無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)枯死松樹(shù)技術(shù)應(yīng)用研究

尹華陽(yáng)，湯宗斌，董廣平

（1.安徽省林業(yè)科學(xué)研究院，合肥 230031；2.合肥市森林病蟲(chóng)害防治檢疫站，合肥 230031）

松材線蟲(chóng)病，又稱(chēng)松樹(shù)萎蔫病，是由松材線蟲(chóng)寄生在松屬樹(shù)種體內(nèi)導(dǎo)致樹(shù)木迅速死亡的一種特大毀滅性病害，屬?lài)?guó)際重要檢疫對(duì)象。該病具有適生范圍廣、寄主種類(lèi)多、發(fā)病速度快、松樹(shù)死亡率高、防治困難等特點(diǎn)[1]。我國(guó)自1982 年在江蘇南京紫金山中山陵首次發(fā)現(xiàn)該病以來(lái)[2]，迅速擴(kuò)展多個(gè)省市，導(dǎo)致大量馬尾松枯死，造成了極大的生態(tài)破壞和經(jīng)濟(jì)損失，防治工作十分迫切和嚴(yán)峻。在眾多松材線蟲(chóng)病防控技術(shù)中[3-5]，及時(shí)及早發(fā)現(xiàn)枯死松樹(shù)進(jìn)行針對(duì)性防治具有十分重要的作用。由于松林多處于山高、路陡、林密地區(qū)，人工地面調(diào)查難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)疫情且耗費(fèi)大量人力財(cái)力，而衛(wèi)星遙感雖范圍大，但是分辨率低，難以獲得高精度的影像[6]。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速[7-9]，利用無(wú)人機(jī)靈活機(jī)動(dòng)且可以拍攝高分辨率圖片等特點(diǎn)監(jiān)測(cè)枯死松樹(shù)，可以極大降低松材線蟲(chóng)病監(jiān)測(cè)工作難度，提高工作效率，顯示出較大的優(yōu)越性[10-12]。但目前該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中監(jiān)測(cè)枯死松樹(shù)的準(zhǔn)確性卻鮮有報(bào)道。因此，本研究應(yīng)用無(wú)人機(jī)調(diào)查監(jiān)測(cè)枯死松樹(shù)，同時(shí)結(jié)合人工地面抽檢調(diào)查的方式進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比研究無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)枯死松樹(shù)的準(zhǔn)確性，探究產(chǎn)生誤差的原因，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)枯死松樹(shù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

選擇具有一定數(shù)目枯死松樹(shù)，且地理環(huán)境滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)適宜的飛行條件，同時(shí)也適宜人工地面調(diào)查的林地作為試驗(yàn)地點(diǎn)。在合肥市森林病蟲(chóng)害防治檢疫站和廬江縣林業(yè)局的大力支持下，我們選擇了廬江縣人民醫(yī)院東側(cè)的東顧山地區(qū)作為試驗(yàn)地。該地地處江淮丘陵地帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，寒暑明顯。林分主要為馬尾松純林和松闊混交林，坡度較緩(10°～15°)，適于人工地面抽樣調(diào)查。選好試驗(yàn)地后在地圖上標(biāo)注實(shí)施范圍，便于無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)地總面積為66.67 hm2。

2 材料和方法

2.1 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)調(diào)查工作委托湖南林科達(dá)信息科技有限公司實(shí)施。利用無(wú)人機(jī)對(duì)實(shí)施地區(qū)范圍進(jìn)行影像采集，同時(shí)結(jié)合其自主研發(fā)的電子勾繪系統(tǒng)軟件智能勾繪枯死松樹(shù)位置，記錄坐標(biāo)點(diǎn)及株數(shù)。根據(jù)無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間合理安排監(jiān)測(cè)區(qū)域，做到安全、不遺漏。最終對(duì)整個(gè)實(shí)施地區(qū)的枯死松樹(shù)進(jìn)行坐標(biāo)和數(shù)量匯總。

2.1.1 監(jiān)測(cè)方法及裝備

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)采用飛行范圍內(nèi)連續(xù)拍攝正射影像的方式進(jìn)行，通過(guò)軟件對(duì)正射影像進(jìn)行后期拼接，合成為一整張?jiān)囼?yàn)地區(qū)正射影像，智能勾繪軟件以枯死松樹(shù)顏色變化為主要特征對(duì)正射影像上的枯死松樹(shù)進(jìn)行識(shí)別勾繪。調(diào)查無(wú)人機(jī)采用大疆精靈4 系列多旋翼機(jī)配合作業(yè)，機(jī)型搭載2 000 萬(wàn)像素?cái)z像頭，獲取正射圖比例為1∶500，飛行高度為150 m，旁向及航向重疊度為75%。

2.1.2 調(diào)查步驟

首先，收集松林資源分布、行政界線區(qū)劃、地形數(shù)據(jù)、主要枯死松樹(shù)分布區(qū)域等資料，規(guī)劃無(wú)人機(jī)調(diào)查作業(yè)范圍。其次，利用無(wú)人機(jī)在規(guī)劃的調(diào)查區(qū)域內(nèi)進(jìn)行全覆蓋航拍，通過(guò)空中和地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航跡的規(guī)劃和監(jiān)控、影像的自動(dòng)拍攝和傳輸、信息數(shù)據(jù)預(yù)處理等，生成分辨率高于10 cm 的正射影像圖。最后，由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員通過(guò)枯死松樹(shù)勾繪系統(tǒng)在調(diào)查區(qū)域的正射影像圖上勾繪出疑似枯死松樹(shù)分布點(diǎn)，并輸出地理坐標(biāo)信息。

調(diào)查技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)調(diào)查技術(shù)路線

2.2 人工地面調(diào)查

對(duì)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行人工地面抽樣調(diào)查，抽查枯死松樹(shù)數(shù)目需占無(wú)人機(jī)識(shí)別總數(shù)目10%以上。將人工調(diào)查的枯死松樹(shù)位置在地圖上進(jìn)行標(biāo)注，然后對(duì)照無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)標(biāo)注的枯死松樹(shù)分布圖，分別記錄無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)到的枯死松樹(shù)株數(shù)和沒(méi)有監(jiān)測(cè)到的株數(shù)。對(duì)沒(méi)有監(jiān)測(cè)到枯死松樹(shù)的原因進(jìn)行逐一分析。

2.3 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)枯死松樹(shù)監(jiān)測(cè)效果分析

對(duì)比無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)和人工地面抽樣調(diào)查結(jié)果，計(jì)算監(jiān)測(cè)效果。

式中：Da- 監(jiān)測(cè)效果，單位為%；Db- 人工地面抽樣調(diào)查的枯死松樹(shù)，單位為株；Dc- 無(wú)人機(jī)沒(méi)有監(jiān)測(cè)到的枯死松樹(shù)，單位為株。

3 結(jié)果與分析

3.1 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果

無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)共計(jì)2 個(gè)架次，作業(yè)時(shí)長(zhǎng)1.5 h，航拍正射面積127.47 hm2，其中覆蓋林地面積66.67 hm2，正射影像見(jiàn)圖2。通過(guò)枯死松樹(shù)勾繪系統(tǒng)共識(shí)別疑似枯死松樹(shù)863 株，見(jiàn)圖3。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)枯死松樹(shù)分布范圍較大，有松林的小班均有分布。馬尾松純林中枯死松樹(shù)分布較為集中，而松闊混交林中枯死松樹(shù)多呈零星散點(diǎn)分布。

3.2 人工地面調(diào)查結(jié)果

在試驗(yàn)地范圍內(nèi)人工隨機(jī)抽查100 株枯死松樹(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，100 株枯死松樹(shù)中有95 株與無(wú)人機(jī)調(diào)查識(shí)別的枯死松樹(shù)坐標(biāo)位置吻合，有5 株枯死松樹(shù)未記錄在無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)到的枯死松樹(shù)數(shù)據(jù)內(nèi)。由公式計(jì)算可知，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)枯死松樹(shù)效果為95%。

標(biāo)記5 株無(wú)人機(jī)未能監(jiān)測(cè)到的枯死松樹(shù)坐標(biāo)位置并分析原因：有1 株為松針完全落完的枯死松樹(shù)，這種情況的枯死松樹(shù)因松針基本脫落，未能觸發(fā)勾繪軟件識(shí)別顏色變化的必要條件，因而被遺漏；有3 株屬于樹(shù)高較低的被壓木，這種枯死松樹(shù)雖變色嚴(yán)重，但在無(wú)人機(jī)拍攝正射影像時(shí)被更高大且冠幅較大的健康松樹(shù)遮擋，在正射影像上不能體現(xiàn)顏色的變化，從而被勾繪軟件忽略；有1 株屬于并連枯死樹(shù)，即幾株枯死松樹(shù)過(guò)分接近，樹(shù)枝錯(cuò)落交叉，在無(wú)人機(jī)拍攝的正射影像分辨率不足，被勾繪軟件識(shí)別成一株枯死松樹(shù)。未能監(jiān)測(cè)到的枯死松樹(shù)坐標(biāo)，見(jiàn)表1。

4 討論

本項(xiàng)目采用無(wú)人機(jī)結(jié)合人工地面抽樣調(diào)查的方式，對(duì)廬江縣東顧山66.67 hm2松材線蟲(chóng)病疫點(diǎn)的枯死松樹(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)項(xiàng)目實(shí)施地進(jìn)行影像采集并勾繪分析，共標(biāo)記枯死松樹(shù)863株；人工地面隨機(jī)調(diào)查100 株枯死松樹(shù)，發(fā)現(xiàn)有95株與無(wú)人機(jī)標(biāo)記的完全吻合，有5 株無(wú)人機(jī)未能標(biāo)記到；經(jīng)計(jì)算，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)枯死松樹(shù)效果為95%，基本符合預(yù)期。對(duì)無(wú)人機(jī)未能標(biāo)記的枯死松樹(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，未能標(biāo)記的枯死松樹(shù)具有松針落完、被壓木和并連枯死樹(shù)等特點(diǎn)。同時(shí)，研究中還發(fā)現(xiàn)天氣情況、拍攝影像分別率、計(jì)算機(jī)輔助勾繪識(shí)別系統(tǒng)等因素對(duì)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)枯死松樹(shù)的效果有較大影響，實(shí)施監(jiān)測(cè)前需進(jìn)行合理規(guī)劃。

圖2 無(wú)人機(jī)正射影像

圖3 無(wú)人機(jī)調(diào)查枯死松樹(shù)分布示意

表1 無(wú)人機(jī)未能監(jiān)測(cè)到的枯死松樹(shù)

總體而言，采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行枯死松樹(shù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度較高，綜合考慮成本、效率等方面因素，無(wú)人機(jī)比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法有較大優(yōu)勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)枯死松樹(shù)的準(zhǔn)確度及適用性將進(jìn)一步提高，這項(xiàng)監(jiān)測(cè)手段必將成為松材線蟲(chóng)病防控體系中的重要組成部分，具有巨大的社會(huì)效益和生態(tài)效益。