林業研究專訊 Vol. 23 No. 6 201674

林業論壇

驗所在林業上之應用實例作介紹。

無人空拍機系統

無人空拍機的類型，可由飛行器的機翼

設計及其外觀，區分為定翼機(fixed wing)與旋

翼機(rotary wing)兩大類型。當使用無人空拍

機於高精度測量用途時，結合創新開發的空

中拍攝測量平台，就稱之為無人空拍機系統

(Unmanned Aircraft System , UAS)。其內涵為，

將無人空拍機(飛行器)的本體輔以衛星定位系

統(Global Positioning System, GPS)、慣性測量

裝置(Inertial Measurement Unit ,IMU)與裝備酬

載(payload)，並且整合地面控制站系統(ground

control system)、遠端操控或導航人員(pilot or

navigator)。由於近年技術蓬勃發展，這些裝置

設備，有部分的機型已整合在飛行器中，使得

無人空拍機經由妥善航線規劃後，能自動的執

行飛行、空拍、或錄影與蒐集資料的任務。

無人空拍機在林業上的應用

能夠翱翔在蔚藍的天空中是人類的夢

想，從達文西的飛行器設計，歷經萊特兄弟實

踐飛行，到近年來如雨後春筍般被設計開發

出來的各種類型無人飛行載具。要從空中俯

瞰世界已經不再是航空專家的特權，而是你我

經過短時間學習後，花費很少的錢並遵守飛

航法規，便可以隨時隨地的飛行，探索世界的

每一個角落。無人飛行載具(Unmanned Aerial

Vehicles, UAV)，或稱為無人空拍飛機(本文簡

稱之為無人空拍機)，近年來已朝多元用途的

方向發展。從最早第一次世界大戰後軍事間

諜的偵察任務到好萊塢採用空拍特效的應用，

以至亞馬遜網路購物公司，更在2013年開始以

無人飛行載具送貨服務計劃。在日常生活中，

從新聞拍攝、廣告製作、農業經營、地形量

測、急難救助和資源調查與災害監測，到處都

可看見各種的空拍飛機的應用實例。林業當

然也不落人後，本文針對無人空拍機的基本

配備元件、空拍優勢、技術限制，以及林業試

⊙林業試驗所森林經營組‧鍾智昕、邱志明、謝漢欽 (mickey@tfri.gov.tw)⊙林業試驗所森林保護組‧陸聲山

⊙中央研究院生物多樣性研究中心‧王豫煌

無人空拍機的機翼設計及其外觀，區分為(a)定翼(fixed wing)與(b)旋翼機(rotary wing)兩大類型。(鍾智昕 攝)

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無人空拍機系統的優勢

當公部門或私有林主想要經營一塊森林

地，最先想知到的事情，就是森林坐落在哪？

範圍有多大？造林狀況如何(生物量蓄積能吸

收多少二氧化碳)？發生什麼干擾事件(如風

災、病害、崩塌、土石流)?影響如何?。因此能

否獲得最新林地狀況，做成地理資訊主題地

圖，以利於經營規劃，視為必備的重要決策資

訊。以一塊超過1,000公頃的森林地為例，如

要靠傳統的地面測量方法進行調查，需要20個

人力與一個月的時間來完成，所需花費的人力

與時間成本相當高。現行發展無人空拍機的優

勢，就是成本低，可低空貼近目標物飛行，在

有雲的天氣下，以低於雲的航高拍攝，同時具

有高彈性自主操縱特性，能在短時間內重複造

訪目標區，提供高解析度的空拍影像，是林業

經營與林地環境監測的創新工具。目前在林業

先進的國家如美國、加拿大、芬蘭等已是森林

經營者借重的工具。無人空拍機在林業上的應

用最常應用於樹高和樹冠密度等森林測計資

料的獲取，也可以測量有多少生物量蓄積在林

地上，進而評估森林的二氧化碳儲吸存量。

無人空拍機的製圖技術

無人空拍機可輕易獲取高重疊率的高空

間解析度影像，配合現在的電腦影像處理技

術，已由2D製圖走入3D的製圖時代。以往

航照圖資的取得，必須透過駕駛價格昂貴的

有人飛機，搭配訓練有素的航拍人員，選擇

無雲的天候，一幅可用的航照基本圖，還需

要高級航照立體製圖設備及專業製圖人員。

如非遇到緊急任務(如大型風災、水災或地

震)，一般森林地的航空照片的更新周期較長

(約1~3年不等)。以無人空拍機空拍的影像資

料，利用尺度不變特徵轉換(Scale-invariant

feature transform, SIFT)與運動獲取空間結構

(Structure from Motion, SfM)的自動影像拼接

技術，偵測影像中地物的邊緣、聚集點及空

間結構等的局部特徵，在影像特徵空間尺度

中尋找影像中的極值點，並找出穩定的特徵

(該特徵在影像縮放、旋轉、視角改變及明度

不一的情況下亦能夠保持良好的不變性)，結

合影像匹配技術，可建構出每一張空拍影像

相機相對的位置和視覺場景的幾何關係，進

而完成空拍區域2D正射影像、產生數值表面

高程模型(digital surface model, DSM)與3D坐

標的點雲資料。3D製圖與相關地理資訊圖層

進行套疊分析，對於台灣的森林地多處地形

起伏劇烈的山地，可適時提供有利於提供林

道損害、人力無法達到的地區與救災的空間

決策資訊，其應用潛力值得進一步開發。

利用無人飛行載具空拍六龜研究中心工作站崩塌地。

(2016年9月23日，謝漢欽製圖)

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無人空拍機系統的技術限制

小型無人空拍機，由於其機型較為輕與

小，所能搭載的電池或動力來源受到酬載重

量的限制，所以目前小型無人空拍機系統的

飛行時間較短(約10-20分鐘)，致使飛行距離

範圍較小及酬載重量受到約束，若要應用在

大面積製圖、生態監測及地景尺度的資源調

查上，仍有其限制性。另外在茂密森林冠層

(dense forest canopy)的情況下，空拍的影像資

料僅能建立林分冠層的數位表面模型，對於

要瞭解植被下層的應用產生限制。

林業試驗所無人空拍機系統研究案例

1.杜英平地造林疏伐與環境監測

人工造林地疏伐作業，即透過不同方法

(下層疏伐、行列疏伐與孔隙疏伐等)，伐採林

分中的一部分林木，屬於造林後中後期撫育森

林經營方法。疏伐後，短期內會在林地形成一

定空間大小的裸露，是否會對造林地環境產

生負面衝擊? 無人空拍機的優勢，成為瞭解人

工林分疏伐後環境與冠層變化動態的利器，

林業試驗所自2013年起，在雲林古坑地區進行

2014年11月疏伐初期現場照片(a)，經疏伐後2016年10月現場照片(b)，2014年11月UAV空拍的監測，初期林分冠層(c)與2016年10月留存根株萌發二代木，短時間1-2年內可覆蓋裸露的土壤，達環境保護的功能(d)。(邱志明 攝)

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不同大小孔隙疏伐試驗。疏伐樣區面積的大

小乃依據林分平均樹高，設定為方形孔隙進

行疏伐，分別設立0.5倍樹高(6 × 6 m)、1倍樹

高(12 × 12 m)、1.5倍樹高(18 × 18 m)與2倍樹

高(24 × 24 m)四種，每種設立四個區集。並

以無人空拍機連續空拍監測至今有3年時間，

平均而言，較小的孔隙(0.5倍樹高)，在疏伐

完後第一年可恢復約24.8%覆蓋，第二年即恢

復57.2%覆蓋;而樹高1倍以上較大的孔隙則第

一年可恢復約10.5~20.7%覆蓋，第二年即恢復

29.6~33.4%的覆蓋。經觀察依此方法疏伐形成

的孔隙會由後來的周圍人工林木的冠層生長

延伸而覆蓋，若能再於林下保持適當的植生

與保留萌芽更新的頭木，則可加速孔隙的恢

復。另外應用無人機空拍後得到的林分特徵

資訊，所估計5.2公頃林分總材積為637.3立方

米，與實測杜英疏伐樣區的林木蓄積量658.2

立方米，兩者相差約20.9立方米，約低估了

3.18%，差距不大，因此未來應用空拍機蒐集

人工林的三維資訊，配合少量的地面樣區調

查，可快速提供林分蓄積量，頗具應用潛力。

2.提供蓮華池研究中心3D景觀模型

以無人空拍機進行地景觀察也是一個非

常有用的工具，無人空拍機系統所得到的空

拍影像照片，除了提供從空中鳥瞰的景緻照

以UAV空拍的監測不同大小孔隙疏伐，林分冠層動態變化，2014年11月地面已有植生覆蓋，2015年11月留存木冠層已向孔隙空間萌發新生的枝葉，2016年10月UAV空拍影像，提供高空間與時間解析度的監測結果。(鍾智昕 製圖)

蓮華池研究中心的空拍航線規

劃與3D立體模型場景。(王豫煌空拍資料提供)

85年生台灣肖楠人工造林地

50年生台灣肖楠(預定疏伐)

蓮華池研究中心 辦公室

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片外，另一個產品就是3D的立體模型場景，

結合現行的網路互動式3D 應用程式與基於

XML 分享技術，你可以坐在電腦前面透過網

際網路的分享，360度的瀏覽空拍區域的每一

個角落，目前本所已完成蓮華池研究中心的

3D立體模型場景。

3.崩塌地監測

前述無人空拍機的優勢，提供經營管理

山區的森林許多即時且富有彈性的圖資獲取

效益，以近日林業試驗所啟動無人空拍機，蒐

集森林的三維資訊，結合空照製圖技術與現

有地理資訊系統圖層，應用在所屬高雄市六

龜試驗林的崩塌地向源侵蝕的調查上。2015

年9月初，由黃裕星所長指示由森林經營組規

畫以定翼無人機無人空拍機調查崩塌地向源

侵蝕，約2個小時的航程，共拍攝了546張空拍

影像，涵蓋1,200公頃地形崎嶇的林地。空拍

區域的海拔高度從160公尺到1,600公尺，在地

形險峻的山區，由於UAV容易受到山區地形

與風向變化不定影響。本次是一個難度頗高

的UAV空拍任務，目前在台灣仍屬少見，所

以這次行動是一項創舉。空拍製作的3D影像

模型結合六龜試驗林行政界、林道及土地利

用型等地理資訊準確地與模型套合，快速提

供最新崩塌地的現況供試驗林管理決策的參

考。可提供不同角度貼近觀看坐落在空拍範

圍內所有的崩塌地，能快速地瀏覽整個集水

區範圍，明顯看出在地面觀察時被地形遮蔽

崩塌地，並能明確指出個別崩塌地所屬的集

水區。高解析度的空拍影像資料提供偵測不

同大小因向源侵蝕而擴大的崩塌地部分，提

供評估危害到扇平工作站的風險。

2016年9月23日UAV空拍六龜試驗林扇平地區共1,200公頃，上圖顯示空拍影像3D模型套疊六龜試驗林的林班界(黑色線)及主要林道(紅色線)地理資訊圖層；圖中顯示許多無綠色植被覆蓋的崩塌地空間分佈情形。

(謝漢欽製圖)