基于遙感技術(shù)的林區(qū)病蟲害監(jiān)測方法

姜相基

（古浪縣綠化工作指導站，甘肅 古浪 733100）

森林病蟲害屬于生物滅害范疇，其危害具有一定的普遍性。病蟲害是構(gòu)成生態(tài)環(huán)境的一個組成部分，因此開展林業(yè)建設(shè)就會導致害蟲的發(fā)生，這是不可抵抗的因素之一，也是制約北方林業(yè)發(fā)展和建設(shè)以及生態(tài)環(huán)境改善的一個重要因素[1]。森林病蟲害的發(fā)生具有廣泛性、規(guī)律性和傳播速度快的特點，目前森林病蟲害的發(fā)生比較嚴重，其主要原因是對森林病蟲害的監(jiān)測和控制不夠到位，需要加強森林病蟲害的防治和監(jiān)測工作，在森林病蟲害發(fā)生的第一時間采取有針對性的防治措施，最大限度地減少其造成的危害，發(fā)揮防治效果，促進森林經(jīng)濟的發(fā)展。

為實現(xiàn)森林病蟲害的有效防治，科學監(jiān)測是首要條件。目前國內(nèi)外在森林病蟲害監(jiān)測方面的研究成果主要有基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的測報方法、基于小波分析的測報方法和基于物聯(lián)網(wǎng)的測報方法。但由于監(jiān)測范圍小，精度不高，因此引入了遙感技術(shù)進行分析。遙感技術(shù)是一種從人造衛(wèi)星、飛機或其他飛行器上采集地物目標電磁輻射信息，識別地球環(huán)境和資源的技術(shù)，以提高森林病蟲害遙感監(jiān)測的范圍和精度為目的。

1 林區(qū)病蟲害監(jiān)測方法設(shè)計

1.1 劃分林區(qū)病蟲害程度等級

太陽電磁波通過大氣到達地球表面時，地球的表面特征反射和吸收電磁波。隨著入射光波長的不同，地物的反射率也不同。因此，地物光譜特性是指不同地物反射和發(fā)射的電磁波能量隨波長的變化而變化以及數(shù)量和質(zhì)量變化的特性。

生長正常的植被都有規(guī)律的光譜反射曲線，即0.52～0.6 μm 的綠光區(qū)有1個小的反射峰，約0.48 μm 的藍光和約0.68μm 的紅光各有1個吸收帶，近紅外區(qū)的反射率在0.75～1.3 μm 急劇上升，形成了鮮明的反射峰，也叫綠色植物的近紅外陡坡效應(yīng)。圖1 顯示了健康植物的反射光譜曲線。

圖1 健康植物反射光譜曲線

在該地區(qū)病蟲害猖獗時，當森林植物葉水分和葉綠素含量降低，反射率明顯降低。近紅外反射率的降低是病蟲害的前兆，也是利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進行早期監(jiān)測的基礎(chǔ)[2]。通過對林區(qū)葉綠素的光譜范圍劃分林區(qū)病蟲害程度等級。

1.2 設(shè)置林區(qū)病蟲害監(jiān)測指標

以植被指數(shù)綠度和植被比率指數(shù)作為病蟲害監(jiān)測指標。植被綠度指數(shù)代表林區(qū)植被的綠色成分，它是每個波段輻射值的加權(quán)和。輻射是大氣輻射、太陽輻射和環(huán)境輻射的綜合結(jié)果。指數(shù)可以通過顏色和反射率來計算。植被比指數(shù)是綠色植物的敏感指標參數(shù)，是監(jiān)測和評價森林病蟲害的有效參數(shù)。它與葉片干生物量和葉綠素含量高度相關(guān)，可用于植物生物量的檢測和估算[3]。綠色健康植被覆蓋率遠大于1，非植被覆蓋率約為1。植被覆蓋率較高時，該指數(shù)對植被非常敏感；當植被覆蓋度小于50%時，敏感性顯著降低。植被指數(shù)比值計算公式如下：

式中，R是紅色波段，NIR是近紅外波段，參數(shù)ρNIR和ρR分別表示了近紅外波段和紅光波段的反射光譜值，公式（1）計算得出的結(jié)果即為比值植被指數(shù)的監(jiān)測結(jié)果。

1.3 遙感數(shù)據(jù)的獲取與處理

獲取ALOS 衛(wèi)星全色遙感立體測繪儀、可見光與近紅外輻射計、L-波段相控陣合成孔徑雷達3 種傳感設(shè)備在目標林區(qū)位置獲取遙感圖像數(shù)據(jù)，ALOS 遙感圖像基本采集參數(shù)見表1。

表1 ALOS 遙感影像基本參數(shù)

全色圖像具有較高的空間分辨率，多光譜數(shù)據(jù)包括 4個波段，波段 1 為藍波段（0.42～0.50 μm），對水體滲透能力強，對葉綠素和葉色濃度敏感；波段2 為綠波段（0.52～0.60 μm），對茂盛的植物綠光反射敏感，在綠色植被高反射區(qū)內(nèi)可檢測植物綠色反射率，根據(jù)其反射值達到的大小可評估植物的生命能力，并區(qū)分不同的林型和林種；波段3 為紅波段（0.61～0.69 μm），可檢測植物的種類、生長力、病蟲害等，并對植物種類、生長力、病蟲害等變化最為敏感[4]。

通過對傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)的調(diào)取得出林區(qū)對應(yīng)的遙感影像，并在此基礎(chǔ)上進行幾何校正處理，具體的處理過程如下：

式中，x和y是要校正的原始圖像的像素坐標，u和V是校正圖像上相同對象的像素坐標。fx（u，v）和fy（u，v）為校正函數(shù)，n 為多項式的階數(shù)，而aij和bij對應(yīng)的是校正系數(shù)。

1.4 提取林區(qū)遙感影像特征

基于遙感圖像，可以方便地從色彩和紋理等方面實現(xiàn)森林地區(qū)遙感圖像的特征提取[5]。在RGB 色彩空間環(huán)境中，當三基色按不同比例相加時，空間中任意一種顏色都能產(chǎn)生，即任意一種色光都可以表示為：

式中，[R]、[G]和[B]分別表示的是紅、綠和藍顏色分量，而r、g和b為分量系數(shù)。3 種顏色分量最大時F為白光；3 種顏色分量最大時F為黑光；通過對遙感圖像中各圖像像素點的解析解算，得到量化的遙感色彩特征提取結(jié)果。采用基于統(tǒng)計方法的灰度共生矩陣對圖像進行紋理提取和分析。矩陣提供圖像元素和整個圖像之間以及圖像元素和圖像元素之間的空間關(guān)系pi（jd,θ）表示圖像的紋理。計算方法是計算 0°、45°、90°、135°任意 2個灰度在 4個方向上相鄰出現(xiàn)的概率矩陣稱為灰度共生矩陣。然后對矩陣進行歸一化和對稱化，得到灰度聯(lián)合矩陣，得到4個方向的灰度值之間的空間共生特征就作為紋理的度量[6]。利用灰度共生矩陣可以得到多個從側(cè)面描述影像紋理特征的紋理量，即為遙感影像的紋理特征提取結(jié)果。

1.5 實現(xiàn)林區(qū)病蟲害遙感監(jiān)測

提取實時采集的林區(qū)遙感影像特征，并與設(shè)置的病蟲害程度等級進行比對，通過監(jiān)測指標區(qū)間的對應(yīng)，判斷當前林區(qū)是否存在病蟲害，并輸出包含林區(qū)病蟲害等級的監(jiān)測結(jié)果。

2 監(jiān)測性能測試實驗分析

2.1 監(jiān)測運行平臺與參數(shù)設(shè)置

實驗運行平臺為 Ubuntu16.04 微機、Intel Corei7-3770CPU@3.40GHz、8 位 英 特 爾 處 理 器 、NVIDIA GeForceGTX 1080 TiGPU，并使用Tensor-Flow 作為森林病蟲害監(jiān)測的框架系統(tǒng)。因為實驗過程中需要遙感影像作為數(shù)據(jù)支持，所以需要將遙感影像數(shù)據(jù)庫安裝到實驗環(huán)境中，并在數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測平臺之間建立連接。

2.2 研究區(qū)概況

以位于松材線蟲病重疫區(qū)～24.91°N、118.47°～118.53°E 的一塊林地為調(diào)查對象。該地區(qū)總面積為4.25 km2，最高海拔高度為517.8 m。其中，松林面積16 km2，占現(xiàn)有森林資源總量的26.15%；森林管理中心于2019年秋季和2020年春季對林區(qū)進行松材線蟲病及受害木普查，選定林區(qū)作為重點調(diào)查地區(qū)，疫情較重。蟲病在該地區(qū)因寄主植物和寄主昆蟲的存在及舒適的生存環(huán)境而暴發(fā)流行。

2.3 準備林區(qū)數(shù)據(jù)集

準備的林區(qū)數(shù)據(jù)集主要為監(jiān)測時間范圍內(nèi)林區(qū)不同位置上的遙感圖像，其中某一時刻林區(qū)的遙感采集圖像如圖2 所示。

圖2 林區(qū)遙感圖像示意圖

2.4 描述實驗的過程

為了形成實驗對比，除了設(shè)計了基于遙感技術(shù)的森林有害生物監(jiān)測方法外，還建立了傳統(tǒng)的有害生物監(jiān)測方法和文獻[5]提出的方法的基于隨機森林和決策樹的病蟲害監(jiān)測方法作為實驗的2 種對比方法。在實際的監(jiān)測方法運行過程中，設(shè)計方法可以調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的遙感圖像數(shù)據(jù)，而2種對比方法則無法對遙感圖像數(shù)據(jù)進行調(diào)用。另外，設(shè)置監(jiān)測方法的性能指標為監(jiān)測范圍和監(jiān)測精度，其中監(jiān)測范圍可以通過計算監(jiān)測畫面對應(yīng)的林區(qū)面積得出，而監(jiān)測精度主要從監(jiān)測畫面的清晰度和病蟲害監(jiān)測結(jié)果的正確性2個方面得出。通過對遙感圖像的分析可以確定不同時刻林區(qū)的病蟲害狀態(tài)和等級，并以此作為性能測試實驗的對比標準。

2.5 監(jiān)測性能測試結(jié)果分析

通過對不同時刻林區(qū)病蟲害監(jiān)測得到了監(jiān)測精度和監(jiān)測范圍的測試結(jié)果，如表2 所示。

表2 監(jiān)測性能試驗對比結(jié)果

從病蟲害等級的角度來看，3 種監(jiān)測方法的監(jiān)測結(jié)果與標準等級相同，但傳統(tǒng)方法和文獻[5]提出方法的平均畫面清晰度分別為780 dpi 和900 dpi，而設(shè)計監(jiān)測方法的平均清晰度為1 180 dpi，由此可見設(shè)計方法的監(jiān)測精度更高。另外，相比于2 種對比方法，設(shè)計方法的平均檢測面積更加接近林區(qū)的總面積，即監(jiān)測范圍更大。

3 結(jié)束語

從實驗結(jié)果可以看出，通過遙感技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提升林區(qū)病蟲害監(jiān)測的精度和范圍，對林區(qū)安全發(fā)展具有重要意義。然而由于遙感技術(shù)需要采集和存儲大量的圖像信息，因此占用的運行空間較大，可能會出現(xiàn)監(jiān)測時延長等問題，在未來的研究中需要進一步優(yōu)化。