松材線蟲病遙感監(jiān)測應(yīng)用潛力及難點分析

汪飛劍

（歙縣林業(yè)局，安徽 黃山245200）

松材線蟲病是世界性檢疫有害生物，是松樹的一種毀滅性流行病害。松樹感染松材線蟲后最快可在40 d內(nèi)死亡，并且難以治理和救治，被稱為松樹“癌癥”。有報道顯示，松材線蟲病能使松林在3～5年內(nèi)大面積毀滅，又被稱為“無煙的森林火災(zāi)”。根據(jù)相關(guān)研究，目前松材線蟲的危害出現(xiàn)了一些新的特點，發(fā)生區(qū)突破了傳統(tǒng)理論適生界限，已經(jīng)擴(kuò)散到了東北地區(qū)，并且傳播媒介種類增加，提高了防治的復(fù)雜性；感病的樹種也由過去的幾種松樹擴(kuò)展了更多，我國松林面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

松樹是我國重要的資源植物，面積廣闊。松樹產(chǎn)生的松脂是多種化工原料的來源，廣泛應(yīng)用于涂料、黏合劑、香料等，涉及化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥等領(lǐng)域，具有重要的經(jīng)濟(jì)價值；松樹在改善土壤環(huán)境、涵養(yǎng)水源、固碳方面都占有重要地位，具有重要的生態(tài)價值；松樹樹干挺拔、樹體優(yōu)美，具有極高的觀賞價值和重要的文化價值。目前，由松材線蟲病致死的松樹數(shù)量巨大，松樹面臨著重大威脅，并且松材線蟲病已經(jīng)在多個景區(qū)發(fā)現(xiàn)，迎客松、鳳凰松等名松面臨巨大的危險，松材線蟲病的防治刻不容緩。松材線蟲病的高傳播、快速繁殖、快速致死等因素，給防治工作帶來了巨大的困難，因此開展對感病松樹的快速、準(zhǔn)確識別和定位研究對松材線蟲病防治具有重大意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對于松材線蟲病的精確監(jiān)測是松材線蟲病防治的基礎(chǔ)，只有做好松材線蟲病的監(jiān)測工作，后續(xù)的防治才能順利高效施行。目前，對于松材線蟲病的監(jiān)測大多采用人工踏查的方式，但由于我國松林面積廣大，地勢條件復(fù)雜，該種監(jiān)測方式費時費力，監(jiān)測的準(zhǔn)確性也有所折扣，很難達(dá)到防治的目的。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，通過衛(wèi)星等航天遙感獲取圖片來監(jiān)測松材線蟲病疫區(qū)發(fā)生情況成為了可能。高效、準(zhǔn)確地對松材線蟲發(fā)生情況進(jìn)行監(jiān)測已成為當(dāng)前探索的熱點。

1.1 光譜特征研究

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用多光譜特征解決森林病蟲害的問題在上世紀(jì)90年代已經(jīng)初步形成。通過利用RS（遙感）獲取基本地物信息，利用GPS（全球定位系統(tǒng)）獲取衛(wèi)星平臺和地面三維定位信息，利用GIS（地理信息系統(tǒng)）對獲取的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)化統(tǒng)計分析，結(jié)合對獲取的地物信息進(jìn)行多光譜反射曲線分析，從而可以發(fā)現(xiàn)植物早期病變情況，在此基礎(chǔ)上做出相關(guān)的防治措施。

多光譜技術(shù)可以將入射的全波段或?qū)挷ǘ蔚墓庑盘柗殖啥鄠€窄波段的光束，再將其分別成像在相應(yīng)的探測器上，獲得不同光譜波段的圖像。光譜反射特征的影響因素有很多，不同種類的植物、不同生長階段的植物、不同生理狀態(tài)、是否染病的植物等都具有不同的反射光譜特征。因此，多光譜技術(shù)為監(jiān)測病蟲害大面積發(fā)生提供了依據(jù)。

目前，關(guān)于多光譜特征應(yīng)用于松材線蟲防治研究還較少。王震等測量了自然侵染下輕度、中度、中度以及健康狀態(tài)下馬尾松的光譜特征，并對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了一階微分分析，對比了不同光區(qū)（綠光區(qū)、紅光區(qū)、近紅外光區(qū)）的反射光譜變化特征。結(jié)果顯示，不同受害程度的馬尾松光譜特征變化明顯，這為應(yīng)用遙感和多光譜技術(shù)解決松材線蟲侵染程度監(jiān)測的問題提供了實驗依據(jù)。還有研究指出，大多數(shù)受害類型的光譜反射特征在近紅外（680～780 nm）區(qū)域存在著顯著差異，并且呈現(xiàn)了較好的光譜變化規(guī)律，這對松材線蟲病監(jiān)測具有重大意義。徐華潮研究了黑松和馬尾松被松材線蟲侵染后不同染病階段的反射光譜，分析了其中葉綠素情況以及光譜參數(shù)。結(jié)果表明，在可見光波段（350～700 nm）內(nèi)，松材線蟲病感染初期的反射率與健康松樹的差異不明顯；在感染后期，差異較為明顯。而在近紅外和中紅外波段內(nèi)（波長大于800 nm），染病初期反射率差距較為明顯，所以對松材線蟲病監(jiān)測的時候，合理選擇波段范圍可以有效提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性。染病前期可以選擇近紅外和中紅外波段，染病后期選擇可見光波段。

1.2 衛(wèi)星/航空遙感監(jiān)測

對于森林病蟲害的監(jiān)測，可以分為3個方面。首先，發(fā)生前需要對發(fā)生環(huán)境做好監(jiān)測，掌握可能發(fā)生病蟲害的環(huán)境，及時做好防范措施；其次，病蟲害發(fā)生過程中也需要監(jiān)測，及時掌握發(fā)生涉及的范圍，是否有擴(kuò)大的可能；最后，病蟲害發(fā)生后，需要了解具體發(fā)生的面積，做好損失估算和恢復(fù)計劃。對于大面積的森林病蟲害的監(jiān)測，需要借助航空衛(wèi)星遙感技術(shù)。森林病蟲害遙感監(jiān)測始于上世紀(jì)30年代，對受鐵杉尺蠖（Lanbdina fiscellaria）危害的落葉林進(jìn)行航攝試驗，揭開了森林病蟲害遙感監(jiān)測的序幕。上世紀(jì)80年代，美國研制出了航空錄像技術(shù)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有使用簡便、處理迅速、精度適中等優(yōu)點，多用于突發(fā)性森林病蟲害的監(jiān)測。我國從“八五”規(guī)劃后開始引進(jìn)和掌握此技術(shù)。

我國利用航空遙感影響對針葉樹病蟲害的研究始于1988年，中科院的池天河、戴昌達(dá)等在安徽應(yīng)用TM圖像對越冬代松毛蟲災(zāi)害的監(jiān)測進(jìn)行了研究。劉志明通過氣象衛(wèi)星AVHRR獲得大興安嶺地區(qū)遙感資料，分析處理后的RVI（綠度指數(shù)）后，結(jié)合實地抽樣調(diào)查估算出受馬尾松毛蟲危害面積。武紅敢等使用光學(xué)航天遙感技術(shù)在廣西監(jiān)測了馬尾松毛蟲災(zāi)害情況，監(jiān)測面積約6.7萬hm，證實了森林質(zhì)量的變化91.4%是由于松毛蟲危害，其他為森林火災(zāi)所致，誤判率只有1.9%；還在安徽監(jiān)測了2.13萬hm的變色枯立木的發(fā)生情況。石進(jìn)等在安徽省黃山風(fēng)景區(qū)、寧國市等地航測了1.5萬多hm的松闊混交林，通過觀察數(shù)碼帶上紅色的點位識別變色枯立木，結(jié)合手持GPS進(jìn)行核查，發(fā)現(xiàn)變色點位都有與之相對應(yīng)的變色樹，未發(fā)現(xiàn)松材線蟲感染松樹，此次監(jiān)測中的變色樹都為闊葉樹。

2020年，方立剛等在黃山市歙縣利用衛(wèi)星遙感開展松材線蟲病秋季普查監(jiān)測實驗，監(jiān)測面積390 km。首先，普查通過高分衛(wèi)星獲取松林多光譜遙感圖片，基于原始遙感圖片進(jìn)行切片、解譯、特征提取、地物分類等處理；其次，按光譜特征進(jìn)行像元級地物分類打標(biāo)，生成訓(xùn)練和測試樣本數(shù)據(jù)集，對數(shù)據(jù)集機(jī)器學(xué)習(xí)生成疫木識別模型，再根據(jù)識別模型對其他遙感圖片進(jìn)行分析找出目標(biāo)對象；最后，對找到的目標(biāo)對象集合進(jìn)行二次分析去噪，篩選出變色的枯立木，準(zhǔn)確率達(dá)80%以上。

然而，由于受傳感器分辨率、衛(wèi)星運行周期以及大氣環(huán)境（如光照、溫度等）的影響，利用高光譜儀等成像設(shè)備所獲取的地物光譜特征數(shù)據(jù)往往不能很好地表征其類型。對于監(jiān)測松材線蟲病疫木來說，需要精準(zhǔn)其位置，衛(wèi)星遙感的空間分辨率并不能完全滿足監(jiān)測需求。因此，對松材線蟲病疫木的監(jiān)測除了使用衛(wèi)星遙感之外，還需要更加精確的方式。

1.3 無人機(jī)監(jiān)測

近年來，無人機(jī)由于體積小、重量輕、操作簡單以及可以搭載不同類型的相機(jī)獲得不同類型的圖片數(shù)據(jù)，受到部分林業(yè)部門的青睞，嘗試將其作為一種新型獲取松材線蟲病監(jiān)測數(shù)據(jù)的設(shè)備。使用無人機(jī)進(jìn)行松材線蟲監(jiān)測時，首先，需要經(jīng)過現(xiàn)場地形的勘察，確定起飛點，保證周圍沒有障礙物遮擋，達(dá)到飛行安全；其次，需要進(jìn)行內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備，根據(jù)天氣情況，確定起飛時間；最后，進(jìn)行飛行軌跡的規(guī)劃，獲取飛行監(jiān)測數(shù)據(jù)。

李衛(wèi)正等利用無人機(jī)在南京進(jìn)行了遙感定位病死木的試驗，試驗面積約15 hm，使用無人機(jī)搭載可見光相機(jī)獲取試驗地的空間分辨率影像，通過目視法尋找病死木，并作出標(biāo)記。呂曉君等在神農(nóng)架和宜都市利用無人機(jī)獲取相對高度500～1 500 m的高分辨率航拍圖片，結(jié)合POS數(shù)據(jù)信息制作出數(shù)字正射影像圖，根據(jù)變色情況對枯立木進(jìn)行人工識別和定位。這種方法與傳統(tǒng)方法相比極大地提高了工作效率，但仍有不足，如目視標(biāo)記病死木容易造成誤認(rèn)和漏認(rèn)，需要結(jié)合多光譜相機(jī)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過可以自動判讀的軟件進(jìn)行病死木的辨認(rèn)和統(tǒng)計。武敢紅在重慶市沙坪壩區(qū)的春秋季使用無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)對當(dāng)?shù)厮刹木€蟲發(fā)生進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果顯示春季枯死松樹為33株、秋季枯死松樹為119株，準(zhǔn)確率為94%，精度在10 m以內(nèi)。

2020年，李海霞等人在黃山市歙縣開展了兩次無人機(jī)監(jiān)測枯死松木飛行試驗，監(jiān)測總面積約133 hm。第一次的飛行平臺為復(fù)合翼垂直起降固定翼無人機(jī)WZ-180，第二次的飛行平臺為四軸多旋翼無人機(jī)M210，兩次飛行均搭載了長光禹辰的MS600多光譜相機(jī)。飛行監(jiān)測后，使用Yusense Map航空遙感預(yù)處理軟件對原始多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、拼接、輻射定標(biāo)，得到多光譜反射率影像后，導(dǎo)入至行業(yè)應(yīng)用軟件Yusense Map+中，對試驗地區(qū)枯死松木進(jìn)行人工提取統(tǒng)計，獲取所有枯立木的位置信息，并將數(shù)據(jù)與之前人工普查的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。從表1可以看出，本次試驗監(jiān)測準(zhǔn)確率達(dá)到80%以上，為無人機(jī)監(jiān)測的可行性提供了數(shù)據(jù)支撐。

表1 枯立木普查數(shù)據(jù)統(tǒng)計

雖然無人機(jī)遙感能及時獲取多時態(tài)、多角度、多光譜、高精度的遙感影像，為決策者提供松材線蟲病早期監(jiān)測和防控依據(jù)。然而，由于無人機(jī)在平衡性、續(xù)航時間、操縱及遙感圖像獲取和處理等因素，限制了無人機(jī)遙感技術(shù)在松材線蟲病監(jiān)測的實際應(yīng)用。

2 松材線蟲病監(jiān)測中存在的問題與分析

2.1 準(zhǔn)確識別問題

全國大多數(shù)松材線蟲疫區(qū)主要采用人工實地踏查的方法。按照“監(jiān)測全覆蓋、普查無盲區(qū)”的要求，制定松材線蟲病疫情集中普查方案，將調(diào)查任務(wù)落實到山頭地塊。主要依托當(dāng)?shù)亓謽I(yè)站、護(hù)林員對林區(qū)進(jìn)行走訪和踏查。由于我國松林面積大、交通不便、地形復(fù)雜，利用人工監(jiān)測調(diào)查松材線蟲病疫情發(fā)生情況難度很大，難以準(zhǔn)確掌握疫情發(fā)展情況，且無法確保精度。多光譜技術(shù)的發(fā)展使衛(wèi)星航空遙感監(jiān)測病蟲害成為了可能，不同的植物、不同的病蟲害、不同的感病時期會呈現(xiàn)出不同的光譜特征，利用這一特性，可以在很短的時間內(nèi)監(jiān)測廣大的森林面積，并且對其中的病蟲害情況進(jìn)行識別，非常合適森林中的監(jiān)測作業(yè)。

當(dāng)松材線蟲侵染松樹后，松樹感病的外部特征是松葉變?yōu)榧t褐色，所以松材線蟲病也被稱為“無煙的火災(zāi)”。當(dāng)監(jiān)測混交林中的松材線蟲病疫木時，由于很多闊葉樹的樹葉也有相似的顏色，如楓香等，這給監(jiān)測任務(wù)帶來了極大的困難。當(dāng)枯死松樹叢狀分布時，不能完全精準(zhǔn)識別枯死松樹數(shù)量，監(jiān)測中難以完全勝任單株枯死松樹的定量監(jiān)測任務(wù)。對于松材線蟲病監(jiān)測來說，任何遺漏都可能會增加傳播的風(fēng)險，所以對于松材線蟲病的監(jiān)測需要非常精確。為了使松材線蟲病疫木監(jiān)測更加準(zhǔn)確，應(yīng)該擴(kuò)展識別標(biāo)準(zhǔn)，通過多光譜來進(jìn)行是否染病的監(jiān)測外，還需要探索出更多識別樹種的新技術(shù)，例如可以通過對遙感影像的樹冠冠型來確定植被類型等。通過多角度、多方面的識別標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確識別和定位每株枯死松樹的位置，為松材線蟲病的預(yù)防和治理提供重要的數(shù)量和位置信息。

2.2 實時性和精確性問題

松材線蟲病在媒介昆蟲的取食，產(chǎn)卵等活動中，具有很強(qiáng)的傳播能力，這使得松材線蟲病的疫情處于不斷的變化中，對于松材線蟲病的監(jiān)測就需要具有一定的實時性。常規(guī)的人工踏查費時費力，對于地勢嚴(yán)峻的山地往往很難及時做到大面積的全面監(jiān)測，衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)則能夠彌補(bǔ)這一缺陷。通過對獲取的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以在短時間內(nèi)獲得松材線蟲病的發(fā)生信息。雖然衛(wèi)星遙感極大提高了監(jiān)測的實時性和準(zhǔn)確性，但是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)量大的特點以及空間分辨率的限制，使我們對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果的獲得仍然有一定的延遲；在部分地形復(fù)雜地區(qū)，監(jiān)測的精確性也并不能完全達(dá)到我們的需求，這時候就需要結(jié)合無人機(jī)來進(jìn)行復(fù)雜地區(qū)的飛行監(jiān)測。

無人機(jī)可以采集多時態(tài)、多角度、多光譜、高精度圖像，進(jìn)行病害松樹的人工目測或者多光譜分析來分類識別，這種方法具有一定的可行性和有效性，可以彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感的缺陷。然而，由于無人機(jī)在平衡性、續(xù)航時間、操縱及遙感圖像獲取和處理等方面的不足，導(dǎo)致了無人機(jī)遙感技術(shù)在松材線蟲病監(jiān)測的應(yīng)用范圍受到限制；同時，人工目測分類識別依賴于人的經(jīng)驗，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，識別的效率并不高，容易產(chǎn)生漏判和誤判。經(jīng)過市場調(diào)研和了解，很少有人進(jìn)行松材線蟲的航空和航天遙感單株識別和監(jiān)測分析，且市面上還沒有一款成型的智能分析多光譜遙感標(biāo)識松材線蟲疫木的軟件系統(tǒng)。這使得松材線蟲疫木的遙感監(jiān)測在實時性和精確性方面仍然有一定的缺陷。

3 結(jié)語

目前，國內(nèi)對于無人機(jī)及衛(wèi)星遙感的應(yīng)用大多集中在使用多光譜相機(jī)采集圖像信息，其他類型的采集設(shè)備如激光雷達(dá)、紅外熱成像儀、熒光相機(jī)等涉及的較少。主要原因在于，此類設(shè)備價格昂貴，并且無人機(jī)所能搭載的設(shè)備有限，無法廣泛應(yīng)用到相關(guān)的遙感系統(tǒng)中。無人機(jī)的續(xù)航及飛行情況的缺陷也限制了其發(fā)展。無論是衛(wèi)星遙感還是無人機(jī)飛行監(jiān)測，獲得的數(shù)據(jù)量都是相當(dāng)大的，在松材線蟲病疫木的監(jiān)測中，大多數(shù)時間都用在了數(shù)據(jù)的處理和分析中，這些因素都大大制約了遙感技術(shù)在松材線蟲疫木中的發(fā)展。

針對目前松材線蟲病疫木監(jiān)測存在的情況，在方法上，我們亟需探索一種衛(wèi)星遙感和無人機(jī)航測相結(jié)合的方式，既滿足大面積監(jiān)測的實時性，也滿足監(jiān)測的精確性問題，科學(xué)規(guī)劃無人機(jī)飛行航道，盡量在有限的續(xù)航時間內(nèi)監(jiān)測更大的面積；在技術(shù)上，減少無人機(jī)能耗，提高電池續(xù)航，增加飛行作業(yè)的時間，探索出搭載不同的傳感器對于松材線蟲病疫木的監(jiān)測是否具有不同的效果；在識別上，深入研發(fā)智能分析多光譜遙感標(biāo)識松材線蟲病疫木軟件，通過大數(shù)據(jù)建立松材線蟲病疫木的識別模型，將試驗測試中的軟件升級應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中，提高對松材線蟲病疫木的識別精度，做到存在一株發(fā)現(xiàn)一株。

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，松材線蟲病的監(jiān)測將越來越趨于信息化、自動化、智能化發(fā)展，利用衛(wèi)星遙感進(jìn)行大面積監(jiān)測和無人機(jī)局部飛行監(jiān)測相結(jié)合的方式將成為未來監(jiān)測發(fā)展的方向之一。