淺談無人機監測松材線蟲病的應用實踐

施悅謀

(廣州市流溪河國家森林公園管理中心，廣東 廣州 510960)

松材線蟲病是危害性極高的森林病害，有松樹“癌癥”之稱。自1982年被發現傳入我國以來，松材線蟲病先后入侵全國18個省，尤以江蘇、安徽、廣東和浙江的疫情最為嚴重，造成森林資源和生態環境的極大破壞，直接經濟損失達數千億元。由于松材線蟲病研究與防治存在致病機理不清、傳播阻斷難度大、有效防治手段缺乏等問題，目前加強預警監測是防治松材線蟲病的重要措施與手段。隨著無人機與遙感影像的技術發展，地理信息系統的完善，目前國內學者們利用無人機巡航和ENVI遙感數據處理軟件對松材線蟲病進行精度研究[1]，利用eCognition遙感圖像處理軟件進行自動監測分析[2]，利用Pix4 Dmapper對拍攝影像進行鑲嵌和匹配等做了大量研究，但由于相關專業圖像處理軟件受限于投入成本和林場管理者的文化水平，致使在林場日常管理中難以廣泛普及。

廣州市流溪河國家森林公園是經林業部批準建立的首批國家十大森林公園之一，總面積8 932.31 hm2。森林植被以南亞熱帶闊葉林為主，其結構復雜，種類多樣，主要森林類型有松林、杉木林、相思等，其中松林的面積314.7 hm2，占林場森林面積3.52%。近年來，該地區通過無人機遙感技術監測松材線蟲病的方法是代替護林員巡查，經精確定位發病松樹位置，再安排工作人員進行砍伐除治，取得一定的成效。本研究旨在介紹相關無人機技術和遙感影像處理方法，從而實現松材線蟲病致死疫木的快速定位，進而指導林間除治工作，為使用無人機和遙感影像處理技術進行松材線蟲病的監測與防治提供實踐參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

廣州市流溪河國家森林公園地處北緯23°32′～23°50′，東經113°45′～113°54′，為低山地形，山脈主要為東北、西北走向。東部地勢峻峭，山體較為密集，坡度多在35°～45°，局部高達80°。年平均氣溫為20.3 ℃左右，極端高溫為39.2 ℃，極端低溫為-1.5 ℃，最高氣溫出現在7月，而最低氣溫出現在1月。年降雨量在2 143.8 mm以上，主要降水季節集中在5—8月，相對濕度在80%以上。數據獲取點為松樹純林及以松樹為優勢樹種的林地，主要位于水庫周邊島嶼(圖1)。本研究數據采集面積約675 m×475 m。

圖1 采用Altizure地面站軟件規劃航線參數

1.2 無人機航拍

結合秋季松材線蟲病的病死木普查，于2019年10月16日、24日和11月4日，3次采用大疆GS-1200型六旋翼無人機搭配禪思Z3型號相機拍攝高分辨率的影像。該相機傳感器類型是CMOS、22～77 mm等效焦距、1 240萬有效像素。采用Altizure地面站軟件規劃航線，選擇自動航拍模式，飛行高度設計為300 m，設定航向重疊率75%，旁向重疊率75%，最大飛行速度10 m·s-1，最短拍照間隔2 s，并進行2次重復采集。

1.3 遙感影像的軟件選擇

本研究選用的遙感圖像處理軟件包括Photoscan、Photoshop和ArcMap。這些工具擁有普及性強、操作便捷等優點，并能分別完成遙感影像的輸入/輸出、定位、合并與鑲嵌，以及與GIS整合等功能。

2 結果與分析

2.1 松材線蟲病的診斷原理

根據歷年防治管理經驗，每年松材線蟲病的發病時間主要集中在5—12月，其中研究區域的7和11月為發病的高峰期，大多數染病植株在1～3個月內變成枯死木，少數植株會延遲至第2年4—6月枯死。此時松材線蟲病正處于嚴重病害或病害晚期、死亡階段[3]，針葉顏色由綠色漸漸變成灰綠色，并逐漸變黃，最后整個樹冠變成紅褐色，植株死亡，但針葉并不脫落。通過無人機拍攝的遙感影像，肉眼可以最直觀地對航拍數據的顏色進行觀測，并具有簡單提取的特性。但由于人們對顏色的感知具有相對主觀性，因此，需要在數據處理過程中利用客觀的標準對圖像顏色的特征進行提取，包括亮度、灰色變化、色彩飽和度或紋理特征等規律特性等[4]。本研究采用顏色亮度、飽和度的規律特性進行遙感影像的特征提取，以方便肉眼識別枯死松樹位置。

2.2 無人機遙感技術監測松材線蟲病的結果

2019年10月16日，在300 m飛行高度下共采集影像100張，航行時間約20 min。在室內對遙感影像和地理位置數據導出處理，處理時間約60 min。首先，通過Photoscan工作流程菜單欄，點擊添加照片導入無人機所采集的全部影像，然后按照工作流程菜單中的步驟，依次對齊照片、建立密集點云、生成網格、生成紋理、Build Tiled Model、Build DEM、Build Orthomosaic，最后導出tiff格式掃描航片。

經Photoshop軟件對導出的航片利用RGB影像中的紅色波段進行飽和度(A)加深(圖2)，根據加深的斑塊，通過目測甄別，標記并編號15個疑似病死松樹。隨后，將帶編號的航片導入ArcMap地理信息系統，記錄各疑似病死松樹位置所對應的經緯度坐標(表1)，從而實現松材線蟲病致死松樹的精準定位。2019年10月24日至11月4日，根據疑似枯死木定位數據，利用手持式導航儀完成林間清理工作，期間2次利用無人機航拍，驗證疑似病死木的清理情況(圖3)。

圖2 對航片進行RGB紅色波段的飽和度加深

表1 疑似病死松樹的經緯度坐標

2.3 研究地松材線蟲病的監測結果

自2006年首次發現松材線蟲病，廣州市流溪河國家森林公園管理中心歷經一般防治和綜合防治措施等階段。2018年在廣州市局的支持和廣州市防檢辦的技術指導下，在堅持“預防為主、科學治理”原則下，管理中心首次利用無人機不定期地對轄區內的松材線蟲病的發生和分布情況進行監測，每次無人機巡航拍攝時間約為20 min，室內航片處理時間合計為60 min，大大縮減監測巡查時間。此外，結合人工踏查、設置蟲情測報燈和固定標準地等監測手段，全區域覆蓋、定期監測轄區內的松材線蟲發生情況。根據監測結果，研究區域結合地理位置、松林分布和功能等級分為三種類型組織實施松材線蟲病防治，有力保障松材線蟲的防治成果，獲得“廣州市松材線蟲病綜合防治示范點”稱號。

左圖為10月16日標記的1～15為疑似病死松樹；中圖為10月24日死樹清理及新增16號死樹標記；右圖為死樹清理完畢圖。圖3 死樹標記處理的航拍結果

3 小結與建議

隨著無人機、遙感和地理信息等技術進一步發展，綜合利用遙感影像學和地理信息系統，引入無人機巡航，加強空中監測與地面監測，加強定期疫情分析，能建立更為完備的松材線蟲病災害監測預警模式。但在森林資源管理的過程中，由于無人機航拍操作、專業圖像處理軟件的投入大，培訓時間長等原因，導致林場管理者望而卻步，因此，通過介紹無人機監測松材線蟲病的實踐應用，能為林場管理者提供防治作業參考。此外，在實際監測過程中，管理人員只有在充分了解松材線蟲病的發病機理及生態影響因子變化等情況，才能有效利用新技術，實現松材線蟲病的動態監測與防治工作。