無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)林業(yè)有害生物初探

呂曉君 王君 喻衛(wèi)國(guó) 曾博 馮春蓮 姚清 華祥

摘要：為提高林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)工作效率，提升監(jiān)測(cè)工作的科技含量，特引進(jìn)無(wú)人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)試點(diǎn)。通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)病蟲(chóng)害危害的松林進(jìn)行低空航拍，然后將航片結(jié)合POS數(shù)據(jù)信息，制作出4 300 hm2的數(shù)字正射影像圖（DOM）。隨后利用松樹(shù)受害后樹(shù)冠顏色改變的特征，對(duì)DOM進(jìn)行目視解譯，再對(duì)目標(biāo)蟲(chóng)害導(dǎo)致的變色枯死木進(jìn)行定位標(biāo)注，統(tǒng)計(jì)出作業(yè)區(qū)域內(nèi)變色樹(shù)木數(shù)量。

關(guān)鍵詞： 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)；林業(yè)有害生物；神農(nóng)架；宜都

中圖分類(lèi)號(hào)：S763.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-3020（2016）04-0030-04

Abstract： In order to improve the efficiency and technology content of forest pests and diseases monitor， we specially introduced unmanned aerial vehicle to carry out pilot monitor. Firstly， Digital orthophoto map were made of low altitude aerial photos of pine trees endangered by pests and diseases，which were photographed by unmanned aerial vehicle， and POS data information. Secondly， the DOM were visually interpreted by the characteristics of pine leaves color change after damage by the pests. At last， the pines in different colors were located and marked and the number of different colors trees were counted in the working area.

Key words： unmanned aerial vehicle monitor；forest pests and diseases；Shenongjia；Yidu

林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)工作通常依靠固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)、臨時(shí)踏查等方式的地面調(diào)查采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但是由于林地面積大、山區(qū)地形復(fù)雜，僅靠人工采集數(shù)據(jù)，工作量大，效率低，林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)的覆蓋面、準(zhǔn)確性等都面臨很大挑戰(zhàn)。特別是山高坡陡的地區(qū)，人力難以到達(dá)，存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)航空遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)、智能化的外業(yè)調(diào)查及數(shù)據(jù)處理技術(shù)等發(fā)展迅速[1-3]，已經(jīng)在氣象觀測(cè)、民政救災(zāi)、國(guó)土測(cè)繪、電力石油巡線(xiàn)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，同時(shí)在森林防火[4-6]、林業(yè)資源調(diào)查[7-8]、農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)[9-11]也有部分應(yīng)用，且已經(jīng)顯示出先進(jìn)性、高效性。但將其用于林業(yè)有害生物的監(jiān)測(cè)，尚處于起步階段，廣東、廣西、天津、浙江、河南、山東等省份有專(zhuān)家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究報(bào)道[12-14]。通過(guò)把無(wú)人機(jī)航空遙感的精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、起降安全方便，和外業(yè)調(diào)查信息化及數(shù)據(jù)處理設(shè)備規(guī)范性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行林業(yè)有害生物的監(jiān)測(cè)管理工作，能夠更高效、全面地掌握林業(yè)有害生物發(fā)生情況，還可以對(duì)枯死樹(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。本文通過(guò)無(wú)人機(jī)檢對(duì)湖北省神農(nóng)架林區(qū)小蠹蟲(chóng)危害華山松和宜都市松材線(xiàn)蟲(chóng)危害馬尾松進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)報(bào)道，為湖北省林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)工作提供技術(shù)支撐和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 作業(yè)地點(diǎn)及對(duì)象

作業(yè)地點(diǎn)選在神農(nóng)架和宜都市。神農(nóng)架選取小蠹蟲(chóng)危害的松林，宜都市選取松材線(xiàn)蟲(chóng)病危害的松林。本次作業(yè)，由于神農(nóng)架區(qū)域地形和氣候條件惡劣，航拍共實(shí)施了4個(gè)架次，其中2015年7月31日的飛行為有效架次；宜都區(qū)域的地形和氣候條件相對(duì)較好，于2015年11月3日?qǐng)?zhí)行1個(gè)架次飛行作業(yè)。具體作業(yè)區(qū)域如下。

（1）神農(nóng)架區(qū)域：東經(jīng)110°18′19″、北緯31°38′51″；東經(jīng)110°20′13″，北緯31°38′51″、東經(jīng)110°20′13″、北緯31°29′38″；東經(jīng)110°18′19″、北緯31°29′38″四點(diǎn)內(nèi)的區(qū)域。

（2）宜都區(qū)域：東經(jīng)111°28′48″、北緯30°14′58″；東經(jīng)111°33′31″、北緯30°14′59″；東經(jīng)111°33′30″、北緯30°12′50″；東經(jīng)111°28′47″、北緯30°12′50″四點(diǎn)內(nèi)的區(qū)域。

2 設(shè)備及參數(shù)

IRSA-II型無(wú)人機(jī)（青山綠水通用航空有限公司提供。主要參數(shù)為：巡航速度100 km/h、最大載荷4 kg、最大航程180 km、最大飛行速度90 km/h、最大航時(shí)2 h、控制半徑30～50 km、飛行高度海拔4 500 m）。

3 技術(shù)流程

3.1 前期準(zhǔn)備

航線(xiàn)規(guī)劃（一般要求航向重疊度達(dá)到70%、旁向重疊度達(dá)到35%以上）；申請(qǐng)空域，由于航測(cè)區(qū)域可能覆蓋民航航線(xiàn)，飛行前按照國(guó)家空域管理的相關(guān)規(guī)定，向相關(guān)軍區(qū)和民航空管處進(jìn)行申請(qǐng)和報(bào)備；獲取控制資料信息、林相圖等。

3.2 數(shù)字影像獲取

天氣晴朗、光照充足、大氣能見(jiàn)度好、風(fēng)力小于4級(jí)（起飛后可抗6級(jí)風(fēng)）的條件下，無(wú)人機(jī)可以起飛。在相對(duì)高度500～1 500 m的高度可獲取測(cè)區(qū)高分辨率（地面分辨率優(yōu)于0.2 m）的航拍圖片。

3.3 變色、枯死林木信息提取

把航拍獲得的圖片、相機(jī)參數(shù)、航跡信息、無(wú)人機(jī)姿態(tài)信息等交付遙感數(shù)據(jù)處理人員，結(jié)合POS數(shù)據(jù)信息，利用空中三角測(cè)量技術(shù)制作1∶2 000分幅的數(shù)字正射影像圖（DOM）。然后對(duì)DOM進(jìn)行目視解譯，發(fā)現(xiàn)變色樹(shù)木后，快捷的定位變色、枯死樹(shù)木的位置，形成矢量數(shù)據(jù)文件。然后進(jìn)行人工精細(xì)判圖，對(duì)目標(biāo)蟲(chóng)害導(dǎo)致的變色枯死木進(jìn)行標(biāo)注，并對(duì)其位置坐標(biāo)進(jìn)行了準(zhǔn)確定位。

4 作業(yè)成果

4.1 神農(nóng)架

神農(nóng)架的飛行作業(yè)信息見(jiàn)表1。按照測(cè)繪技術(shù)要求對(duì)航片進(jìn)行拼接和勻光勻色等處理，并對(duì)本項(xiàng)目的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。常規(guī)航測(cè)產(chǎn)品是經(jīng)過(guò)投影的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，根據(jù)本項(xiàng)目后期應(yīng)用需求，對(duì)數(shù)字正射影像轉(zhuǎn)換成WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)下的大地坐標(biāo)，形成約2 500 hm2的數(shù)字正射影像圖（DOM）。

4.2 宜都市

宜都市的飛行作業(yè)信息見(jiàn)表1。按照測(cè)繪的技術(shù)要求對(duì)航片進(jìn)行拼接和勻光勻色等處理。由于宜都作業(yè)當(dāng)天空中霧氣較大，為了提高圖像拼接效果，技術(shù)人員對(duì)原始圖像還進(jìn)行了除霧處理。圖像拼接完成并加載地理信息后，同樣也進(jìn)行了坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。最終形成了基于WGS84大地坐標(biāo)的數(shù)字正射影像圖（DOM），面積約為2 100 hm2。

5 圖像判讀

使用數(shù)據(jù)庫(kù)管理ArcGIS軟件、無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件MAPAT和遙感圖像分類(lèi)ERDAS軟件等，對(duì)圖像進(jìn)行處理：①數(shù)據(jù)整理。下載并檢查圖像和數(shù)據(jù)，對(duì)不符合后期內(nèi)業(yè)要求的圖像，進(jìn)行補(bǔ)充飛行；將單幅遙感圖像與姿態(tài)數(shù)據(jù)、曝光點(diǎn)坐標(biāo)、時(shí)間這三項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，制成數(shù)表備用；②影像幾何校正。進(jìn)行GPS輔助空中三角測(cè)量，進(jìn)而可利用無(wú)控制點(diǎn)或少控制點(diǎn)技術(shù)，對(duì)特征區(qū)域很少的林區(qū)進(jìn)行較高精度的幾何校正。③影像鑲嵌與裁剪。運(yùn)用遙感軟件中的圖像拼接功能，將影像拼接成一幅圖像，便于進(jìn)行后續(xù)的裁剪等處理；圖像裁剪主要運(yùn)用圖像掩膜技術(shù)與被裁剪圖像做交集運(yùn)算，計(jì)算所得圖像就是圖像裁剪結(jié)果。④圖像增強(qiáng)。采用一系列措施改善圖像的視覺(jué)效果，提高圖像的清晰度、對(duì)比度，突出所需的信息，選擇突出便于人或計(jì)算機(jī)分析某些感興趣的信息，抑制無(wú)用信息，以提高圖像的使用價(jià)值。其方法包括：對(duì)比度增強(qiáng)、空間濾波、色彩轉(zhuǎn)換等。⑤專(zhuān)題信息提取。在數(shù)字正射影像圖上，通過(guò)人工目視解譯獲取變色和枯死樹(shù)木分布的矢量信息[15-16]。

5.1 神農(nóng)架

華山松受小蠹蟲(chóng)危害的影響主要表現(xiàn)為以下幾種特征：受害半年以?xún)?nèi)：枝梢被害率達(dá)20%以上，呈黃色或黃褐色，呈不規(guī)則形狀，多以單株分布；受害1 a以上：全部失葉、枯立木，呈灰白色或褐白色，樹(shù)冠成菊花狀，多以單株分布，部分呈片狀分布。

本次判圖即針對(duì)以上兩種情形，對(duì)枯死木進(jìn)行標(biāo)注定位。選擇1∶600的視覺(jué)比例尺進(jìn)行疑似華山松小蠹蟲(chóng)致病枯死變色樹(shù)的人工判讀與標(biāo)示。判圖后共標(biāo)注出疑似枯死1 a以上變色樹(shù)14 000余處（紅色），標(biāo)注出疑似枯死半年以?xún)?nèi)枯死樹(shù)1 100余處（黃色），并制作出位置坐標(biāo)信息統(tǒng)計(jì)表（數(shù)據(jù)量龐大，不詳細(xì)列出）。監(jiān)測(cè)區(qū)疑似枯死樹(shù)點(diǎn)分布效果見(jiàn)圖1。

5.2 宜都市

松材線(xiàn)蟲(chóng)病所表現(xiàn)出來(lái)的外部癥狀是針葉陸續(xù)變?yōu)辄S褐色乃至紅褐色，萎蔫，最后整株枯死。選擇1∶600的視覺(jué)比例尺，對(duì)疑似松材線(xiàn)蟲(chóng)病導(dǎo)致的變色枯死樹(shù)進(jìn)行人工判讀與標(biāo)示，判圖后共標(biāo)注出疑似目標(biāo)癥狀變色樹(shù)4 900余處（紅色），并制作出位置坐標(biāo)信息統(tǒng)計(jì)表（數(shù)據(jù)量龐大，不詳細(xì)列出）。監(jiān)測(cè)區(qū)疑似枯死樹(shù)的點(diǎn)分布效果如下。

6 結(jié)論與討論

（1）本次無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)作業(yè)區(qū)域共覆蓋4 600 hm2松林，分別針對(duì)小蠹蟲(chóng)和松材線(xiàn)蟲(chóng)致死的變色枯死木進(jìn)行低空遙感監(jiān)測(cè)，共飛行5個(gè)架次，獲取了近2 000張清晰的航拍圖片，并制作了4 300 hm2的1∶2000分幅、地面分辨率優(yōu)于0.2 m的監(jiān)測(cè)區(qū)整體正射影像圖；通過(guò)人工精細(xì)判圖，定位標(biāo)注疑似變色枯死樹(shù)。

（2） 在無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上，下一步開(kāi)展人工地面抽樣調(diào)查，得出樣地內(nèi)目標(biāo)害蟲(chóng)致死的林木在所有枯死木中的比例，再計(jì)算出整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)目標(biāo)害蟲(chóng)致死的林木數(shù)量。最后制作出位置坐標(biāo)信息統(tǒng)計(jì)表，為研究害蟲(chóng)的傳播擴(kuò)散規(guī)律[17-18]打基礎(chǔ)。

（3）通過(guò)該監(jiān)測(cè)試點(diǎn)項(xiàng)目，充分體現(xiàn)了無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)和航空測(cè)繪技術(shù)在林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，能對(duì)人力難以到達(dá)的高山陡坡全覆蓋，快速確定蟲(chóng)情的危害分布情況并獲得相關(guān)圖表信息數(shù)據(jù)。且效率極高，在1 d內(nèi)可完成數(shù)千公頃的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，大大減輕人力勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）對(duì)于地勢(shì)起伏較大的地區(qū)，為了獲取理想的航片，可從可見(jiàn)光攝像傳感器件、航線(xiàn)規(guī)劃兩方面著手：一是采取無(wú)人機(jī)攜帶大面陣航空數(shù)字相機(jī)、克服地形起伏給航片帶來(lái)的畸變；二是根據(jù)山地的等高線(xiàn)設(shè)計(jì)航拍路線(xiàn)，在面積不大的時(shí)候采取等高線(xiàn)飛行的方法進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)獲??；大面積的時(shí)候采取攜帶大面陣航空數(shù)字相機(jī)方法獲取遙感數(shù)據(jù)。

（5）由于該監(jiān)測(cè)方式是利用可見(jiàn)光進(jìn)行分辨，只能對(duì)樹(shù)冠顏色發(fā)生改變的受害木進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此，監(jiān)測(cè)的對(duì)象有局限性。為盡量提高準(zhǔn)確度，可從兩方面考慮，一是盡量避免在闊葉樹(shù)樹(shù)葉變色的季節(jié)的航拍；二是在航拍時(shí)，取火燒木、自然死亡木、樹(shù)葉本身顏色接近死樹(shù)樹(shù)冠顏色的樹(shù)種各若干，標(biāo)記每棵樹(shù)的經(jīng)緯度，最后在人工判讀時(shí)，按照經(jīng)緯度找出這些樹(shù)在圖中的位置，以這些樹(shù)冠顏色為參照，篩選出顏色值一致的樹(shù)木，以排除目標(biāo)害蟲(chóng)致死的枯死樹(shù)顏色類(lèi)型[19]。

（6）目前，圖像判讀工作只能依靠人工，這是該工作中比較費(fèi)時(shí)環(huán)節(jié)，因此開(kāi)發(fā)出可自動(dòng)判讀的軟件，是下一步需要研究的方向。

參 考 文 獻(xiàn)

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