無人機在松材線性蟲病監測上的應用研究

黃建輝，黃云鵬，范繁榮，曾傳賓，紀成據

(福建三明林業學校，福建 三明 365001)

1 引言

松材線蟲病，是由松材線蟲寄生在松樹體內所引起的一種毀滅性病害。松樹受松材線蟲病侵染后，樹脂分泌減少，針葉紅褐色萎蔫，最后整株枯死，松樹一旦感病最快40多天即可枯死。在我國該病主要由松墨天牛傳播擴散，致病力強，寄主死亡速度快；傳播快，且常常猝不及防；一旦發生，治理難度大，被國家列為重點檢疫對象。據不完全統計，自1982年以來，30多年已累計枯死松樹超過5000萬株，因治理皆伐和擇伐的松樹面積已達40萬畝，導致的直接經濟損失超過120億元，間接經濟損失超過360億元。它不僅給國民經濟造成巨大損失，也破壞了自然景觀及生態環境，對中國豐富的松林資源構成嚴重威脅，而且限制了我國相關產品出口，影響我國產品出口競爭力，有效阻止松材線蟲病的發生、蔓延意義重大。

福建省是全國南方重點集體林區，也是我國南方地區重要的生態屏障，山多林多是福建的一大特色和優勢。全省林地面積1.39億畝、占土地總面積76.28%，素有“八山一水一分田”之稱。省內松材線蟲病危害甚重如果不采取果斷措施加以遏制，全省占現有林面積42%的松林將遭到毀滅性破壞。

小型固定翼無人機具有機動靈活、使用成本低、續航能力強的特點，適用于福建山區對松材線性蟲病的災情監測、防治效果評估。無人機按照設定的飛行航線飛行，通過機載高分辨率相機或多光譜相機采集影像數據，再經過后期數據建模，可精確發現并定位松材線蟲病發病松樹，為進一步治理病害、防止病害范圍擴大，降低損失，改善生態環境，促進林業可持續發展提供有效方法。該項技術經過前期的研發積累、試驗區的測試，經進一步完善后可推廣應用，能有效解決林業生態保護中的痛點問題。本文以福建省三明市格氏栲自然保護區實驗數據為例，闡述本文提出的監測方法[1～3]。

2 監測方法總體方案設計

無人機的松材線性蟲病監測方法，總體上首先利用無人機在林區規劃出飛行航線，無人機攜帶高分辨率相機進行航測，采集高分辨率數據，而后將高分辨率的原始圖像和無人機的飛行狀態數據疊加，導入到數據處理軟件生產正攝影像圖；在生成的正攝影像圖的基礎上，利用RGB色域分割圖像算法實現病樹的自動識別；最后，將識別的數據經人工驗證后，導入數據庫，在數據庫基礎上疊加林班圖輸出統計報告。開發對應的智能終端APP,護林員可依據APP定位、導航到病樹位置。該方法在福建省三明市格氏栲自然保護區實施并驗證[4]。

3 監測方法具體實現

3.1 無人機航測

本文采用固定翼無人機，無人機采用飛控SG-100系統，搭載高分辨率相機和多種傳感器，結合地面站控制功能，利用北斗、GPS等技術實現自動飛行、數據采集。

SG-100采用基于ARM Cortex-M4內核的32位高性能MCU，附帶浮點運算單元FPU，主頻達168MHz，片上搭載2MB Flash、256KB RAM，板上另載有一個32位IO數據協處理器。AHRS傳感器采用應美盛MPU9250九軸傳感器，MS5611 MEAS氣壓計，L3GD20陀螺儀，LSM303D加速度計。所有引出端口均帶有電氣過載保護。

固定翼無人機的性能指標為：翼展2000 mm、機身長度1300 mm、機身高度400 mm、翼面積53.2 dm2，機身重量4 kg。具有以下特性：機艙空間大，專設傘倉，相機倉等設備搭載平臺，飛行靈活穩定；飛機模塊化設計，拆裝體積小，質量輕，攜帶方便；EPO發泡材料、強度高，抗沖擊。如圖1所示。

圖1 固定翼機身

為了實現山區無須人工采集控制點情況下提高成圖精度，應用高精度定位導航模塊，集成了通過電臺鏈路通訊的實時RTK功能和記載記錄的后處理PPK，雙重保障數據采集后能夠和真實坐標一一對應。高精度定位模塊(RTK)，見圖2。

圖2 高精度定位模塊(RTK)

3.2 數據建模

建模軟件基于影像自動生成正射影像模型。本文采用的數據處理軟件是中量智匯公司開發的PPSG軟件，該軟件無需復雜參數設置，軟件內自動相機檢校，可以對任意照片進行處理，無需添加控制點，實現無人值守、完全自動化模型重建。針對松材線性蟲病樹的顏色、光譜特性提升數據處理能力，可提高軟件的適用性能。圖3為此次測試的正攝影像圖。

圖3 正攝影像圖

3.3 病樹自動識別

受侵染松材針葉顯紅褐色，含水量降低，呈萎蔫狀。在RGB色域下對圖像進行檢索，正射視圖上檢測出受侵染松材邊緣范圍，確定樹木坐標。RGB色域的分界，見圖4；受侵染松材邊緣的確定，見圖5。

圖4 RGB色域分界算法

圖5 受侵染松材邊緣

3.4 監測GIS軟件

監測GIS軟件主要實現病樹的標注、編輯、存儲、統計。基于.NET Framework 4.6.2 框架與ArcGis Engine開發，加載無人機拍攝處理得到的正攝tif圖像，加載林班圖層，可新建圖層進行病蟲害樹木在地圖上標記、編輯、存儲、統計，并發送到服務器供移動端APP使用。

軟件主要包括：地圖數據顯示、病蟲害數樹木標記、數據統計存儲與任務傳輸4個部分。 地圖數據顯示，主要加載tif柵格數據與shape文件顯示林業區域地圖、林班分布與標記的病蟲害樹木地點分布。病蟲害樹木的標記，根據tif圖顯示樹木顏色差異，進行點添加標注，存為shape文件，再根據林班圖層的多邊形(林班)與標注點的空間包含關系，添加林班編號字段，其效果圖見圖6。根據需求將標注點存為excel表格或者存入數據庫，更新到服務器。數據統計主要統計各林班的病蟲害樹木個數等信息。任務發送主要選擇要處理的病蟲害樹木，發送其ID與經緯度到服務器，經由服務器發送數據到手機app端，給相關人員進行病害樹木處理任務。

圖6 疊加標記點及林班信息的數據

3.5 APP軟件開發

移動端APP軟件的主要功能是為了護林員在山中定位自身和病樹的位置，實現導航功能，界面見圖7[5]。

圖7 APP開發成果

4 數據分析與驗證

本文提出的方法在福建省三明市格氏栲自然保護區進行了驗證，用該方法統計的數據見圖8。

圖8 各林班病樹數據統計

經過現場驗證，該方法的監測結果達到了100%的精度。

5 結語

應用無人機監測系統在林區開展松材線性蟲病監測，提高了松材線性蟲病的監測效率，在實驗區開展松材線性蟲病監測，進行松材線性蟲病的樹體單點定位、識別、標記及監測，為松材線性蟲病的病樹監測、防治提供技術依據，防止了松材線性蟲病疫區范圍擴大，降低了損失，促進了林業可持續發展。