8月21日至22日，首届中国林草高新技术应用大会在张家口市崇礼区召开。北斗卫星导航、大数据、云计算、人工智能……一系列与林草行业跨界融合的“黑科技”亮相崇礼。
之所以把中国林草行业举足轻重的科技大会放在崇礼召开，是因为一批全国林草行业高校、科研院所和高新技术企业的科技工作者，曾通过冬奥会与崇礼结缘。
2021年初，由中国林科院资源信息研究所副所长符利勇牵头组建的一支项目团队，承接了2022年北京冬奥会崇礼赛区的“森林防火综合体系建设无人机巡护监测系统”项目，团队攻克无人机动态烟火快速自动识别预警等诸多技术难点，自主研发出国内首套无人机森林防火智能巡护系统。
这是一支怎样的科研队伍？他们如何进行冬奥崇礼无人机森林防火项目的技术攻坚？作为无人机森林防火实践的全国样板，该项目对林草行业的高质量发展有什么启发？
2021年7月，中国林科院资源信息研究所副所长符利勇（右一）带领2022年北京冬奥会崇礼赛区“森林防火综合体系建设无人机巡护监测系统”项目团队深入崇礼冬奥核心区林区，进行样地调查，构建崇礼森林防火的数据库。 谢栋博摄
“国家队”与崇礼结缘
9月14日上午8:30，北京，国家林业和草原局管理干部学院。
符利勇受邀做“青年技术人员如何开展研究工作”的主题讲座，听众是全国林业系统的青年技术骨干。
当符利勇回忆如何为2022年北京冬奥会崇礼赛区“森林防火综合体系建设无人机巡护监测系统”项目做准备时，PPT上展示出一份多达1078页的项目标书，台下听众不禁发出惊叹。
2020年10月19日，《张家口市崇礼区森林防火综合体系建设无人机巡护监测系统招标公告》挂网招标，当时国内无人机森林防火领域还鲜有技术团队涉足，但为了拿下这个兼具光荣与使命的“冬奥”项目，数百家无人机团队竞相前往崇礼路演。
符利勇却带领中国林科院资源信息研究所一支项目投标小组，在北京找了一家宾馆，“闭关”准备标书。
“13个人，半个月，严格对照标书项目打分项响应所有参数，而且只写干货。”符利勇说。
这份1078页的标书里写着“底气”和“有备而来”。
早在2016年，在中国科学院院士，我国著名森林经理学家、林业统计学家唐守正的带领下，中国林科院资源信息研究所作为“国家队”，就已经开始探索无人机在森林资源监测和森林防火领域的应用。
2017年8月，资源信息研究所采购了第一架六旋翼无人机，符利勇等多位技术人员先后考取民用无人机驾驶员资格证，他们开发的无人机林木成活率精准识别技术，先后应用在南水北调中线水源地、雄安新区、塞罕坝机械林场等重要生态区位。符利勇提出的一种烟火识别算法，研究成果在国际顶级期刊上发表。
功夫不负有心人。2020年11月，中国林科院资源信息研究所拿下该项目，“国家队”由此与崇礼结缘。
“喜悦只在一瞬间，之后感到的是巨大的责任和压力，保证冬奥火情零出现是‘军令状’，只能成功，不能失败。”符利勇说。
该项目由中国林科院资源信息研究所牵头，但参与方包含了全国多所林业院校和高新技术企业——千寻位置网络有限公司企业业务事业部总经理冯卫国牵头的软件攻关团队、南京林业大学信息科学技术学院（人工智能学院）副院长业巧林牵头的“大数据与人工智能”团队、全国第一位森林防火专业研究生单保君带领的无人机森林巡护团队等，都在项目中发挥了重要作用。
从2020年11月项目中标，到2022年12月无人机森林防火技术完全交付给崇礼当地，这支技术精干的“国家队”一直活跃在崇礼。
8月21日，在崇礼举行的首届中国林草高新技术应用大会上，国内前沿的林草“黑科技”产品和服务集中亮相。 首届中国林草高新技术应用大会会务组供图
拍摄照片上千万张，累计试验1万余次
9月15日，崇礼进入新一轮森林防火期。
几天来，崇礼区林草局森林草原消防大队队长武志岩正在为无人机巡护工作排班。
目前，队里有6架六旋翼无人机、4架固定翼无人机和6名飞手。按照今年上半年的无人机巡护作业计划，每日将有4架无人机值飞，时长8小时左右，飞行集中在冬奥核心区120平方千米区域，重点巡护高风险区和人员密集区。
武志岩从电脑上进入崇礼区森林防火无人机巡护监测系统，“指挥调度”“航线规划”“数据管理”“终端管理”等功能模块逐一排开，系统界面中央，是崇礼的高清地理信息地图。
“无人机外出巡检，如果发现着火点或烟雾，会第一时间将情况反馈给巡护监测系统。很多人到不了的地方，无人机都能去，现场情况一目了然。”武志岩说。
这套智能的无人机巡护监测系统是项目团队的最终产品，为了让系统更实时、精准反馈火情，整个团队都经受了巨大的体力、脑力考验。
团队的首要任务，是为崇礼建立无人机森林防火基础数据库。
“我们成立了一支30多人的地面调查小组，在崇礼冬奥核心区划定了164块固定样地，每块样地30米乘以30米，对样地的地形、植被、落叶含水率、可燃物等级等几十项参数做了详细调查。”符利勇说。
地面有一支野外调查队，天空还有一支无人机调查队。
“在冬奥会前，整个2021年，我们的无人机对崇礼区120平方千米的冬奥核心区进行了全覆盖调查，共飞行2645架次，飞行时间1362个小时。”该项目的无人机森林巡护团队负责人、云南正茂林火防控管理有限责任公司总经理单保君说，当时团队12名飞手一飞就是一天，经常要在野外作业车上匆匆吃一口午饭，泡面、自热饭是他们的常备。
无人机只是“工具”，它所搭载的1080P高清摄像头，是提高烟火识别精准度的重要前提之一。
“对计算机而言，越高清的图片越能提高烟火识别精准度，高清摄像头拍摄的动态视频数据，会被系统处理为电脑可识别的一帧一帧的1080P高清图片，我们要保证这些数据在系统中传输快、不丢帧，为后续人工智能识别奠定基础。”冯卫国说。
而且，在没有网络信号情况下，千寻位置网络有限公司冯卫国团队可以通过卫星信号发射高精度数据，帮助无人机在没有网络的林区实现厘米级定位。为了提高可用性，千寻位置团队把没有网络状态下无人机的首次定位时间，从国内领先的5分钟，缩短为世界领先的2分钟。
为了这3分钟，冯卫国的团队努力了3个月。
“当时距离冬奥会举办不足百天，我们在上海湾谷科技园的办公区彻夜工作，大家调侃，每天都能迎接清晨4点钟的太阳。”冯卫国说。
1362个小时的飞行视频数据，每一秒抽出25—30帧1080P的高清、精准定位图片，汇聚成一个数千万张照片的海量数据库。
就这样，从地面到天空，项目团队对崇礼冬奥核心区地表情况进行了全面大摸底。
然而，更大的挑战，还不是在野外，而是电脑前的脑力挑战——无人机拍回来的图像，该怎样精准识别和使用。
崇礼自然条件独特，海量图像数据中包含的参数众多，情况复杂。
崇礼域内80%为山地，地形复杂，森林覆盖率高，燃烧性强的中幼林占比大，草类可燃物众多，每年有五级以上大风天数200多天，是我省森林防火一级火险区，每年防火期长达9个月。
“烟和雾如何区分，阳坡火和阴坡火怎么辨别，不同的天气和光线条件下，烟火表现有何不同，可疑人员如何快速判定……对小目标动态视频的烟火识别在崇礼实际应用场景中，情况异常复杂。”业巧林说。
由业巧林牵头的“大数据与人工智能”团队，在模型训练烟火识别过程中，一度困难重重。
“起初，即使无人机飞得再低，也无法智能检测到地面的烟火信息，当时大家都快急哭了。”业巧林说。
问题到底出在哪？面对电脑上几万行白花花的程序代码，业巧林带领团队研发人员开始一行一行逐一排查，1天、2天、3天……20天。“找到了！”一处隐藏在代码中的细小漏洞，被挖了出来。
整个过程中，“大数据与人工智能”团队针对具体应用场景进行了无数次调整、修正，这只是其中的一次。
在崇礼期间，项目团队累计试验1万余次，最终实现无人机在200米高空飞行，就可以对地面上2米乘以2米面积的火情，精准识别捕捉、实时预警，真正实现森林防火“打早、打小、打了”，防患于未“燃”。
2021年12月20日，由中国林科院资源信息研究所组织的无人机培训班上，崇礼区林草局森林草原消防大队的学员在户外观摩学习无人机操控技术。郭玉江摄
无人机森林防火的全国样板
随着冬奥会的临近，项目团队为冬奥核心区每天出一张防火等级图、一张人流热力图，两图叠加，科学布局无人机的巡护线路。
无人机森林巡护系统机动灵活，弥补了传统高山视频监控有死角的不足。
系统自2021年1月启动，到2022年2月冬奥会结束，先后识别预警早期火情10余次，并全程协助森林消防应急扑救，为崇礼森林资源安全和赛事期间核心区“不冒烟、不见火”提供了重要支撑，圆满完成对崇礼的生态护航，通过了联合验收小组专家验收，还收到了张家口市政府的感谢信。
目前，崇礼区建立起的森林草原防灭火综合体系，技术水平位居全国前列。崇礼全区10台无人机、81个高山视频监控、150个卡口人脸识别系统、20个林火红外识别监测系统等高科技系统“多管齐下”，可以实现对主要沟口、林（草）区24小时不间断监控。
扶上马，送一程。项目团队将服务期延续到2022年底，并从崇礼区林草局森林草原消防大队中征选了30名学员，由项目团队无人机飞行小组成员手把手培训，最终6人成功考取民用无人机驾驶员合格证，成为专业执证飞手。
让单保君自豪的是，2021年、2022年这两年，无论是冬奥会赛前试验、赛中护航还是赛后教学，无人机安全飞行5280架次，没有发生一次炸机。
崇礼无人机森林防火项目的实践创新，也结出了国际认可的理论创新成果。
2022年1月，符利勇团队总结项目成果，在计算机领域顶级期刊《IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems》（期刊中文名《神经网络与学习系统汇刊》）公开发表学术论文，详细阐述图像识别领域中海量图像数据分布复杂且存在大量冗余无关特征情况下，如何对图像特征进行判别学习。
该论文得到了国内外专家广泛关注，发表后仅半年就被SCI期刊论文引用34次，并入选“ESI高被引论文”，这是评价科技论文学术水平和影响力的重要指标。
“森林防火综合体系建设无人机巡护监测系统，是无人机森林防火的全国样板，填补了我国在这个领域的实践空白。”作为项目的专家顾问，唐守正院士一直持续关注着项目进展，并给予了充分肯定。
目前，在林业系统业内专家的推动下，一项更重要的基础性工作正在进行——起草制定无人机森林防火技术的国家标准。
“尽管无人机技术发展迅速，但无人机和林业统计、林业防火等技术的融合还在起步阶段，相关国家技术标准之前一直是空白。目前，无人机森林防火技术的国家标准已经进入专家审定答辩阶段。”参与标准制定的符利勇说。
对无人机森林防火的技术攻关还远远没有结束，项目团队采集的崇礼海量图像数据还将发挥更大作用。
“我们将继续拓展利用这套系统。”符利勇说，接下来，团队计划在这套系统上架构无人机战斗集群，一旦发现火情，上千架无人机可在15分钟内飞抵现场，精准抛投灭火弹，确保在早期火阶段扑灭火情，实现从巡护、预警、应急、扑救到灾后评估的全链条服务。而且，无人机飞过森林过火区域后，系统就能实时计算出损失了多少林木，增加了多少碳排放。
在新时代生态文明建设的大背景下，现代林业不再是以提供木材资源为主的行业，林业的多种服务功能、林业在应对气候变化和环境治理中的作用正在受到高度重视，而高新技术在其中大有可为。
“林业地域广，林木生长周期长，要实现对全国森林资源的科学管理，就要推动林学、数学、计算机等多学科的交叉融合，充分利用大数据与人工智能，这将是提升我国森林资源普查、森林经营、森林生态建设等众多工作科技水平的重要突破口。”唐守正院士说。（河北日报记者李冬云）
观点
中国科学院院士唐守正：林业科研需要跨界人才
9月14日傍晚，记者走进中国林业科学研究院一栋老旧的住宅楼，沿着斑驳的楼梯上到4楼顶楼，就到了中国科学院院士，中国林业科学研究院首席科学家、研究员，我国著名森林经理学家、林业统计学家唐守正的家。
进门是狭窄的过道，屋内是老式的家具，一切都是上世纪八九十年代的模样。但82岁的唐守正院士一开口，聊的却是林业统计的国际理念、创新算法、大数据和人工智能。
那一刻，老旧的住宅楼变得“新潮”起来。
作为林业统计学家的唐守正院士，其实是个跨界融合多学科的专家。
唐守正院士是一位数学博士。“林业周期长，需要进行长期的观测研究，离不开数学。”唐守正院士说，用数学方法解决林业问题，在国外早已经形成了一门完整的学科，叫作林业数学或林业统计。
唐守正院士还是一位“老程序员”。
他上世纪八十年代为各种林业数值分析编制了“IBM—PC系列程序集”；2005年，主持开发了具有自主知识产权的林业统计分析软件——统计之林；直到两年前，他还在电脑前一行一行、认认真真编写代码。
跨界多学科的唐守正院士，在几十年林业科技工作中始终力求做到与时俱进。
唐守正院士认为，现代林业发展，更需要突破学科专业壁垒，推动多层次学科交叉融合，增强跨学科对接行业需求的适应能力。因此，林业科研队伍，亟须培养跨界融合人才。
事实上，承担2022年北京冬奥会崇礼赛区“森林防火综合体系建设无人机巡护监测系统”项目的多位核心成员，如中国林科院资源信息研究所副所长符利勇、南京林业大学信息科学技术学院（人工智能学院）副院长业巧林，都是既懂林业、又懂数学、又懂计算机科学的跨界人才。
“要培养跨界人才非常困难，往往懂数学、计算机的人不懂林业，懂林业的人数学和计算机功底又不够。现在很多高校都开始重视数学等基础学科的人才培养，这很好。”唐守正院士说。
人才要能培养，还要留得住。“要提升林业科技工作者的待遇，给青年科技领军人才创造更好的科研条件，为我国林业发展留住更多人才。”唐守正院士说。（文/河北日报记者李冬云）
