淺談無人機(jī)監(jiān)測(cè)松材線蟲病的應(yīng)用實(shí)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(fā)現(xiàn)傳入我國以來，松材線蟲病先后入侵全國18個(gè)省，尤以江蘇、安徽、廣東和浙江的疫情最為嚴(yán)重，造成森林資源和生態(tài)環(huán)境的極大破壞，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千億元。由于松材線蟲病研究與防治存在致病機(jī)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(qiáng)預(yù)警監(jiān)測(cè)是防治松材線蟲病的重要措施與手段。隨著無人機(jī)與遙感影像的技術(shù)發(fā)展，地理信息系統(tǒng)的完善，目前國內(nèi)學(xué)者們利用無人機(jī)巡航和ENVI遙感數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)松材線蟲病進(jìn)行精度研究[1]，利用eCognition遙感圖像處理軟件進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析[2]，利用Pix4 Dmapper對(duì)拍攝影像進(jìn)行鑲嵌和匹配等做了大量研究，但由于相關(guān)專業(yè)圖像處理軟件受限于投入成本和林場(chǎng)管理者的文化水平，致使在林場(chǎng)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(jīng)林業(yè)部批準(zhǔn)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(jié)構(gòu)復(fù)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(chǎng)森林面積3.52%。近年來，該地區(qū)通過無人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)松材線蟲病的方法是代替護(hù)林員巡查，經(jīng)精確定位發(fā)病松樹位置，再安排工作人員進(jìn)行砍伐除治，取得一定的成效。本研究旨在介紹相關(guān)無人機(jī)技術(shù)和遙感影像處理方法，從而實(shí)現(xiàn)松材線蟲病致死疫木的快速定位，進(jìn)而指導(dǎo)林間除治工作，為使用無人機(jī)和遙感影像處理技術(shù)進(jìn)行松材線蟲病的監(jiān)測(cè)與防治提供實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)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(jīng)113°45′～113°54′，為低山地形，山脈主要為東北、西北走向。東部地勢(shì)峻峭，山體較為密集，坡度多在35°～45°，局部高達(dá)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(xiàn)在7月，而最低氣溫出現(xiàn)在1月。年降雨量在2 143.8 mm以上，主要降水季節(jié)集中在5—8月，相對(duì)濕度在80%以上。數(shù)據(jù)獲取點(diǎn)為松樹純林及以松樹為優(yōu)勢(shì)樹種的林地，主要位于水庫周邊島嶼(圖1)。本研究數(shù)據(jù)采集面積約675 m×475 m。

圖1 采用Altizure地面站軟件規(guī)劃航線參數(shù)

1.2 無人機(jī)航拍

結(jié)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(jī)搭配禪思Z3型號(hào)相機(jī)拍攝高分辨率的影像。該相機(jī)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(guī)劃航線，選擇自動(dòng)航拍模式，飛行高度設(shè)計(jì)為300 m，設(shè)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(jìn)行2次重復(fù)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(qiáng)、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，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(jié)果與分析

2.1 松材線蟲病的診斷原理

根據(jù)歷年防治管理經(jīng)驗(yàn)，每年松材線蟲病的發(fā)病時(shí)間主要集中在5—12月，其中研究區(qū)域的7和11月為發(fā)病的高峰期，大多數(shù)染病植株在1～3個(gè)月內(nèi)變成枯死木，少數(shù)植株會(huì)延遲至第2年4—6月枯死。此時(shí)松材線蟲病正處于嚴(yán)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(gè)樹冠變成紅褐色，植株死亡，但針葉并不脫落。通過無人機(jī)拍攝的遙感影像，肉眼可以最直觀地對(duì)航拍數(shù)據(jù)的顏色進(jìn)行觀測(cè)，并具有簡(jiǎn)單提取的特性。但由于人們對(duì)顏色的感知具有相對(duì)主觀性，因此，需要在數(shù)據(jù)處理過程中利用客觀的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圖像顏色的特征進(jìn)行提取，包括亮度、灰色變化、色彩飽和度或紋理特征等規(guī)律特性等[4]。本研究采用顏色亮度、飽和度的規(guī)律特性進(jìn)行遙感影像的特征提取，以方便肉眼識(shí)別枯死松樹位置。

2.2 無人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)松材線蟲病的結(jié)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(shí)間約20 min。在室內(nèi)對(duì)遙感影像和地理位置數(shù)據(jù)導(dǎo)出處理，處理時(shí)間約60 min。首先，通過Photoscan工作流程菜單欄，點(diǎn)擊添加照片導(dǎo)入無人機(jī)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(duì)齊照片、建立密集點(diǎn)云、生成網(wǎng)格、生成紋理、Build Tiled Model、Build DEM、Build Orthomosaic，最后導(dǎo)出tiff格式掃描航片。

經(jīng)Photoshop軟件對(duì)導(dǎo)出的航片利用RGB影像中的紅色波段進(jìn)行飽和度(A)加深(圖2)，根據(jù)加深的斑塊，通過目測(cè)甄別，標(biāo)記并編號(hào)15個(gè)疑似病死松樹。隨后，將帶編號(hào)的航片導(dǎo)入ArcMap地理信息系統(tǒng)，記錄各疑似病死松樹位置所對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)(表1)，從而實(shí)現(xiàn)松材線蟲病致死松樹的精準(zhǔn)定位。2019年10月24日至11月4日，根據(jù)疑似枯死木定位數(shù)據(jù)，利用手持式導(dǎo)航儀完成林間清理工作，期間2次利用無人機(jī)航拍，驗(yàn)證疑似病死木的清理情況(圖3)。

圖2 對(duì)航片進(jìn)行RGB紅色波段的飽和度加深

表1 疑似病死松樹的經(jīng)緯度坐標(biāo)

2.3 研究地松材線蟲病的監(jiān)測(cè)結(jié)果

自2006年首次發(fā)現(xiàn)松材線蟲病，廣州市流溪河國家森林公園管理中心歷經(jīng)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(shù)指導(dǎo)下，在堅(jiān)持“預(yù)防為主、科學(xué)治理”原則下，管理中心首次利用無人機(jī)不定期地對(duì)轄區(qū)內(nèi)的松材線蟲病的發(fā)生和分布情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每次無人機(jī)巡航拍攝時(shí)間約為20 min，室內(nèi)航片處理時(shí)間合計(jì)為60 min，大大縮減監(jiān)測(cè)巡查時(shí)間。此外，結(jié)合人工踏查、設(shè)置蟲情測(cè)報(bào)燈和固定標(biāo)準(zhǔn)地等監(jiān)測(cè)手段，全區(qū)域覆蓋、定期監(jiān)測(cè)轄區(qū)內(nèi)的松材線蟲發(fā)生情況。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，研究區(qū)域結(jié)合地理位置、松林分布和功能等級(jí)分為三種類型組織實(shí)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(diǎn)”稱號(hào)。

左圖為10月16日標(biāo)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(hào)死樹標(biāo)記；右圖為死樹清理完畢圖。圖3 死樹標(biāo)記處理的航拍結(jié)果

3 小結(jié)與建議

隨著無人機(jī)、遙感和地理信息等技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，綜合利用遙感影像學(xué)和地理信息系統(tǒng)，引入無人機(jī)巡航，加強(qiáng)空中監(jiān)測(cè)與地面監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)定期疫情分析，能建立更為完備的松材線蟲病災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警模式。但在森林資源管理的過程中，由于無人機(jī)航拍操作、專業(yè)圖像處理軟件的投入大，培訓(xùn)時(shí)間長等原因，導(dǎo)致林場(chǎng)管理者望而卻步，因此，通過介紹無人機(jī)監(jiān)測(cè)松材線蟲病的實(shí)踐應(yīng)用，能為林場(chǎng)管理者提供防治作業(yè)參考。此外，在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，管理人員只有在充分了解松材線蟲病的發(fā)病機(jī)理及生態(tài)影響因子變化等情況，才能有效利用新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)松材線蟲病的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與防治工作。