芻議枯死松樹的天空地協(xié)同監(jiān)測技術(shù)體系建設(shè)

武紅敢王晗常原飛王成波

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京 100091；2.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100101)

我國于1982年首次在南京中山陵發(fā)現(xiàn)松材線蟲病，38年來全國因該病害損失的松樹累計達數(shù)億株，造成的直接經(jīng)濟損失和生態(tài)服務(wù)價值損失上千億元[1]。目前，該病害已經(jīng)在我國18個省(直轄市、自治區(qū))的666個縣級行政區(qū)發(fā)生[2]，且呈現(xiàn)向西南和東北主要生態(tài)林區(qū)擴散態(tài)勢，最西端達四川省涼山州，最北端波及遼寧北部多個縣區(qū)，特別是已入侵多個國家級風(fēng)景名勝區(qū)和重點生態(tài)區(qū)域。危害樹種也由馬尾松Pinus massoniana、黑松Pinus thunbergii擴展到紅松Pinus koraiensis、落葉松Larixspp.等多種針葉樹，當(dāng)前松材線蟲病疫情直接威脅我國近6000萬hm2松林資源的安全，給生態(tài)平衡造成重要影響[3]。國家曾制定過《松材線蟲普查監(jiān)測技術(shù)規(guī)程(GB/T 23478—2009)》和《松材線蟲病監(jiān)測辦法》等測報辦法，旨在規(guī)范松材線蟲病防控技術(shù)、強化監(jiān)督管理、遏制疫情擴散蔓延。安徽、浙江、福建和廣東等省根據(jù)多年防治經(jīng)驗，也及時總結(jié)和出臺過眾多地方標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范松材線蟲病監(jiān)測和防治的操作技術(shù)[4-8]。幾十年來從中央到地方都高度重視松材線蟲病防控，不斷強調(diào)疫情監(jiān)測調(diào)查是整個防控工作的重要基礎(chǔ)。如果不能及時發(fā)現(xiàn)疫情并全面掌握發(fā)生危害程度，就會錯失防治窗口期，也無法實現(xiàn)精準(zhǔn)防控。

近年來各級管理機構(gòu)非常重視遙感技術(shù)在松材線蟲病監(jiān)測中的應(yīng)用，如2019年湖北、山東、江西等省都專項開展對枯死松樹的天、空或地等多尺度遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)，但仍局限于應(yīng)急應(yīng)用，只有構(gòu)建起天空地協(xié)同的遙感監(jiān)測技術(shù)體系，“定向組合拳”才能發(fā)揮其整體優(yōu)勢。

1 松材線蟲病疫情監(jiān)測與管理

1.1 監(jiān)測調(diào)查內(nèi)容和要求 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)規(guī)程，各地必須在每年秋季的8—10月對本行政區(qū)域的松林進行全面普查，翌年春季的3—6月再進行重點抽查或普查，若發(fā)現(xiàn)病死松樹要及時做好取樣、分離、鑒定工作[9]。通過踏查和詳查需要獲取感病株數(shù)、枯死株數(shù)、枯死原因初步分析、媒介昆蟲危害情況等專題信息，以及小班號、小班面積、蓄積及立地環(huán)境等林分信息。對于發(fā)現(xiàn)的新疫情和疫點，按規(guī)定以省(區(qū)、市)為單位上報國家林業(yè)和草原局，國家級中心測報點應(yīng)通過直報系統(tǒng)上報國家林業(yè)和草原局。

1.2 管理職責(zé) 新修訂的《中華人民共和國森林法》第四條明確規(guī)定，國家實行森林資源保護發(fā)展目標(biāo)責(zé)任制和考核評價制度[10]。根據(jù)《全國檢疫性林業(yè)有害生物疫區(qū)管理辦法》(林造發(fā)〔2018〕64號)和《松材線蟲病疫區(qū)和疫木管理辦法》(林生發(fā)〔2018〕117號)以及《松材線蟲病生態(tài)災(zāi)害督辦追責(zé)辦法》等有關(guān)規(guī)定，松材線蟲為重大林業(yè)有害生物，其造成的災(zāi)害屬于生態(tài)災(zāi)害，疫情防治需實行地方各級政府行政領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)制，松材線蟲病疫情管理信息流見圖1。

圖1 松材線蟲病疫情管理信息流Fig.1 Information management flowchart of pine wilt disease

2 遙感和空間分析技術(shù)

遙感是運用現(xiàn)代化的平臺工具和傳感器，從遠(yuǎn)距離獲取目標(biāo)物體電磁波特性，通過該信息的傳輸、貯存、處理、識別目標(biāo)物體，最終掌握目標(biāo)地物的時間、位置、性質(zhì)和數(shù)量等特征。根據(jù)工作平臺的差異可以把遙感劃分為航天、航空和地面遙感三類。

2.1 航天遙感 在地球大氣層以外的宇宙空間，以人造衛(wèi)星、航天飛機等航天飛行器為平臺的遙感稱之為航天遙感(或太空遙感)。它是一門綜合性的科學(xué)技術(shù)，包括研究各種地物的電磁波波譜特性，研制各種遙感器，研究遙感信息記錄、傳輸、接收、處理方法以及分析、解譯和應(yīng)用技術(shù)[11]。目前商業(yè)化運行的光學(xué)遙感衛(wèi)星空間分辨率已經(jīng)達到亞米級，如2016年發(fā)射的美國WorldView-3衛(wèi)星能夠提供0.3 m分辨率的高清晰地面圖像。近年來，隨著空間技術(shù)快速發(fā)展，我國衛(wèi)星遙感技術(shù)也邁入了亞米級時代，高分2號衛(wèi)星(GF-2)和北京2號衛(wèi)星全色譜段星下點空間分辨率都達到0.8 m[12-13]，高景衛(wèi)星全色譜段星下點空間分辨率達到0.5 m[14]。實踐證明，服務(wù)于松材線蟲病疫木監(jiān)測的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)空間分辨率應(yīng)優(yōu)于1.0 m。

2.2 航空遙感 是指利用有人機、無人機、飛艇等作為傳感器運載工具在空中進行的遙感技術(shù)，在林業(yè)應(yīng)用中具有圖像分辨率高、受地面條件限制少、調(diào)查周期短、測量精度高以及數(shù)據(jù)獲取方便等特點，特別適合于局部區(qū)域的森林資源監(jiān)測和管理[15]。不足之處是航空平臺的飛行高度和續(xù)航時間有限，只適合小范圍應(yīng)用，而且受天氣和飛行姿態(tài)影響較大，成本也較高。目前在林業(yè)生物災(zāi)害監(jiān)測管理中主要以光學(xué)傳感器為主，服務(wù)于松材線蟲病疫木標(biāo)定作業(yè)的航空遙感數(shù)據(jù)空間分辨率需優(yōu)于10 cm。

2.3 地面遙感 指傳感器設(shè)置在車、船、手提、固定或活動高架平臺等地面平臺上[15]，與航天和航空的高大上不同，廣義的地面遙感技術(shù)如近景攝影測量[16]已為大眾熟悉。隨著我國北斗等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)技術(shù)的發(fā)展，移動終端等集成設(shè)備日益更新，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的完善，實時、定位、定量、連續(xù)等地面遙感圖像數(shù)據(jù)獲取和分析技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于林業(yè)行業(yè)，完全可以成為松材線蟲病病死樹監(jiān)測管理的重要支撐手段。

2.4 空間分析技術(shù) 地理空間數(shù)據(jù)庫是空間分析賴以實施的基礎(chǔ)條件，其運用的手段包括各種幾何的邏輯運算、數(shù)理統(tǒng)計分析，代數(shù)運算等數(shù)學(xué)手段，最終目的是解決人們所涉及到地理空間的實際問題，提取和傳輸?shù)乩砜臻g信息，特別是隱含信息，以輔助決策[17]。在我國現(xiàn)有森林資源包括林業(yè)有害生物數(shù)據(jù)的管理中，小班是最基本單元，所有專題調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析都是基于森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查數(shù)據(jù)，因此小班數(shù)據(jù)庫也是松材線蟲病監(jiān)測管理的重要支撐數(shù)據(jù)，必須運用空間分析技術(shù)實現(xiàn)松材線蟲病空間數(shù)據(jù)庫的建立、分析和決策支持。

3 松材線蟲病疫情監(jiān)測技術(shù)流程

3.1 遙感監(jiān)測基本原理 松樹感染松材線蟲病后，外部癥狀變化非常明顯，即先是針葉失水、褪綠，繼而變褐，而后整株枯死，針葉呈紅黃色或紅褐色。寄主植物的這些變化會引起可見光、近紅外和中紅外波段反射率的異常，即設(shè)置這些波段的傳感器會捕捉到這些重要信息。

3.2 技術(shù)流程 松材線蟲病監(jiān)測調(diào)查技術(shù)流程見圖2。基于癥狀學(xué)(松樹針葉變紅的外部癥狀)的枯死松樹踏查僅是松材線蟲病疫情調(diào)查的第1步，之后還需經(jīng)過抽樣、取樣、分離、鑒定、統(tǒng)計報告等步驟，每個環(huán)節(jié)都需要現(xiàn)代技術(shù)支持。遙感技術(shù)應(yīng)用于松材線蟲病監(jiān)測主要是及時發(fā)現(xiàn)生長異常的林木，導(dǎo)致異常的具體原因需地面核實與分析。換句話說，遙感技術(shù)不可能服務(wù)于松材線蟲病普查(或調(diào)查)的全流程，但它可快速、宏觀獲取紅葉林木(或染病松樹)的分布狀況，對于提高踏查工作效率和監(jiān)測覆蓋率具有重要作用，可為后續(xù)詳查、疫情確定提供科學(xué)依據(jù)。具體講，遙感技術(shù)是林木異常生長狀態(tài)信息的采集手段，而時空分析技術(shù)是松材線蟲病分布等統(tǒng)計分析和制定防控決策的支撐手段。

圖2 松材線蟲病監(jiān)測調(diào)查技術(shù)流程Fig.2 Technical flowchart of pine wilt disease monitoring

4 枯死松樹的天空地協(xié)同監(jiān)測技術(shù)及其體系

4.1 基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的宏觀評估 1999年9月IKONOS衛(wèi)星的成功發(fā)射，拉開高空間分辨率航天遙感應(yīng)用的序幕，精準(zhǔn)林業(yè)應(yīng)運而生，受害林木監(jiān)測一直是研究熱點之一。運用優(yōu)于1.0 m的多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可以較好地辨識樹冠失色、失葉和死亡，并發(fā)展了面向?qū)ο蟮姆指罘诸惸Ｐ秃头椒ǎo助機載激光雷達數(shù)據(jù)提供的樹冠頂部位置信息，還可確定危害林木株數(shù)。但現(xiàn)階段高空間分辨率光學(xué)商業(yè)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)只適宜樹叢級(或大樹)災(zāi)害的監(jiān)測，難以完全勝任所有單株枯死松樹的定量監(jiān)測任務(wù)[18-20]。目前雖然有數(shù)顆0.3～0.5 m分辨率的在軌商業(yè)衛(wèi)星，因數(shù)據(jù)價格昂貴和數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性等眾多因素所限，我國更多采用國產(chǎn)亞米級 GF-2和BJ-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展松材線蟲病疫木的遙感監(jiān)測；其幾何和輻射性能指標(biāo)也基本可以滿足樹冠直徑5 m以上大樹(或樹叢)的識別，只是針葉的紅色癥狀必須典型，對于只有局部癥狀(黃葉或橙葉)的染病初期或中期松樹靈敏度有限。由于側(cè)擺或觀測角的變化，像元大小和空間分辨率常常會不一致，只有空間分辨率真正優(yōu)于1 m的數(shù)據(jù)才能保證監(jiān)測的精確度。鑒于衛(wèi)星遙感具有大覆蓋且處理技術(shù)復(fù)雜和專業(yè)性強的特點，故該項技術(shù)更適合于宏觀監(jiān)管與評估，可為指導(dǎo)松材線蟲病防治提供科學(xué)依據(jù)，是國家、省級政府管理機構(gòu)實施監(jiān)管督查和科學(xué)指導(dǎo)的有效技術(shù)支撐手段。

4.2 基于無人機遙感數(shù)據(jù)的區(qū)域精細(xì)監(jiān)測 近幾年，無人機制造技術(shù)的發(fā)展極大振興了航空遙感事業(yè)，為單木級森林資源特征的獲取和調(diào)查帶來希望。傳感器也由初期的三通道彩色相機逐步向多光譜、高光譜、激光雷達的集成發(fā)展，用無人機多光譜(藍(lán)、綠、紅、紅邊、近紅外)圖像，基于生理脅迫遙感監(jiān)測模型，可以標(biāo)定失葉或失色的亞健康單株林木，紅邊和近紅外通道還可感知林木早期生理脅迫。且當(dāng)危害蔓延到樹叢(4株以上)或成片時，衛(wèi)星和無人機平臺的遙感分類結(jié)果一致[21-23]。因此無人機遙感技術(shù)特別適宜于郁閉度較高且林下植被簡單區(qū)域的單木特征提取[24]。近年來國內(nèi)單木級精準(zhǔn)林木管理發(fā)展很快[25]，優(yōu)于10 cm的超高分辨率航空遙感數(shù)據(jù)不僅可以滿足樹冠直徑2 m以上變色松樹的識別(含定位)，還能初步實現(xiàn)株數(shù)計量，為制定除治規(guī)劃提供堅實數(shù)據(jù)保障。這一技術(shù)是縣級管理機構(gòu)標(biāo)定枯死松樹位置、測算枯死樹數(shù)量、精準(zhǔn)掌握局地枯死樹分布的有效手段，也可作為核定松樹枯死木清除工程量、監(jiān)察枯死木清除任務(wù)完成情況、申報除治項目預(yù)算的依據(jù)之一?，F(xiàn)階段宜采用固定翼或復(fù)合翼無人機平臺開展面狀區(qū)域精細(xì)監(jiān)測，平民化無人機平臺只能滿足樣地級別的抽樣監(jiān)測。

4.3 基于地面遙感技術(shù)的現(xiàn)勢性數(shù)據(jù)收集 利用傳感設(shè)備和智能終端，可以使林業(yè)系統(tǒng)中的森林、濕地、沙地、野生動植物等林業(yè)資源實現(xiàn)相互感知，改變以往“人為主體、林業(yè)資源為客體”的局面，實現(xiàn)林業(yè)客體主體化[26]。近年來，多業(yè)務(wù)或單業(yè)務(wù)巡護平臺層出不窮[27-28]，并在各地得到廣泛應(yīng)用，其中圖像數(shù)據(jù)是事件記錄的主要形式和內(nèi)容。移動智能終端的飛速發(fā)展為地面單木生長狀態(tài)等實況數(shù)據(jù)的采集提供科學(xué)手段，現(xiàn)通用移動終端設(shè)備的前置攝像頭分辨率已經(jīng)達到1 300萬像素以上，且都集成了GNSS和通信模塊，可實現(xiàn)位置、時間的自動采集以及圖像信息的準(zhǔn)實時傳輸，是松材線蟲病疫木踏查、核查、取證、跟蹤除治等工作過程數(shù)據(jù)實時采集和準(zhǔn)實時共享的重要技術(shù)保障。目前，地面遙感技術(shù)雖然對提高疫情監(jiān)測工效的作用還難以體現(xiàn)，但智能加持和物聯(lián)網(wǎng)賦能，實現(xiàn)人過留痕，對保證數(shù)據(jù)的科學(xué)精準(zhǔn)采集意義重大，相信隨著這些大數(shù)據(jù)的積累終會產(chǎn)生極大社會效益。

4.4 天空地協(xié)同的遙感監(jiān)測技術(shù)體系 松材線蟲病疫情監(jiān)測調(diào)查是一個系統(tǒng)工程，如果踏查(高效、高質(zhì)、快速、全覆蓋完成轄區(qū)內(nèi)枯死松樹標(biāo)定)、抽樣、取樣、檢測等所有環(huán)節(jié)都能科學(xué)高效，將為制定除治方案、控制疫情乃至拔除疫點贏得主動。

圖3展示了天(國家、省)空(地市、縣)地(縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn))遙感監(jiān)測技術(shù)路線及其服務(wù)目標(biāo)，三者相輔相成，協(xié)同助力松材線蟲病的監(jiān)測調(diào)查工作。

圖3 枯死松樹遙感協(xié)同監(jiān)測技術(shù)路線Fig.3 Technical process of dead pine through synergy observation of spaceborne，airborne，and ground remote sensing

5 結(jié)語

航天、航空和地面遙感是空間信息技術(shù)的重要組成部分，也是智慧林業(yè)建設(shè)的重要技術(shù)支撐，在林木精準(zhǔn)管理中有著舉足輕重的作用。但是任何先進技術(shù)都有其適用范圍和自身局限性，必須與傳統(tǒng)手段有機結(jié)合，揚長避短、實現(xiàn)優(yōu)勢互補，才能發(fā)揮其在林業(yè)有害生物管理中的作用。引進遙感技術(shù)并不是以取代原有松材線蟲病普查技術(shù)體系為目標(biāo)，宗旨是充分挖掘和協(xié)同各級職責(zé)實現(xiàn)松材線蟲病監(jiān)測調(diào)查的全覆蓋和高時效。天、空、地三者是相輔相成、相互依存、互為補充的關(guān)系，遙感數(shù)據(jù)獲取具有瞬時性，而松材線蟲罹病木外部癥狀顯現(xiàn)又有差異性和動態(tài)性特點，因此選擇最佳時間窗口期開展遙感監(jiān)測極其重要。

枯死松樹的高效、全覆蓋和及時監(jiān)測是松材線蟲病疫情防控的基礎(chǔ)，只有綜合應(yīng)用天空地一體、上下協(xié)同、信息共享的監(jiān)測手段，基于數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)協(xié)同和數(shù)據(jù)同化等關(guān)鍵技術(shù)[29]，逐步建立起具有準(zhǔn)確監(jiān)測數(shù)據(jù)支持的技術(shù)體系，才能全面掌握松材線蟲病發(fā)生現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，真正為綜合防控等提供科學(xué)依據(jù)，從而徹底扭轉(zhuǎn)松材線蟲病防治能力與生態(tài)文明建設(shè)不相適應(yīng)的被動局面。

志謝：安徽省林業(yè)有害生物防治檢疫局蔣麗雅教授級高工認(rèn)真審閱了全文并提出許多寶貴意見，借此表示衷心感謝!