號(hào):F326.2;P237 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.26.021

        隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技水平的迅速提升,傳統(tǒng)概念上的封閉式林業(yè)管理已經(jīng)不符合時(shí)代發(fā)展的潮流。為了更準(zhǔn)確地了解林業(yè)系統(tǒng)的內(nèi)部情況和資源分布情況,很多林業(yè)部門選擇引進(jìn)無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)區(qū)域內(nèi)的林業(yè)資源進(jìn)行系統(tǒng)管理。這種新型管理方式既能夠直接地顯示出林業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部資源的分布情況,又能夠提升林業(yè)系統(tǒng)管理的工作效率和工作質(zhì)量,幫助建設(shè)林業(yè)系統(tǒng)的智能化管理[1]。

        1 無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

        無人機(jī)遙感技術(shù)是無人機(jī)航空拍攝技術(shù)的一種,是將無人機(jī)與遙感技術(shù)相融合,借助無人自動(dòng)化駕駛技術(shù)和遙感遙控技術(shù)及時(shí)獲得空間信息。無人機(jī)遙感技術(shù)屬于低空操作技術(shù),在收集圖片和影像時(shí)不會(huì)受到大氣層波動(dòng)的干擾,具備使用簡(jiǎn)易、操作成本較低、影像分辨率高及收集圖像速度快等優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)遙感技術(shù)由外部影像獲取和內(nèi)部影像加工2個(gè)部分組成。外部影像獲取主要是利用無人機(jī)對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行正面影像采集,考慮到無人機(jī)屬于低空飛行,拍攝覆蓋面積有限,因此在實(shí)際操作中通常選擇將多個(gè)圖像拼接整合后獲得指定區(qū)域的遙感信息。內(nèi)部影像加工主要是指使用專門的影像模型軟件對(duì)收集到的影像進(jìn)行縱向和水平對(duì)齊、校正圖片、繪制三維模型和填充紋理等,最終得到一份完整的正投影像和測(cè)試區(qū)域的三維參數(shù),以便日后在ArcGIS系統(tǒng)中進(jìn)行處理和分析[2]。

        ArcGIS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是對(duì)地理數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、整合、分析和運(yùn)用的綜合性信息處理平臺(tái),對(duì)于林業(yè)系統(tǒng)的管理有很高的應(yīng)用價(jià)值。ArcGIS系統(tǒng)主要包括地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)立、信息數(shù)據(jù)的錄入及數(shù)據(jù)的整合和分析等。根據(jù)實(shí)際需要建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)框架,以點(diǎn)線面的方式建立數(shù)據(jù)內(nèi)容之間的客觀聯(lián)系。開始信息數(shù)據(jù)的錄入時(shí),要注意地理信息的完整性及可對(duì)比性,并對(duì)無人機(jī)遙感技術(shù)獲取和加工過的三維數(shù)據(jù)與正面投影影像對(duì)比校正,在校正過程中要關(guān)注坐標(biāo)系的適用范圍。在此基礎(chǔ)上就可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合和分析工作,如林區(qū)類型的整合統(tǒng)計(jì)、林區(qū)面積變動(dòng)情況及長(zhǎng)寬、坡度等相關(guān)地形參數(shù),形成直觀的三維模型圖,以清晰直觀的方式展示林業(yè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀。

        無人機(jī)作為方便靈活的采集設(shè)備搭載平臺(tái),可以充分滿足大范圍內(nèi)三維數(shù)據(jù)采集的需要,為林業(yè)調(diào)查、觀測(cè)和管控等方面提供準(zhǔn)確完整的數(shù)據(jù)支撐;而ArcGIS則充分利用無人機(jī)采集到的遙感信息,進(jìn)行林業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建和三維模型圖的制作等進(jìn)一步的加工處理工作[3]。無人機(jī)遙感影像的直觀性與ArcGIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能的充分結(jié)合和銜接,可以實(shí)現(xiàn)林業(yè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集和遠(yuǎn)程信息化管理,進(jìn)一步推進(jìn)林業(yè)系統(tǒng)的現(xiàn)代化管理。

        2 無人機(jī)遙感技術(shù)在林業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2.1 森林滅火

        森林火災(zāi)常常會(huì)造成巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)損失及人員傷害,且撲滅難度很大,因此需要林業(yè)部門進(jìn)行特別和重點(diǎn)的關(guān)注?,F(xiàn)階段使用的森林防火方法是派遣專門人員進(jìn)行實(shí)地觀察和巡邏,但這種傳統(tǒng)的方法工作量大、危險(xiǎn)程度高、監(jiān)測(cè)水平低,對(duì)覆蓋面較廣的大型林區(qū)不合適[4]。此外,當(dāng)火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生時(shí),這種方法會(huì)給巡邏觀測(cè)人員帶來很大的危險(xiǎn)。因此,森林火災(zāi)防范中引入無人機(jī)遙感技術(shù),可以充分發(fā)揮其操作簡(jiǎn)單、快速應(yīng)對(duì)、使用成本低、影像拍攝清晰度高及多功能等優(yōu)勢(shì),對(duì)發(fā)生火災(zāi)的火場(chǎng)實(shí)施動(dòng)態(tài)觀測(cè),幫助及時(shí)撲滅森林火災(zāi)。

        2.2 森林資源勘查

        森林資源勘察也是林業(yè)系統(tǒng)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),傳統(tǒng)的資源勘查常常需要借助人力實(shí)地考察,會(huì)造成大量的人力和財(cái)力浪費(fèi)。而在快速發(fā)展的科技水平的帶動(dòng)下,森林資源勘察的方式從抽樣調(diào)查、隨機(jī)調(diào)查逐步過渡到無人機(jī)遙感勘察階段,可以迅速收集指定區(qū)域的森林資源數(shù)據(jù),具備時(shí)效度高、成本耗費(fèi)低、能源損耗少及清晰程度高等相對(duì)優(yōu)勢(shì)。如東鄉(xiāng)區(qū)林業(yè)局在林區(qū)調(diào)查中使用了無人機(jī)遙感技術(shù),在勘察過程中采集到了清晰程度很高的遙感影像,并將其導(dǎo)入相應(yīng)的圖像處理軟件進(jìn)行分析和研究,取得了很好的工作成效[5]。

        2.3 野生動(dòng)物觀測(cè)

        在野生動(dòng)物的生存和行動(dòng)軌跡觀測(cè)上,無人機(jī)遙感技術(shù)具有極高的時(shí)效性,能夠第一時(shí)間掌握整個(gè)區(qū)域的野生動(dòng)物族群。通過引入無人機(jī)遙感技術(shù),不僅可以實(shí)時(shí)觀測(cè)野生動(dòng)物族群的分布情況和生長(zhǎng)趨勢(shì),還可以對(duì)瀕危的珍貴種群進(jìn)行全方位、全時(shí)間段的動(dòng)態(tài)跟蹤觀察,避免人工巡邏對(duì)野生動(dòng)物造成的干擾,降低實(shí)地觀測(cè)的人力和財(cái)力成本。

        2.4 林業(yè)有害生物防治

        現(xiàn)階段,林業(yè)病蟲害防治主要依賴人力噴灌農(nóng)藥、設(shè)置防蟲網(wǎng)、化學(xué)試劑誘殺及黑光燈誘捕等方式,但隨著國(guó)內(nèi)綠地面積的擴(kuò)展及極端氣候的頻繁出現(xiàn),森林病蟲災(zāi)害愈發(fā)頻繁,導(dǎo)致傳統(tǒng)的防治措施在對(duì)付大規(guī)模森林病蟲災(zāi)害時(shí)呈現(xiàn)出較大的劣勢(shì)。利用無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)藥的噴灑和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)可以顯著提高病蟲害的監(jiān)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)能力,降低甚至消除森林有害生物對(duì)林業(yè)系統(tǒng)和林區(qū)資源造成的災(zāi)難性傷害。國(guó)內(nèi)使用無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行有害生物防治的成功案例之一就是江西省撫州市東鄉(xiāng)區(qū)林業(yè)局利用無人機(jī)遙感配合ArcGIS技術(shù)進(jìn)行枯死馬尾松普查工作,清點(diǎn)枯死馬尾松的數(shù)量、分布區(qū)域并以此為基礎(chǔ)判斷清理的難易程度,通過制定快速高效的防治策略,保障區(qū)域內(nèi)的生態(tài)安全。

        3 ArcGIS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在林業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

        3.1 林區(qū)資源清查和管控

        ArcGIS技術(shù)可以通過自帶的成圖功能完成對(duì)林區(qū)資源的清查工作,其工作流程是勘察人員將收集到的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資源經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)锳rcGIS可以分析的數(shù)據(jù)表格,之后再利用該技術(shù)將整理加工之后的數(shù)據(jù)表格轉(zhuǎn)換為圖形存儲(chǔ)到相應(yīng)處理設(shè)備中,進(jìn)而幫助決策者快速計(jì)算面積和匯總數(shù)據(jù),對(duì)林業(yè)數(shù)據(jù)和林區(qū)資源進(jìn)行有效的遙控管理。

        3.2 林區(qū)電子地圖的繪制

        林區(qū)系統(tǒng)的管理離不開圖面影像和資料的支撐,因此在林區(qū)系統(tǒng)中引入ArcGIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)可以有效緩解制圖壓力。1)ArcGIS的圖層功能可以將獲得的影像和數(shù)據(jù)信息劃分為多個(gè)層次,在分析時(shí)可以選擇觀看需要的數(shù)據(jù)信息圖層,減少多種信息混亂疊加造成的困擾[6]。2)ArcGIS可以將地圖以點(diǎn)線面的形式展示出來,方便管理人員對(duì)地圖進(jìn)行直接操作和簡(jiǎn)單調(diào)整。3)ArcGIS將所有圖像重新組合和疊加,在不同圖層之間建立起內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu),并根據(jù)不同專題目標(biāo)進(jìn)行內(nèi)容輸出。如ArcGIS可以利用自帶的成圖功能,將GPS坐標(biāo)信息和林區(qū)勘察資料信息以圖形的方式呈現(xiàn)出某一點(diǎn)位的GPS地理坐標(biāo)和勘察數(shù)據(jù),方便林區(qū)管理人員對(duì)轄區(qū)內(nèi)森林的概況和具體坐標(biāo)進(jìn)行總體掌握。

        3.3 林業(yè)規(guī)劃和經(jīng)營(yíng)管理

        ArcGIS地理信息處理系統(tǒng)可以幫助林區(qū)管理人員進(jìn)行信息的處理傳遞和林業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建,使工作人員及時(shí)獲取林區(qū)系統(tǒng)的發(fā)展情況,并以此為依據(jù)擬出符合規(guī)劃的具體方案,之后經(jīng)過模擬對(duì)比后得出更加實(shí)際和合理的具體管理方案。如ArcGIS可以對(duì)不斷變換的森林資源產(chǎn)量和野生動(dòng)植物的數(shù)量進(jìn)行預(yù)測(cè),并結(jié)合之前繪制的林區(qū)電子地圖中詳盡的參數(shù)數(shù)據(jù),在ArcGIS系統(tǒng)中形成預(yù)測(cè)模型,幫助管理人員完成林業(yè)規(guī)劃工作。

        3.4 林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理

        在完成分析預(yù)測(cè)模型的建立和對(duì)林區(qū)自然資源分布情況掌握的基礎(chǔ)上,ArcGIS可以幫助林區(qū)工作人員制定長(zhǎng)期和短期的生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃。ArcGIS中內(nèi)置許多重要的分析和描述工具,可以對(duì)生態(tài)的發(fā)展過程進(jìn)行模擬,并對(duì)轄區(qū)內(nèi)的生物多樣性進(jìn)行反復(fù)分析。ArcGIS還可以整合當(dāng)?shù)厝丝跀?shù)據(jù)和生態(tài)信息,在疊加和組合的基礎(chǔ)上分析人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響,避免生態(tài)系統(tǒng)遭到人為的過度破壞,推動(dòng)森林資源的可持續(xù)發(fā)展。通過約束人類活動(dòng)的界限,從經(jīng)濟(jì)和政策2大方面為人類和生態(tài)實(shí)現(xiàn)和諧互動(dòng)提供強(qiáng)力保障。ArcGIS中的分析預(yù)測(cè)模型所繪制的電子地圖使得居民接觸到以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化形式傳達(dá)的生態(tài)數(shù)據(jù)信息,能大大提升居民對(duì)城市綠化和環(huán)境保護(hù)的參與度。

        4 無人機(jī)遙感技術(shù)與ArcGIS數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用案例

        以江西省撫州市的林業(yè)工作為例,可以看到無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS數(shù)據(jù)處理在林業(yè)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用情況。撫州市林業(yè)局從戰(zhàn)略層面上對(duì)新技術(shù)的引入和使用給予重視,通過了以“林業(yè)機(jī)載軟件系統(tǒng)研發(fā)及集成”建設(shè)內(nèi)容為代表的林業(yè)資源監(jiān)測(cè)機(jī)載系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目,項(xiàng)目包括了機(jī)載業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研發(fā)、機(jī)載時(shí)空信息云服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)及機(jī)載設(shè)備運(yùn)行情況的測(cè)試等。

        在實(shí)踐中,撫州市林業(yè)局在區(qū)域內(nèi)首次利用無人機(jī)開展了苗圃地勘察,為苗圃地周圍的林區(qū)資源評(píng)估提供了數(shù)據(jù)支持。針對(duì)苗圃地及周圍的樹木品種多、規(guī)格不一致、地區(qū)劃分不明確等問題,南城縣林業(yè)局首次將無人機(jī)遙感技術(shù)投入到使用中。通過無人機(jī)技術(shù)低空拍攝苗圃地實(shí)景,再將多張影像拼接成一個(gè)完整且附帶地理坐標(biāo)的空間矢量圖。之后將該矢量圖錄入ArcGIS中,就可以在系統(tǒng)中完成小班劃分、面積估算、株數(shù)統(tǒng)計(jì)等工作,并對(duì)苗木的高度、半徑、株距等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,完成苗圃地區(qū)的森林資源勘察,進(jìn)一步推動(dòng)南城縣和撫州市在林業(yè)現(xiàn)代化和林業(yè)智能化方向繼續(xù)發(fā)展。除此之外,撫州市還組織了下屬區(qū)縣參與到江西省的無人機(jī)遙感技術(shù)培訓(xùn)中,參與學(xué)員在培訓(xùn)班結(jié)束后都做到了對(duì)無人機(jī)駕駛技術(shù)的掌握,完成了規(guī)定的培訓(xùn)目標(biāo)。這不僅提高了林區(qū)管理人員的技術(shù)水平和創(chuàng)新意識(shí),也為向更大范圍內(nèi)推廣無人機(jī)航空遙感技術(shù)提供了方向,有助于推進(jìn)新技術(shù)在林區(qū)系統(tǒng)管理和災(zāi)害防治中的應(yīng)用,提高撫州市林業(yè)對(duì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)能力。

        5 結(jié)語(yǔ)

        目前,無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS數(shù)據(jù)處理在林區(qū)系統(tǒng)中的運(yùn)用還處于開始階段,仍需要在實(shí)際工作中不斷發(fā)展和完善。為了實(shí)現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化,要繼續(xù)提升無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS自身的科技含量,提高技術(shù)本身的實(shí)用性和穩(wěn)定性,如提升無人機(jī)的抗風(fēng)能力、改進(jìn)升降操作、增加航拍載體的穩(wěn)定性等;同時(shí)也需要進(jìn)一步向林業(yè)從業(yè)人員宣傳新技術(shù)的功能和優(yōu)勢(shì),推動(dòng)無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用,使生態(tài)林業(yè)和高科技林業(yè)成為可能。

        參考文獻(xiàn):

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        (責(zé)任編輯:趙中正)

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