無人機遙感技術在松材線蟲病治理中的應用

王云堂

重慶森豐林業科技有限公司，重慶 400050

0 引言

無人機遙感技術是一種依托無人駕駛飛行器，具有自動化、智能化等特征，能夠精準獲得空間遙感信息，并完成遙感數據處理、建模、分析的技術［1］。現階段，無人機遙感技術以機動、快速、經濟等優勢被廣泛應用，并發揮了重要作用。例如，無人機遙感技術可以在宏觀上觀測災區的災情，并能詳細分析災情影響下的空氣、土壤、植被和水質變化情況，為相關工作人員開展應急救災、災情評估、災后治理等工作提供精準的數據和決策依據。實時快速跟蹤和監測突發環境污染事件的進展，是無人機遙感技術在應對突發事件中的又一重要貢獻。根據其第一時間回傳的地勢特點、污染情況、受災范圍與程度等詳細數據，工作人員可第一時間制訂科學的治理方案，最大限度減少污染對人們的生命財產安全或對環境造成的損害［2］。目前，國內外研究人員已將無人機遙感技術列為熱點課題，促使其從研究開發階段進入實際應用階段。

松材線蟲病是具有毀滅性的森林病害，將無人機遙感技術深度、有效地應用于松材線蟲病治理實踐，能夠有效提升治理實效，對充分發揮森林綜合價值具有積極作用。據此，筆者分析了松材線蟲病特征，闡述了無人機遙感數據獲取流程，并以重慶市為例進行案例分析，旨在提升無人機遙感技術在松材線蟲病疫木治理中的應用深度與有效性。

1 松材線蟲病概述

松材線蟲病又名松樹萎蔫病，是全球森林生態系統中最具毀滅性的病害之一，被稱為“松樹的癌癥”，其易侵染的森林植物已被我國相關部門列為重點檢疫對象。該病害在我國的傳播以昆蟲——松褐天牛為主要媒介，其傳播嚴重影響了生態環境和自然景觀，造成了嚴重的經濟損失［3］。松樹一旦感染該病，40 d 左右就可死亡，3～5 a 整片松林都會死亡。松樹感染松材線蟲病后，葉片呈黃褐色，病情嚴重時葉片呈紅褐色，直至葉片枯萎死亡［4］。松材線蟲的發病條件較一般的植物病害復雜，其發生和流行要求有感病的寄主植物、病原松材線蟲和合適的發病環境，但松材線蟲要靠媒介昆蟲的傳播才有可能侵染進入寄主植物。隨著感染程度的不斷加深，松樹針葉內部會發生明顯的變化，其組織結構、水分含量、葉綠素含量等均會發生相應的變化。

2 無人機遙感技術在松材線蟲病治理中的應用原理

松材線蟲病防控的4 個關鍵環節為病害檢疫、疫情監測、疫木除治和媒介昆蟲防治。在防治松材線蟲病的過程中，僅憑人力往往無法實現預期效果。具備宏觀、快速、動態等特點的無人機遙感技術成為防治松材線蟲病的最佳輔助技術之一。在松樹病蟲害防治中，無人機遙感技術可以通過圖像信息的采集，全面收集松樹葉片的變化信息，并進行相應的數據分析和分類整理，最終對染病的馬尾松葉和黑松葉的含水量、葉綠素含量、胡蘿卜素含量進行科學對比［5］。

工作人員對感病的松針的反射光譜進行測量（測量儀器為ASD 光譜儀）后可發現，感染后的松針在近紅外、中紅外波段處與健康松針存在明顯區別：通過詳細觀察不同階段光譜變化，發現松針感染程度加重時，光譜紅線位置藍移，相對應的綠峰反射高度不斷降低［6］。

3 無人機遙感技術的應用

3.1 無人機遙感圖像采集流程

無人機傳感器在小區域和飛行困難地區快速獲取高分辨率影像方面具有明顯優勢。因此，反應快速、機動靈活、便于搬運、勘測準確等是目前選擇無人機傳感器考慮的主要因素，如高分辨率CCD 數碼相機、多光譜成像儀、激光掃描儀等遙感傳感系統［7］。工作人員要根據不同的圖像采集需求，在無人機上安裝相對應的儀器。為保證高質量飛行，工作人員要依據不同任務，根據飛行區域的地理位置、地形特點、溫度、光照、濕度等數據信息，通過控制系統設定飛行高度、速度、線路，把握任務完成進度。同時，工作人員應進一步確定遙感器的信息采集方式和速度，以保證任務完成質量［6］。無人機根據設計人員提前規定好的飛行路線進行數據采集，并進行信息存儲。無人機獲得數據后，工作人員可通過地面控制系統，將各項參數信息傳輸到系統中。遙感傳感器執行收錄所拍攝的數字圖像數據任務后，依托無線傳輸系統將數據傳輸到地面控制分系統，等待后續的整理分析。

3.2 多光譜無人機遙感圖像識別技術

隨著多光譜儀器小型化和應用算法等研究的不斷深入，無人機載多光譜遙感技術較好地解決了人工踏勘效率低、可見光影像數據量大、衛星遙感分辨率低的問題，是當前較為理想的中小面積松材線蟲病情監測手段。可見光遙感一般有紅、綠、藍3 個波段［7］。多光譜照相機是在普通航空照相機的基礎上發展演變而來的。多光譜照相是在可見光的基礎上向紅外光和紫外光兩個方向擴展，并通過各種濾光片或分光器與多種感光膠片的組合，使其同時分別接收同一目標在不同窄光譜帶上輻射或反射的信息，即可得到不同光譜帶的照片。

在無人機實際使用中，工作人員可搭配多光譜影像儀等傳感器，對影像信息進行收集和整理，并對數據進行降噪處理和量化分析。同時，工作人員通過無人機遙感圖像技術的應用，可以獲取連續的光譜信息，并對光譜信息進行特征分析，判斷出目標物的實際情況。無人機搭載多光譜相機，兩者相互結合、優勢互補，可以實現采集連續光譜信息的目標，從而對大面積松林進行有效監測。

4 無人機遙感技術在松材線蟲病疫木治理中應用的實例分析

4.1 研究區概況

研究區位于重慶市。重慶市位于中國西南部、長江上游地區，地跨北緯28°10′～32°13′、東經105°11′～110°11′，屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，降水多集中在5—9 月，降水較豐富，大部分地區降水量在1 000～1 350 mm。松樹是重慶市的主要成林樹種之一。多年來，重慶市通過實施綜合治理工程，對疫點區域松褐天牛進行誘捕，并定期收集進行無害化處理，疫情總體得到控制，但是疫情防控仍需加強。因此，在松材線蟲病疫木治理中應用無人機遙感技術具有可實踐性。試驗樣地內有林地面積為7 033.54 hm2，其中松林總面積為2 340.00 hm2。

4.2 無人機裝備

無人機遙感信息采集設備的具體信息，如表1所示。

表1 試驗應用的無人機遙感信息采集設備信息

除上述信息外，DJI M300 型無人機能夠適配可見光相機、多光譜相機等不同類型的云臺相機［8］。飛行器系統內置RTK 模塊，可以進一步提高定位精度。在作業過程中，無人機可以自動實時切換至最佳信道，復雜環境下可以有效抵抗干擾。它利用AES-256 圖傳加密技術，可以保障數據傳輸安全，支持LTE 備份鏈路，有效提高了數據傳輸的可靠性。

4.3 拍攝環境背景及實施情況

無人機航攝時間為2022 年12 月5 日，飛行時段為09:00—13:30；氣溫8～15 ℃，多云，東北風2 級，無持續風向，空氣質量良好。由于飛行區域總面積較大，為保證起伏地形下的數據拼接兼容性，工作人員設定航攝高度為210 m，航速7.2 m/s，航向重疊度85%以上，旁向重疊度75%以上。

4.4 無人機航拍影像預處理

獲取航拍圖像信息之后，工作人員搭配使用Yusense Map+航空遙感預處理軟件對原始多光譜數據進行預處理［9］。預處理的首要任務是校正遙感圖像采集過程中產生的畸變，將單幅瓦片圖像置于同一投影面上，以消除圖像之間的偏差，確保不受拼接效果的影響。

4.5 無人機航拍影像綜合分析

工作人員通過Yusense Map+進行無人機航拍影像分析，通過光譜特性分類監督無人機所攝影像。工作人員將航拍影像與早前經典松林線蟲病病死樹案例進行對比分析，而后利用軟件定位系統刪減漏點，以保證結果的精準度。

4.6 無人機遙感影像處理技術與監測高精度的實現

為驗證松林線蟲病病死樹監測的精準度，工作人員把病死樹的坐標信息輸入Yusense Map+軟件，利用人工輔助核驗的方法對相應數據進行驗證。

4.7 結果與分析

4.7.1 航攝數據采集及拼接

此次航拍采集了研究區555、660、720 nm 共3 個波段的多光譜圖像［10］，經過核驗、拼接、配準等處理，獲得了研究區的全景正射圖像和植被指數圖像，研究面積為182.50 hm2。放大分析正射圖像信息，地面精度達19.7 cm，肉眼可視情況下能夠分辨出典型的病死松樹。

4.7.2 航攝影像解譯結果

工作人員利用Yusense Map+軟件對松材線蟲病病死樹進行識別，并結合目測校正，共識別出病死松樹30 株，病死樹冠幅總面積約124.75 m2，并且采集到了所有病死樹的坐標數據。為確保無人機航拍的正確率，筆者進行了現場踏勘查驗，通過將航拍的矢量點導入奧維地圖進行導航。此次查驗共抽樣踏勘10處變色立木點位，其中9 處提取準確，整體精度達90%。

4.7.3 識別核驗結果

將此次研究的30 株病死樹GPS 坐標導入軟件，工作人員通過坐標找到對應病死樹，確保系統監測距離和人工坐標的距離相同，準確找到航拍識別地點。工作人員通過現場核查，確認有26 株為死亡松樹（見表2），即識別出了大量病死樹木，說明無人機遙感技術可以應用于林業病蟲疫情監測。針對識別錯誤部分，現場踏勘的林區工作人員反映，提取錯誤的病樹均出現了針葉枯黃、掉落的現象，這與松材線蟲病疫木出現針葉紅褐色且不脫針的表征一致，也是導致無人機監測航拍識別錯誤的主要原因。

表2 基于無人機遙感監測的病死樹識別統計表

5 結論與討論

無人機遙感技術可以應用于松材線蟲病治理工作，尤其是針對地勢復雜、樹木茂盛的林區，能充分彰顯無人機遙感技術的應用優勢［10］。應用無人機遙感技術有助于林區工作人員快速確定疫木分布情況極大地方便了對病死樹的取樣和除治，減輕了勞動強度，使監測區域擴大到人力所不能達的范圍，大大提高了監測工作效率。此外，應用無人機遙感技術可為研究和預警松材線蟲病提供更多數據支撐，幫助研究人員總結更多的病蟲害發展規律，有利于后續更好地開展松材線蟲病監測、預警、防控等工作［11］。相關工作人員應全面了解分析松林線蟲病的發生現狀和發展趨勢，為無人機監測提供保障，從而更好地將無人機遙感技術應用于林業病蟲疫情治理工作，切實改善目前人工現場踏勘進山難、監測效率低且不準確的行業現狀，提高工作效率。