探究森林病蟲害無人機遙感實時監(jiān)測技術

陳 鵬 謝毓芬* 劉少波 郭 暉 何小紅

（陜西省林業(yè)科學院，陜西 西安710082）

如今，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量正在不斷下降，人們愈發(fā)意識到保護森林資源的重要性，若想從各個角度對森林內(nèi)部存在的病蟲害進行監(jiān)督必須利用先進的技術手段，例如空間技術。遙感技術自應用以來一直受到人們關注，通過長期實踐發(fā)現(xiàn)，無人機遙感實時技術在森林資源保護方面具有非常重要的作用，且擁有深遠的潛力。目前在應用衛(wèi)星技術的影響下，該技術正向更高端的領域發(fā)展，為森林病蟲害監(jiān)測日后工作開展奠定堅實的基礎，而該項技術在應用過程中發(fā)揮的作用已經(jīng)得到有關部門的高度關注。

1 無人機遙感實時技術監(jiān)測病蟲害的原理及其發(fā)展史

1.1 病蟲害監(jiān)測的遙感基礎。無人機遙感技術在應用過程中主要根據(jù)受災林群光譜變化情況對病蟲害基本情況進行判定，植物生長過程中會借助反射光譜曲線體現(xiàn)出來，而因受到植物種類，基本結構，含水量等多種外在因素的影響，各個林群光譜具有不同的特性。若植物受到病蟲害侵襲，內(nèi)部含有的葉綠素會逐漸流失，由此可以看出若光波段吸收減弱，增強反射，內(nèi)部細胞狀態(tài)會因此發(fā)生變化甚至內(nèi)部結構會被破壞。若細胞之間距離過大、散射增強則會引起森林整體格局發(fā)生變化。鑒于此，該技術在運用過程中可以借助植被光譜遙感將上述內(nèi)容提到的元素轉(zhuǎn)化為具體參數(shù)，以此來對森林資源受害情況進行監(jiān)測，通過GIS和GPS等多項技術對某一區(qū)域蟲害狀況進行研究。圖1 為森林病蟲害防治信息系統(tǒng)。

圖1 森林病蟲害防治信息系統(tǒng)

1.2 森林蟲害無人機遙感實時監(jiān)測技術的發(fā)展史。無人機遙感技術在監(jiān)測森林病蟲害過程中主要經(jīng)歷了以下幾個階段：（1）起步期。自20 世紀，遙感技術已經(jīng)用于監(jiān)測森林病蟲害，借助航空攝影手段對森林受害情況進行觀察，隨著航空遙感和雷達技術的出現(xiàn)，遙感技術基本性能正在不斷提升。（2）開拓期。21 世紀中期，航天遙感技術逐漸用于監(jiān)測現(xiàn)有資源發(fā)展狀況，在應用初期因空間分辨率較低，且受天氣因素影響，故而在檢測森林病蟲害方面沒有取得理想效果。隨著地球資源衛(wèi)星成功發(fā)射，我國逐步加強對遙感監(jiān)測技術應用狀況的研究，并且觀察森林生長特征，在衛(wèi)星技術的支持下，空間分辨率得到提升，拍攝的圖像更加清晰。（3）發(fā)展期。自航空錄像技術與GPS連接在一起，人們可以借助航空拍攝的圖像記錄地面坐標，飛行速度，航向等基本信息。該技術在應用過程中能夠?qū)⑸仲Y源狀況反映出來，且效果令人非常滿意，并且技術人員可以根據(jù)監(jiān)測結果來制定具體的防范措施，正因如此許多國家致力于遙感技術研究，以便能夠獲得更多的信息資源。

2 森林蟲害無人機遙感實時監(jiān)測技術主要監(jiān)測內(nèi)容

2.1 森林失葉與林冠動態(tài)。病蟲害會導致葉子脫離林木本體，是影響森林生態(tài)系統(tǒng)的重要因素之一。故而對這種現(xiàn)象進行檢測如今已經(jīng)成為森林受損檢測的主要方向。而合理使用遙感數(shù)據(jù)則可以對這類情況進行檢測。無人機遙感技術借助衛(wèi)星提供的功能可以大范圍對受害森林資源進行評估，而這對我國森林資源發(fā)展具有非常重要的意義和作用。隨著計算機技術逐漸成熟，失葉遙感監(jiān)測未來發(fā)展空間愈發(fā)廣闊。林冠動態(tài)發(fā)生變化主要是受到失葉現(xiàn)象的影響，并且這已經(jīng)成為一項非常重要的研究內(nèi)容，其地位得到有關專家的認可。許多研究項目利用衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)對受害森林資源林冠變化情況進行監(jiān)測，例如MSS數(shù)據(jù)。自20 世紀中期，人們已經(jīng)利用遙感技術對林冠變化進行檢測，其中航空攝影可以收集導致林冠發(fā)生變化的數(shù)據(jù)資源。

2.2 森林缺素癥。若森林在發(fā)展過程中受到病蟲害的侵襲，內(nèi)部各種營養(yǎng)元素之間的比例定然會發(fā)生變化，例如葉綠素，水，氮等。植被自身含有的色素與光合能力之間存在某種聯(lián)系，這已經(jīng)成為衡量植物長勢的一個重要標準，故而可以利用無人機遙感實時監(jiān)測技術對已經(jīng)受到病蟲害侵襲的林木進行監(jiān)控。比如因植物內(nèi)部發(fā)生病變而導致葉綠素含量減少的病癥被有關人士稱為“缺綠癥”。

2.3 森林植被指標。森林內(nèi)部生物量，植被覆蓋面積，植株自身高度是構成森林植被指標的主要因素，而當病蟲害發(fā)生時，這些指標會因此發(fā)生變化，故而要加強對病蟲害的監(jiān)測研究。在所有因素當中生物量和葉面積是森林生態(tài)系統(tǒng)中最為重要的兩個關鍵參數(shù)，是保證物質(zhì)以及能量可以正常循環(huán)的重要保障基礎。生物量代表森林生長過程中內(nèi)部植被物質(zhì)累積能力，與病蟲害有較為密切的聯(lián)系。植被覆蓋面積和植物高度是森林資源發(fā)展狀況最為直接的體現(xiàn)形式，是決定病蟲害生存的主要因素，且林木高度是構成生物量重要基礎部分。故而可以使用無人機飛行過程中收集的土壤數(shù)據(jù)，數(shù)字影響等多種資料建立衡量森林健康的評價體系，可以判斷各類林群健康狀況。

2.4 病蟲害生境因子。病蟲害的產(chǎn)生主要與森林內(nèi)部生態(tài)環(huán)境基本情況有直接關系，受外在因素影響較大，例如氣候、水文、土質(zhì)結構等。生境因子主要指氣溫變化情況，降雨總量和具體分布，濕度等。若想進一步了解病蟲害基本情況和生境因子之間的關系，則必須對上述各種因素進行深入研究，以此來建立生態(tài)環(huán)境與病蟲害發(fā)展狀況之間的關系模型，從而了解災害發(fā)生幾率和規(guī)模，從而提前做好防治措施。

2.5 森林病蟲害的預測預警。預測預警不僅是防災減災工作的關鍵，同時也是其保障措施，結合林區(qū)發(fā)展狀況建立具有系統(tǒng)性質(zhì)的管理體系對整體狀況進行預測預警，可以有預防病蟲帶來的危害，收集林區(qū)基本信息，對其資源進行處理，評估災害造成的損失，是無人機遙感實時監(jiān)測技術未來主要的發(fā)展方向。同時，現(xiàn)在我國18 個省已經(jīng)成立省級網(wǎng)絡森林醫(yī)院（圖2），有效的提高了森林病蟲害預警工作水平。

圖2 吉安縣網(wǎng)絡森林醫(yī)院

3 無人機遙感實時監(jiān)測技術檢測病蟲害的主要方法

3.1 圖像處理方法。（1）多光譜圖像分類。該方法主要用于檢測森林資源中因病蟲害而引起的林冠變化，例如受云杉色卷蛾侵襲，云杉針葉表面會變得更紅，且樹葉會脫離本體；除此之外，在該病蟲的影響下，冷杉頂部落葉會逐漸脫落，之后逐漸向下失葉，最終樹木死亡或者枝干部分變成棕色。根據(jù)各自光譜之間存在的差異特征，使用多光譜影響可以對病蟲活動情況進行監(jiān)測。（2）影像差值。無人機遙感實時監(jiān)測技術在對森林病蟲害進行檢測時可以通過該方法來獲得相關數(shù)據(jù)信息，并且其精準度要高于單一影像分類。若森林內(nèi)部出現(xiàn)大量病蟲，失葉并不是最為顯著的特征。當光譜發(fā)生變化時，技術人員可以通過影響差值對失葉情況進行監(jiān)測，了解資源健康狀況，且效果良好。隨著科學技術不斷進步，時代發(fā)展變化，圖像增強等技術愈發(fā)顯得過于傳統(tǒng)，究其原因主要是在不同時期和環(huán)境中，太陽所處高度及角度，外部天氣條件會對監(jiān)測結果造成一定影響。

3.2 植被指數(shù)及比值方法。植被指數(shù)是對地表植被狀況簡單、有效和經(jīng)驗的度量，無論是災情預報或評價，其依據(jù)都是建立在遙感植被指數(shù)與葉生物量的關系上，遭受病蟲害必然導致葉生物量的變化從而反映在植被指數(shù)的變化上。因此，可以通過計算植被指數(shù)的變化來計算葉生物量的變化進一步監(jiān)測森林病蟲害的發(fā)生發(fā)展情況。

比值指數(shù)T MS／T M 4 及T M 4／T M 3 是監(jiān)測和評估我國森林病蟲害的有效參數(shù)。TM5／TM4 適合于低葉面積指數(shù)的森林病蟲害監(jiān)測，而TM4／TM3 更適合高葉面積植被指數(shù)的遙感監(jiān)測，TM7／TM4 還可用來有效估算馬尾松林的野生物量。其研究表明短波紅外與近紅外的比值綜合反映了相互關聯(lián)且密不可分的三個植被參數(shù)：生物量、災害、水分含量。

3.3 光譜分析技術。（1）植物生理狀態(tài)的“紅邊”光學參數(shù)分析。從紅外波段葉綠素吸收區(qū)的反射率低點到近紅外波段葉片散射的反射率高點這個過渡區(qū)被稱之為“紅邊”區(qū)。時間因素及植物病變都將影響植物的生長發(fā)育，從而使植物光譜強度和光譜特征發(fā)生改變，引起紅邊、藍邊斜率的變化和位置的偏移。許多研究表明，植被光譜“紅邊”對植被生長狀況反映敏感。因此，通過對紅邊特性的研究就可以對植被的健康狀況進行監(jiān)測。（2）最大吸收深度分析。葉綠素實際實收情況是體現(xiàn)植物健康狀態(tài)主要形式之一，若植物在生長過程中內(nèi)部結構發(fā)生病變現(xiàn)象，葉綠素會逐步降低，光譜紅邊位置會因此而移動。與紅邊相連的紅吸收谷即葉綠素最大吸收峰明顯變淺，植被所受損害程度愈大。其光譜吸收谷愈淺，因而利用光譜的最大吸收深度，也可定量分析植株或冠層的波譜變異特征。

3.4 參數(shù)成圖技術。參數(shù)成圖方法是借助統(tǒng)計回歸建立一些波段值或其變換形式與生物物理參數(shù)的半經(jīng)驗關系預測模型，從而計算高光譜遙感圖像上每個像元的單參數(shù)預測值，再采用聚類或密度分割方法將單參數(shù)預測圖分成不同等級，即為參數(shù)分布圖，作為森林受害信息的提取和病蟲害研究的輔助手段。

4 應用展望無人機遙感技術在林業(yè)病害監(jiān)測方面的發(fā)展

目前，雖然我國已經(jīng)將無人機遙感技術實時監(jiān)測技術用于監(jiān)測林業(yè)病蟲害基本情況，但是因我國在這方面起步較晚，故而仍舊處于初級階段。若想在日后應用當中進一步提升其實用性能，監(jiān)測人員可以對以下幾項內(nèi)容進行深入研究。

4.1 提高無人機的作業(yè)效率延長飛行時間。該技術在應用過程當中，大部分無人機飛行時間有限，無法長時間對森林整體狀況進行檢測，其飛行時間基本在三十分鐘左右，而這種現(xiàn)象是制約無人機飛行距離的主要因素。故而要加強無人機研究力度，利用科學技術手段來提高無人機電池容量，延長飛行時間，增強無人機飛行過程中信號強度，確保其工作效率不會因外在因素的影響而下降。

4.2 優(yōu)化無人機的操作程序。目前無人機在飛行過程中，其旋翼和固定翼存在許多技術性問題，故而在工作當中需要經(jīng)驗較為豐富的操作人員來完成一系列工作任務，正因如此，無人機在林區(qū)飛行時難以對其整體狀況進行監(jiān)測，無法大范圍作業(yè)。優(yōu)化無人機操作流程，降低使用標準不僅是提高工作質(zhì)量的關鍵，更是運用無人機遙感實時監(jiān)測技術檢測林區(qū)病蟲害的基礎條件。

4.3 提高傳感器的拍攝精度。以往無人機在飛行過程中其重量方面存在一定缺陷，飛行過程中無法掌握平衡性，因此無法承載規(guī)模較大的傳感元件。無人機遙感實時監(jiān)測技術在運用過程中必須借助傳感元件收集信息數(shù)據(jù)，目前傳統(tǒng)數(shù)碼相機主要安裝在質(zhì)量較輕的無人機中，因其像素較低，無法保證飛行過程中拍攝精準度。故而要提高輕型無人機載重能力，加強研發(fā)力度，以此來保證飛行過程中拍攝精準度，只有這樣才能夠提升無人機在林區(qū)飛行時的工作效率，減少人力資源投入。

綜上所述可以看出，無人機遙感實時監(jiān)測技術在運用過程中不僅可以進行對森林資源進行大范圍檢測，且精確度會隨之提高，利用高光譜，高分辨率等多種方式對病蟲進行監(jiān)測，但該技術在運用過程中必須對投入的經(jīng)濟成本進行控制。在處理收集的信息時，該技術能夠?qū)嶋H自然災害以圖像的形式展現(xiàn)出來。抵消來自外在因素對森林資源造成的影響，并且無人機在飛行過程中會利用地面當中存在的各種資源信息來提高遙控檢測準確程度，鑒于此在實踐當中要將光譜數(shù)據(jù)與影響數(shù)據(jù)相結合。