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Application of UAV and ArcGIS technology in forest resource management

  • JIN Lili 1 ,
  • ZHAO Jingxuan 1 ,
  • LI Na 2
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  • 1. Hutuo River Urban Forest Park of Shijiazhuang City, Shijiazhuang 050000, China
  • 2. Forest Fire Prevention and Monitoring Center of Shijiazhuang City, Shijiazhuang 050000, China

Received date: 2025-02-18

  Online published: 2025-12-25

Abstract

This paper systematically elaborated on the core characteristics of unmanned aerial vehicles (including their definition, classification, and payload capacity) and geographic information system (GIS) technology (taking ArcGIS as an example, such as its definition and data acquisition functions). Meanwhile, it conducted research from the perspectives of application scenarios, collaborative practices, existing problems, and optimization strategies. UAVs exert advantages in efficient operations in 4 major fields of forestry, namely forest survey and monitoring, pest and disease control, fire prevention and extinguishing, and afforestation and renewal. ArcGIS software, on the other hand, provides spatial data processing and decision support in forestry information management, resource protection, and forestry planning and management. The collaborative application of the 2 technologies in scenarios such as forest land area measurement and afforestation plot verification has significantly improved the efficiency of forestry work and data accuracy. The study finds that the current application of technology needs further optimization in aspects such as the performance of hardware facilities, data collection, and the development of grassroots professional teams. Accordingly, optimization suggestions are put forward, such as upgrading hardware configurations, constructing a UAV data sharing platform, and strengthening the introduction, cultivation of grassroots talents and skills training. The research shows that the integrated application of UAV and ArcGIS technologies provides scientific and technological support for the sustainable utilization of forest resources, and also offers a reference for the promotion and application of new technologies in the field of forestry.

Cite this article

JIN Lili , ZHAO Jingxuan , LI Na . Application of UAV and ArcGIS technology in forest resource management[J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2025 , 31(24) : 124 -127 . DOI: 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.24.025

5G、3S遥感、人工智能(AI)、无人机、实时摄像监控、激光雷达等智慧技术已发展为新型林业劳动工具,推广该类智能化工具的应用是培育林业新质生产力的重要任务[1]。其中,无人机与地理信息系统(以ArcGIS为例)技术已广泛应用于抢险救灾[2]、气象预报[3]、测绘[4]等领域,为研究人员提供高效、便捷、精准的数据参考。本文主要围绕无人机在林业调查监测、病虫害防治、防火灭火、造林更新4个方面,ArcGIS在林业信息管理、资源保护、林业规划管理3个方面各自发挥的作用进行阐述,结合两者协同应用于林业管理的两类案例,论证其为林业资源利用提供的有力技术支撑,并为其他技术在林业领域的推广应用提供参考。

1 无人机和ArcGIS概述

1.1 无人机

无人驾驶飞机简称无人机,是指利用无线电遥控和相应的程序控制装置操纵的不载人飞行器,可远程操控和高空飞行[5]。根据工作方式,无人机类型大致可分为固定翼、直升机、多旋翼三大类[6]。无人机作为空中飞行平台,可以搭载多种传感器,也可运载灭火弹、喷射干粉、化学药剂、种子苗木等器械,携带的工具不同,应用功能也不同。按照作业功能分类,无人机在林业上的应用可归纳为监测感知型(调查监测、病虫害或火灾预防)和作业执行型(病虫害防治、森林灭火、造林更新)[7-8]

1.2 ArcGIS

ArcGIS是一种获取、存储、检索、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统,可表达出某一位置的地理属性,并将信息整合处理。其应用到林业上,可显示出林地或林木所在的空间位置和属性信息,还可根据信息数据进行筛选、计算、分析、管理等操作,成为智慧林业不可或缺的技术工具[9-10]

2 无人机和ArcGIS在林业资源管理上的应用现状

无人机与ArcGIS凭借其高效性与精准性优势,已成为林业资源管理中的重要技术支撑,二者在调查监测、信息管理、规划保护等多个关键环节形成了多元化应用场景,具体应用实践如下:

2.1 无人机技术在林业资源管理上的应用

2.1.1 调查监测

在常规的森林资源调查中,获得调查区域的树木生长情况,需工作者长途跋涉进行每木检尺、拍照等工作,对于路况较差,调查区域面积较大的情况,调查者体力和技术是严峻考验。而无人机的普及能够实现对调查区的宏观监测,在较短时间内完成对森林地表的拍摄和点云扫描,再利用拍摄照片和点云进行拼接、三维建模测算森林面积,估算树高、胸径、蓄积量、树种组成等数据,较常规的测量方法省时省力、效率高[11-12]

2.1.2 病虫害防治

近年来,利用无人机防治林业病虫害越来越普遍,首先在防治某类林业病虫害时,可利用无人机监测功能,对易发病区域进行精准识别判断,及时发现被监测区域树木的生长情况,有利于早发现早治疗。根据病害发生发展情况,利用植保无人机高压喷洒雾状药物,可有效降低药物的流动速度,使药物更加均匀地覆盖在植物上。对于一些突发性病虫害的扩散,能有效提升防治效果、控制危害蔓延,保护森林资源和造林绿化成果[13-14]

2.1.3 防火灭火

无人机可适应山区地势和高温浓烟,搭载普通高清摄像机和热红外相机可拍摄森林实时影像和高温点位,补充日常防火监控视频存在的盲区,做到早发现早报告,在森林防火中起到辅助作用。火灾发生后,无人机可实时巡看火场、动态掌握火情发展,为精准制定灭火方案、提升灭火效率奠定基础。同时搭载灭火设备或救援物资投放,可有效降低人力、物力投入,减少人员伤亡风险[15-17]

2.1.4 造林更新

无人机在造林前期作业设计中,可提前勘查地形,计量面积,绘制规划造林图,提高造林效率和精准度。在造林作业时,可携带树种,大面积播撒至造林困难的山区,种子依靠自然降水成活成材,飞播造林具有低成本、高效率优势,且易形成稳定混交林。在造林验收阶段,也可利用无人机进行质量验收和后期抚育管护,确保造林质量和苗木成活率[18-19]

2.2 ArcGIS在林业资源管理上的应用

2.2.1 信息管理

利用ArcGIS系统,工作人员可将林业调查信息整理后输入系统,输入的信息以矢量格式显示,打开属性表可进行编辑、筛选、制图,并另存后实现存储功能。ArcGIS系统还可实现两个或多个矢量数据之间的几何关系(相交、合并等)和拓扑关系处理[20]

2.2.2 资源保护

ArcGIS系统可根据地理位置在矢量数据或栅格数据中进行快速定位,并查询该地块林业属性信息,绘制矢量数据后,导出外业软件可识别的格式进行外业核查。

2.2.3 林业规划

ArcGIS系统具有强大的制图功能,可充分利用地理数据信息,矢量数据有点、线、面3种数据形式,根据需求也可加载栅格地图,插入表格、界址点坐标、属性表格等,从字体、颜色、符号等多方面对地图进行装饰,更直观精准地表达[21-23]

2.3 无人机与ArcGIS技术结合后应用案例

当前,具有高空间分辨率和高时间分辨率的卫星较少,成本较高,借助测量型无人机可获得外业核查时的实时高清度照片,弥补了卫星影像分辨率的缺陷,为外业核查提供真实场景。ArcGIS再利用现地影像,编辑、绘制矢量数据后计算面积、添加图表等操作。

2.3.1 测量林地面积

无人机可搭载高分辨率相机和激光雷达等传感器,获取高精度的地形数据和图像信息,实现对林地边界的精确定位和地形测量[24]。张旭[10]研究指出,无人机在林地边界的确定和地形测量时,较常规手段节省大量时间和人力成本。技术人员利用无人机遥感技术确定林地边界,以全面规划林业资源[25]

2.3.2 核查造林地块

一方面,无人机可以直接携带林木种子进行飞播造林,提升造林效率,并实时监测植物生长状况,以便于及时补植补造;另一方面,在核查造林质量时,无人机拍摄的高清影像,用来分析造林面积、株数及计算成本,更加精准省力[13]。以2023年某地区的营造林核查验收为例,核查总面积超过11.33万hm2,如采用常规核查方式,工作量较大,而应用无人机技术拍摄高精度的垂直照片,再通过ArcGIS软件,精确描绘验收区域的界限,计算种植面积,大大提高了调查效率[26]

3 存在问题与提升建议

尽管无人机与ArcGIS在林业资源管理中的应用已取得明显成效,但在技术推广、硬件支撑、队伍建设等环节仍面临一些现实困境,这些问题在一定程度上影响了技术应用效能的充分释放,具体表现如下:

3.1 存在问题

3.1.1 硬件设施有待升级

一方面,安装GIS软件的计算机需对大量外业影像数据进行校正、拼接等处理,对处理器、显卡、内存等硬件配置要求较高[9],否则易延长数据处理时长,或出现卡顿、死机等故障,且内存超负荷、硬件老化等问题会进一步降低运行效率;另一方面,受现有技术水平限制,当前多数无人机采用锂聚合物电池,易出现火灾、短路、膨胀、泄漏等安全隐患,且易受室外环境温度影响,续航能力较弱,长时间飞行作业需配备多块备用电池。

3.1.2 多次飞行重复消耗

随着互联网技术的发展,无人机现地拍摄技术已逐步在各级林业部门推广应用。但实际工作中,同一地块存在无人机重复拍摄现象,既造成人力成本的不必要损耗,也可能干扰拍摄区域环境及群众正常生产活动。此外,无人机单次飞行可同步采集多维度林业有效信息,例如,执法场景下拍摄处理的正射影像,可用于获取违法面积、树种等数据;该影像在资源调查中可进一步复用,用于构建三维模型并提取树高、胸径等关键指标。

3.1.3 基层专业队伍匮乏

无人机与ArcGIS具有较高专业性,无人机操控需通过专业培训并持证上岗,ArcGIS熟练运用需经系统训练与实践积累,影像处理还需依托Pix4D、PHOTOMOD等专业拼接软件。相关技术应用及资源管理工作多集中于基层林业部门,而部分基层林业工作人员结构偏老龄化、日常工作任务较重,且在技能培训、专业设备配置、青年人才储备等方面仍有提升空间,对森林资源保护工作的高效开展提出了更高要求。

3.2 提升建议

3.2.1 提升硬件设备性能

无人机外业测量数据利用计算机进行内业处理时,建议尽可能提高配置,同时定期清理内存、更新设备,以保障数据处理的流畅性与运行效率,缩短处理时长。此外,无人机续航问题需进一步加大研究力度,以增强负载和续航能力,并优化机载传感器功能,在保证成本的同时满足森林检查的需求[27]

3.2.2 建立无人机信息共享平台

针对无人机拍摄影像长期存在的获取成本高、共享难度大等问题,2020年已有研究团队上线全国无人机遥感信息服务平台[28],但该平台存在影像覆盖范围有限、数据获取不便等不足。亟需构建无人机飞行数据共享平台,整合现地照片、正射影像等数据资源并实现共享,既能够节省人力成本,又可依托不同时期的拍摄影像,为地块前期地类属性判读提供数据支撑。该平台可面向不同需求者提供数据下载服务,进一步降低综合成本、缩短作业周期。

3.2.3 加强基层队伍建设

引进林业交叉学科各类专业人才,强化林业队伍人才建设[29-30]。由资金保障充足的基层林场、工作站或上级管理部门组织常态化技能培训,普及林业先进技术与技能,以适应新形势下林业工作现代化、信息化发展需求。

4 结语

本文系统梳理了无人机与ArcGIS的核心特性,阐述了无人机在林业调查监测、病虫害防治、防火灭火、造林更新四大领域,以及ArcGIS在林业信息管理、资源保护、林业规划三大场景的应用实践,并通过林地面积测量、造林地块核查两类协同应用案例,验证了二者在提升林业资源管理效率、精准度与智能化水平的核心价值。两种技术的融合应用,有效破解了常规林业工作中人力成本高、作业难度大等问题,为林业资源的科学利用与有效保护提供了强有力的技术支撑。
尽管当前技术应用已取得明显成效,但硬件设施性能、数据共享机制、基层专业人才储备等方面的现实问题,仍影响着技术效能的充分释放。未来,需持续聚焦硬件升级与技术创新,优化无人机续航能力及数据处理设备性能;加快构建跨区域无人机数据共享平台,实现林业信息资源高效复用;强化基层林业队伍的专业化培训与人才引育,提升技术应用的深度与广度应用场景,为智慧林业建设与生态环境保护提供更全面高效的方案,助力林业产业高质量可持续发展。
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Outlines

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