松材線蟲害遙感監(jiān)測在我國的研究進(jìn)展

何天英

摘 要：松材線蟲害對松樹造成極大的隱患和危害。近年來，遙感技術(shù)在松材線蟲害的監(jiān)測研究中得到了廣泛應(yīng)用。本文主要闡述了利用衛(wèi)星遙感技術(shù)和無人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測松材線蟲病研究的主要內(nèi)容，探討了存在的主要問題，并提出解決對策。

關(guān)鍵詞：松材線蟲病;衛(wèi)星遙感技術(shù);無人機(jī)遙感技術(shù)

中圖分類號：S763.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0013-03

Research Progress of Remote Sensing Monitoring of Pine Wood Nematode Pests in China

HE Tianying

（School of Earth Sciences and Resources， Chang'an University，Xi'an Shaanxi 710000）

Abstract： The damage of pine wood nematode has great hidden danger and harm to pine trees. In recent years， remote sensing technology has been widely used in the monitoring and research of pine line pest. This paper mainly describes the main contents of monitoring pine nematode disease by satellite remote sensing technology and UAV remote sensing technology， discusses the main problems and puts forward the countermeasures.

Keywords： pine wood nematode disease;satellite remote sensing technology;UAV remote sensing technology

松材線蟲病具有致病力強(qiáng)、寄主死亡快、傳播迅速的特點，被稱“松樹癌癥”[1]。2019年，我國松材線蟲害總危害面積已達(dá)111.46萬hm2，病死樹數(shù)量多，累計死亡1 946.74萬株，同比分別上升71.67%和82.56%，損失巨大[2]。國家林草局指出，“十四五”期間，我國將組織開展松材線蟲病防控5年攻堅行動，以遏制松材線蟲病的快速擴(kuò)散蔓延勢頭，維護(hù)國家生態(tài)安全、生物安全[3]。因此，實現(xiàn)對松材線蟲快速有效的監(jiān)測迫在眉睫。然而，傳統(tǒng)的人工現(xiàn)地調(diào)查方法耗時耗力，很難滿足當(dāng)前需求。隨著遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的快速發(fā)展，利用各種航空航天遙感圖像進(jìn)行病害監(jiān)測已成為主要趨勢[4]。我國已經(jīng)有不少學(xué)者基于遙感監(jiān)測對松材線蟲害進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些成果，但對已有研究進(jìn)行總結(jié)和分析發(fā)現(xiàn)其還存在諸多不足。本文分析了我國當(dāng)前基于遙感的松材線蟲病害監(jiān)測的研究成果，并總結(jié)了研究中存在的問題。

1 衛(wèi)星遙感技術(shù)在松材線蟲害監(jiān)測中的應(yīng)用

1.1 遙感基礎(chǔ)

松樹在遭受松材線蟲病后，松脂流量、針葉顏色、外部形態(tài)等都會發(fā)生變化，這些變化會嚴(yán)重影響植物反射率，使其光譜特性發(fā)生變化，從而引起遙感影像光譜值的變化和紋理結(jié)構(gòu)的異常等[5]。因此，基于遙感影像的近紅外波段監(jiān)測松材線蟲病害具有一定的可行性。例如，劉寧等以福建省泰寧縣馬尾松林為例，分別對感染松材線蟲病后4個病害階段（健康期及病害初期、中期、末期）馬尾松的蒸騰速率進(jìn)行測定，分析其在不同病害階段的變化規(guī)律;再對健康期及病害初期馬尾松的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以這2個階段的蒸騰速率為基準(zhǔn)，分析其蒸騰速率與原始光譜及光譜特征參數(shù)的關(guān)系[6]。

1.2 遙感數(shù)據(jù)源

目前，國內(nèi)外監(jiān)測森林病害的遙感數(shù)據(jù)源包括：SPOT、Landsat TM和ETM+、NOAA AVHRR、MODIS、IKONOS、Quick Bird、雷達(dá)數(shù)據(jù)、航空遙感以及高光譜數(shù)據(jù)等[7]。如今，遙感技術(shù)正向高分辨率方向高速發(fā)展，為松材線蟲害的精準(zhǔn)監(jiān)測提供了數(shù)據(jù)保障。宋清亮等通過高光譜儀器采集松樹葉片光譜信息，分析其含水量與光譜反射率的關(guān)系。結(jié)果顯示，含水量與5種指標(biāo)參數(shù)呈較好的相關(guān)性，利用一種指標(biāo)參數(shù)就可以很好地判斷松樹病害程度[8]。張素蘭等對重慶永勝林場馬尾松的14個高光譜特征參數(shù)進(jìn)行嶺跡分析，篩選出非共線性特征參數(shù)，為松材線蟲病害早期監(jiān)測和防治研究提供了技術(shù)支持[9]。

1.3 主要研究內(nèi)容

1.3.1 遙感圖像識別病害的方法的精度研究。我國學(xué)者在利用衛(wèi)星遙感圖像監(jiān)測松材線蟲害時主要采用的分類方法有決策樹法、隨機(jī)森林法、支持向量機(jī)法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。為了提高監(jiān)測精度，學(xué)者們往往會對圖像分類方法進(jìn)行對比分析和改進(jìn)研究。黃芳芳等結(jié)合隨機(jī)森林和決策樹cart算法，提出了適用于湖北省宜昌市松材線蟲病的遙感監(jiān)測方法。該方法的平均精度在76%以上，能較好地實現(xiàn)森林病害的快速監(jiān)測[10]。張素蘭等對重慶永勝林場馬尾松光譜反射率的14個高光譜特征參數(shù)進(jìn)行嶺跡分析，篩選出非共線性特征參數(shù)，經(jīng)驗證平均估測精度為87.15%[9]。

1.3.2 染病松“缺素癥”的研究。松樹在遭受病害期間，自身養(yǎng)分含量必然會發(fā)生變化，而植被色素含量與其光合能力、發(fā)育階段和氮素狀況有較好的相關(guān)性[11]。因此，可以通過遙感技術(shù)來監(jiān)測由病蟲害引起的各種林木“缺素癥”[12]。巨云為等使用高光譜算法評估染病松的葉綠素含量，結(jié)果顯示，完全感染階段的標(biāo)準(zhǔn)化差異植被指數(shù)值與葉綠素含量的變化相關(guān)[13]。劉寧等以福建省泰寧縣馬尾松林為例，分別對感染松材線蟲病后4個病害階段（健康期及病害初期、中期、末期）馬尾松的蒸騰速率進(jìn)行測定。結(jié)果表明，馬尾松蒸騰速率隨著病害的加重而逐漸減弱[6]。

1.3.3 松材線蟲害的發(fā)生對森林景觀格局影響的研究。景觀格局一般指景觀的空間格局，外界和內(nèi)部干擾是景觀格局發(fā)生變化的一個重要因素。森林蟲害是森林生態(tài)系統(tǒng)主要的自然干擾之一[14]。松材線蟲侵襲松林后，會對松林群落演替及林內(nèi)物種多樣性產(chǎn)生影響，深入探討松材線蟲的入侵機(jī)制，揭示它們對特定松林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響，有利于從生態(tài)尺度上探求松材線蟲病的防控策略[15]。柏龍等以湖北省宜昌市夷陵區(qū)松材線蟲病為研究對象，探究景觀格局對松材線蟲病發(fā)生的影響，結(jié)果顯示，在夷陵區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上，由小斑塊松林組成且斑塊聚集度低、景觀破碎化程度低的景觀格局對松材線蟲病有一定的抑制作用[16]。

1.3.4 染病松的光譜特征研究。不同的植物具有不同的反射光譜特征，這種光譜特性因植物種類、生長階段、葉綠素含量、健康狀況而異[17]。松樹在遭受病害后，其健康狀況發(fā)生了變化，光譜特征也會在某些敏感波段發(fā)生顯著改變。研究顯示，在近紅外波段，受害松的光譜特征與健康松樹差異比較大，且不同程度的受害松近紅外光譜反射差異也比較大。王震等對馬尾松4種不同受害類型的林木進(jìn)行反射光譜測量，并對光譜反射曲線進(jìn)行一階微分分析。結(jié)果顯示，在綠、紅波段，它們的光譜反射率存在顯著差異，在近紅外區(qū)域，光譜反射率存在極顯著的差異[18]。

1.3.5 對松材線蟲害監(jiān)測系統(tǒng)的研究。該類系統(tǒng)平臺的開發(fā)、研究有利于整合病害普查、監(jiān)管、預(yù)警等各類信息資源，實現(xiàn)對松材線蟲病疫情監(jiān)測的網(wǎng)格化、精細(xì)化管理。蔣麗雅等以與安徽省松材線蟲病疫情相關(guān)的空間數(shù)據(jù)和多項屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了以地區(qū)、縣、鄉(xiāng)三級區(qū)劃為管理單元，具有信息查詢、數(shù)據(jù)維護(hù)、信息存貯與管理、顯示、輸出等五大功能的計算機(jī)管理系統(tǒng)[19]。李念祥等基于農(nóng)業(yè)4.0建立了松材線蟲病遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)智慧森防數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息，最終實現(xiàn)森防信息的共享，實現(xiàn)松材線蟲病的自動監(jiān)測預(yù)警[20]。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)在松材線蟲害監(jiān)測中的應(yīng)用

無人機(jī)搭載的多光譜相機(jī)或者高光譜成像儀，不僅能快速識別變色木，而且能實現(xiàn)對染病松的定位，在松材線蟲病的監(jiān)測上有巨大的發(fā)揮空間。但是，無人機(jī)遙感技術(shù)獲得的信息十分有限，很難實現(xiàn)對松材線蟲病害的精準(zhǔn)監(jiān)測。因此，目前我國學(xué)者對利用無人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測松材線蟲害的研究主要體現(xiàn)在如何提高識別精度和定位準(zhǔn)確度上。

2.1 識別精度

無人機(jī)搭載高光譜遙感提供的影像分辨率高、信息豐富，為松材線蟲病的及時快速識別提供了有效途徑。但是，森林景觀格局復(fù)雜，存在樹冠相互交叉遮擋、陰影層較多等問題，給病害松樹識別帶來了一定的難度，因此需要選擇合適的提取算法來提高識別精度。李浩等提出了基于超綠特征因子與最大類間方差法相結(jié)合的圖像分割算法以及遙感全景圖的病害程度分析方法，該方法識別精度可達(dá)90.4%[21]。胡根生等利用無人機(jī)平臺獲取可見光和近紅外遙感圖像，采用改進(jìn)的加權(quán)支持向量數(shù)據(jù)描述多分類算法識別染病松。結(jié)果表明，該算法能準(zhǔn)確地進(jìn)行病害松樹識別[4]。

2.2 定位準(zhǔn)確度

與人工識別定位的方法相比，無人機(jī)在低空航拍中具有靈活、機(jī)動等優(yōu)點，對地形的受限度小，降低了林業(yè)有害生物監(jiān)測的工作難度，在監(jiān)測預(yù)警中具有無可比擬的優(yōu)越性[22]。李衛(wèi)正等利用低成本小型無人機(jī)采集疫情地區(qū)的高空間分辨率影像，并經(jīng)攝影測量軟件LPS（Leica Photogrammetry Suite）正射處理后，導(dǎo)入美國GeoLink軟件中，實現(xiàn)病死木位置信息的采集。經(jīng)驗證，該方法比傳統(tǒng)病害監(jiān)測實施效率高[23]。曾全等將無人機(jī)野外GPS采集的位置信息同ENVI遙感數(shù)據(jù)處理軟件處理與解讀數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比對。經(jīng)驗證，無人機(jī)遙感基本實現(xiàn)了松材線蟲病致死松樹的精準(zhǔn)定位[24]。

3 存在的問題

雖然目前我國已有不少基于遙感技術(shù)監(jiān)測松材線蟲害的研究，但是松材線蟲害的爆發(fā)往往是眾多因素相互作用的結(jié)果，具有復(fù)雜性，因此，利用遙感技術(shù)監(jiān)測松材線蟲害并非十全十美，仍然存在一些亟待解決的問題，需要進(jìn)一步探索。

①對松材線蟲害早期預(yù)警研究不足。目前，我國大多數(shù)學(xué)者都是對變色立木進(jìn)行研究，通常情況下，當(dāng)松樹顏色發(fā)生變化時，其遭受病害程度已經(jīng)比較深了，這時只能做到及時止損，不能有效預(yù)防。

②缺乏對松材線蟲監(jiān)管系統(tǒng)的研究。隨著國家對松材線蟲病普查工作的推進(jìn)，越發(fā)需要一個能夠?qū)λ刹木€蟲病進(jìn)行監(jiān)測、管理的系統(tǒng)或平臺，這對松材線蟲病害的發(fā)現(xiàn)和治理意義重大。

③無人機(jī)遙感監(jiān)測松材線蟲病還有一定的局限性。傳統(tǒng)無人機(jī)主要采用Wi-Fi、藍(lán)牙、微波等通信方式進(jìn)行傳輸，傳輸距離都比較短，飛行監(jiān)測范圍受限，給無人機(jī)遙感監(jiān)測松材線蟲病帶來了一定的困擾。

4 對策建議與展望

為了促進(jìn)松材線蟲衛(wèi)星遙感監(jiān)測的研究和實踐，為松材線蟲害的防治提供科學(xué)的依據(jù)，本文對上述問題提出對策建議，并對相關(guān)研究進(jìn)行展望。

①重視對松材線蟲病害的早期監(jiān)測。高光譜成像技術(shù)能實現(xiàn)“圖譜合一”，與其他遙感技術(shù)相比，其在光譜維度上的分割更細(xì)致，具有精準(zhǔn)識別的優(yōu)勢，可以將這一優(yōu)勢充分應(yīng)用于松材線蟲害綠色階段的早期監(jiān)測研究中。

②構(gòu)建松材線蟲害光譜數(shù)據(jù)庫。根據(jù)松材線蟲害在不同影像數(shù)據(jù)中所表現(xiàn)出的光譜特征，建立豐富的松材線蟲害光譜數(shù)據(jù)庫，為遙感監(jiān)測松材線蟲病害提供理論依據(jù)，為松材線蟲害監(jiān)測模型的建立提供數(shù)據(jù)支持。

③建立5G與無人機(jī)遙感相結(jié)合的監(jiān)測技術(shù)。5G具有超高速率、超低時延、超大連接、超寬空域的特點，可以擴(kuò)大監(jiān)測范圍，提高定位精度。未來5G無人機(jī)必將成為松材線蟲病害監(jiān)測的一大利器，其發(fā)展前景十分令人期待。

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