無人機搭載多光譜相機監(jiān)測松材線蟲病的研究

黃寶華

（煙臺市不動產(chǎn)登記中心，山東煙臺 264003）

目前，航空航天遙感圖像主要運用于國內(nèi)外森林病蟲害的監(jiān)測[1-2]，高空衛(wèi)星受空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率和外界天氣等因素影響，無法實時獲取影像數(shù)據(jù)，監(jiān)測松材線蟲（Bursaphelenchus xylophilus）病的效果不理想[3]。有人機航空遙感由于費用高和空域管理等條件限制，不能作為日常的森林病蟲害監(jiān)測手段，只能在重大災(zāi)情發(fā)生時作為衛(wèi)星遙感的補充。無人機遙感技術(shù)具有低成本、低損、可重復(fù)使用、高時效和高分辨率等優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景[4-6]。

1 材料與方法

1.1 航拍區(qū)域

航拍區(qū)域為山東省煙臺市牟平區(qū)松材線蟲病疫點，屬人工黑松（Pinus thunbergii）林，范圍為西北角（121°7'33.82''E，37°7'18.23''N）、東北角（121° 7'42.78''E ，37° 7'18.31''N）、東南角（121°7'44.08''E ，37°7'54.14''N）和西南角（121°7'54.28''E，37°7'34.43''N），面積約為1.2 km2。為避免干旱致死和變色樹木對松材線蟲病致死松樹數(shù)據(jù)統(tǒng)計的干擾，采樣時間為9月24日。

1.2 主要儀器設(shè)備

MS600 型通用多光譜相機，主要包括相機主機、下行光傳感器和GPS 模塊；像素1280×960，地面像元分辨率（GSD）7.5 cm/pix。MS600相機可實現(xiàn)最多6 個通道光譜圖像數(shù)據(jù)的同步獲取和17 種波長濾光片的配置。本研究采用藍(lán)色（450 nm）、綠色（555 nm）、紅色（660 nm）、紅邊（710 nm）、近紅外（840 nm）和近紅外（940 nm）6 個波段數(shù)據(jù)來提取松樹線蟲病的信息。利用波長325 ～1075 nm范圍的ASD Field-SpecHandHeld 2分光輻射譜儀測定黑松光譜。利用ViewSpec Pro后續(xù)處理光譜軟件分析光譜。

1.3 試驗方法

測定研究區(qū)域內(nèi)健康黑松、黑松感染松材線蟲病后出現(xiàn)初期癥狀和典型癥狀的光譜和特定內(nèi)含物（含水量、葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量）的數(shù)據(jù)，分析感病黑松的光譜和特定內(nèi)含物變化信息。利用無人機獲取研究區(qū)域的黑松多光譜影像數(shù)據(jù)，根據(jù)上述分析結(jié)果采用不同方法在影像上提取感病黑松初期癥狀和典型癥狀信息。

1.3.1 一階導(dǎo)數(shù)黑松感病信息提取

光譜微分技術(shù)通過對反射光譜的數(shù)學(xué)微分計算提取光譜參數(shù)。該技術(shù)能部分消除大氣效應(yīng)和植被環(huán)境背景（土壤、陰影等）的影響，反映植物的本質(zhì)特征[7]。植被指數(shù)被認(rèn)為是反映波形形態(tài)變化的反射光譜導(dǎo)數(shù)，其與植被的葉綠素、水和氮等生物化學(xué)元素吸收波形密切相關(guān)，計算所得數(shù)據(jù)可用于植被生物化學(xué)信息的分析。光譜微分公式為：

式中，λi為波長，ρ'（λi）為波長λi處的一階微分光譜，Δλ為相鄰兩波段間的波長。

1.3.2 葉綠素吸收比比值指數(shù)

利用不同葉綠素含量的葉片550 和700 nm 的反射率比恒定的特點，將其與670 nm 的吸收相結(jié)合，構(gòu)造葉綠素吸收比比值指數(shù)（CARI）。CARI 能有效地減少冠層非光合作用引起的光合有效輻射變化造成的影響，但很容易受背景土壤反射率的影響，背景反射率的變化會影響550 ～700 nm 波長反射率的一階導(dǎo)數(shù)。背景反射率對（R700-R550）的影響大于對（R700-R760）的影響，使用比值R700/R670抵消背景對（R700-R550）的影響，構(gòu)建了改進(jìn)型葉綠素吸收比比值指數(shù)（TCARI）。表示為：

其中，R700為700 nm 反射率，R670為670 nm 反射率，R550為550 nm反射率。

1.4 數(shù)據(jù)獲取與測定

利用分光輻射譜儀測定研究區(qū)域內(nèi)健康、具有初期癥狀和典型癥狀黑松各10個樣本的光譜信息，每個樣本測定10組數(shù)據(jù)，取平均值作為該黑松的光譜反射率。從對應(yīng)位置采集小段樣品進(jìn)行含水量、類胡蘿卜素和葉綠素含量的測定。在實驗室用電子天平稱取樣本鮮重（精確至0.1 g），然后將樣本放入烘箱中105 ℃殺青15 min，再將烘箱溫度調(diào)到80 ℃烘干至恒重，計算含水量。葉綠素（丙酮）在652（混合）、663和645 nm 有最大吸收峰，葉綠素（95%乙醇）在665 和649 nm有最大吸收峰，類胡蘿卜素在470 nm有最大吸收峰，此時在分光光度計下測定吸光度，求得葉綠素和類胡蘿卜素的含量。利用無人機搭載的MS600型通用多光譜相機獲取地面多光譜影像數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑松癥狀與特定內(nèi)含物含量關(guān)系分析

黑松感染松材線蟲病后，針葉顏色出現(xiàn)明顯的漸變過程，由綠色逐漸變成無光澤的黃色，再變成紅或褐色，呈干枯狀，直至整株松樹死亡；整個過程中針葉萎蔫但不脫落，據(jù)此將林間黑松分為健康、初期癥狀和典型癥狀3類采集標(biāo)本（圖1）。

測定9個樣本的含水量、葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量，其中1、2和3號樣本為健康，4、5和6號樣本為初期癥狀，7、8和9號樣本為典型癥狀（表1）。

圖1 健康、初期癥狀、典型癥狀黑松的表象特征Fig.1 Symptoms of health,initial symptoms and typical symptoms of P.thunbergii

表1 樣本含水量、葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量Tab.1 Water content,contents of chlorophyll a and b and carotenoids of samples

黑松含水量與感病程度呈線性關(guān)系（R2=0.890 5），在健康狀態(tài)和出現(xiàn)初期癥狀時波動不明顯，由63.40%降至54.80%，在出現(xiàn)典型癥狀時大幅降低（17.44%）。葉綠素含量和含水量呈相同趨勢（R2=0.713 2），在健康狀態(tài)和出現(xiàn)初期癥狀時變化不明顯，由12.23%降至6.28%，在出現(xiàn)典型癥狀時大幅降低（3.01%）。其中，葉綠素a 含量的相關(guān)性（R2=0.732 8）大于葉綠素b含量（R2=0.581 1）。類胡蘿卜素含量與感病程度呈不規(guī)則關(guān)系，相關(guān)性很小（R2=0.189 6）。含水量和葉綠素含量可作為黑松感病的監(jiān)測指標(biāo)，尤其是在典型癥狀期的災(zāi)情評估時。

2.2 黑松癥狀及其光譜特征分析

健康黑松具有典型植被光譜特征，由于其葉冠葉綠素含量多，藍(lán)、紅外波段吸收率高，近紅外波段反射率高，紅邊位置明顯；出現(xiàn)初期癥狀時，由于針葉枯黃，藍(lán)、紅光波段吸收率下降，綠光、紅外波段反射率也下降，并呈現(xiàn)明顯的紅邊向長波方向位移態(tài)勢；出現(xiàn)典型癥狀的黑松，由于缺乏水分和葉綠素，針葉顏色發(fā)生變化，近紅外光區(qū)峰值明顯下降，甚至消失，整個反射光譜曲線較平緩（圖2）。根據(jù)不同光譜曲線可以確定黑松林感病程度。

植物光譜響應(yīng)曲線中的紅邊轉(zhuǎn)折點定義在光譜反射曲線一階導(dǎo)數(shù)達(dá)最大值的720 nm 附近，表現(xiàn)結(jié)果是健康黑松在720 nm 處的一階導(dǎo)數(shù)值比感病黑松的一階導(dǎo)數(shù)值高（圖3）。這是因為當(dāng)黑松感染松材線蟲病后，葉片會出現(xiàn)顏色改變或外觀改變等，葉片的反射光譜也隨之明顯改變。黑松紅邊位置與其健康度的對應(yīng)值分別為0.187 4、0.209 0 和0.221 0，呈增大趨勢。

圖2 黑松不同狀態(tài)下的光譜Fig.2 Spectrum of P.thunbergii under different conditions

圖3 感病黑松和健康黑松光譜一階導(dǎo)數(shù)Fig.3 First derivative of spectrum of infected and healthy P.thunbergii

2.3 監(jiān)測結(jié)果與分析

采用人工目視解譯方法對紅邊（660 nm）、綠邊（555 nm）和藍(lán)邊（450 nm）合成的RGB 真彩色影像進(jìn)行勾畫，其中健康黑松為綠色、出現(xiàn)初期癥狀的黑松為黃色，典型癥狀的黑松為紅色或褐色，部分陰影根據(jù)周邊情況進(jìn)行判別劃分。共解譯出感病黑松133株，其中初期癥狀52株，典型癥狀81株。

2.3.1 提取方法分析

通過健康、初期癥狀和典型癥狀黑松的TCARI可以看出，3類黑松的TCARI值有重疊，因此根據(jù)TCRAI值區(qū)分感病黑松和健康黑松誤差較大，但它們的一階導(dǎo)數(shù)具有明顯的層次感，且利用一階導(dǎo)數(shù)可以很好地抑制背景信息，能夠很好地區(qū)分不同狀態(tài)的黑松信息（圖4）。因此，一階導(dǎo)數(shù)影像相對于TCARI 影像，能更好地反映黑松感染松材線蟲病的情況（圖5）。

2.3.2 枯死松樹統(tǒng)計數(shù)據(jù)

通過多光譜影像數(shù)據(jù)一階導(dǎo)數(shù)可以看出，710 nm的一階導(dǎo)數(shù)影像可獲得最好的黑松感病信息，其中健康、初期癥狀和典型癥狀黑松的一階導(dǎo)數(shù)均值分別為0.033 6、0.093 4和0.196 4，光譜一階導(dǎo)數(shù)值隨著感病程度的增加而增加；一階導(dǎo)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.008 3、0.019 1和0.037 8，基本在各自均值附近，因此可采用一階導(dǎo)數(shù)影像提取黑松感病信息（表2）。

圖4 TCARI和一階導(dǎo)數(shù)Fig.4 TCARI and first derivative

圖5 感病黑松一階導(dǎo)數(shù)、TCARI圖像Fig.5 First derivative of infected P.thunbergii and TCARI

表2 黑松一階導(dǎo)數(shù)和TCARI信息統(tǒng)計量Tab.2 First derivative and TCARI information statistics of P.thunbergii

通過上述分析，設(shè)置一階導(dǎo)數(shù)值0.05 ～0.15 為初期癥狀黑松，0.15 ～0.32 為典型癥狀黑松，共提取圖斑757 個，經(jīng)過合并得到133 株感病黑松。現(xiàn)場對133 株感病黑松進(jìn)行核查（圖6），找到全部感病立木，由于該區(qū)域基本為人工黑松林，其余闊葉樹木較少，因此外業(yè)確定感病黑松檢測準(zhǔn)確率為100%。

圖6 感病黑松提取結(jié)果Fig.6 Extraction results of infected P.thunbergii

3 結(jié)論與討論

松材線蟲病是松屬樹種的一種毀滅性病害，它的侵染能引起寄主植株多種生理生化指標(biāo)發(fā)生改變，植物光譜特征隨之發(fā)生變化[7]。本研究利用無人機搭載多光譜相機，采集和分析黑松健康、感病初期癥狀、后期典型癥狀的樹冠層的光譜數(shù)據(jù)和特定內(nèi)含物參數(shù)（含水量、葉綠素a和b、類胡蘿卜素含量），為建立大面積快速、準(zhǔn)確的松材線蟲病疫點遙感監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。明確了黑松感染松材線蟲病后的癥狀與含水量和葉綠素含量呈明顯線性相關(guān)，與類胡蘿卜素含量相關(guān)性較小。黑松感病后出現(xiàn)初期癥狀時，藍(lán)、紅光波段吸收率下降，綠光、紅外波段反射率也下降，并呈現(xiàn)紅邊位移態(tài)勢；黑松感病后期出現(xiàn)典型癥狀時，相關(guān)數(shù)值明顯下降，甚至消失，整個反射光譜曲線較平緩。健康黑松在720 nm 處的一階導(dǎo)數(shù)值比感病黑松的一階導(dǎo)數(shù)值大。相對于葉綠素吸收比比值指數(shù)，一階導(dǎo)數(shù)能更好地提取感病黑松信息。

本研究存在一些待解決問題，一是通過遙感影像無法區(qū)分病死原因；二是部分感病致死的黑松多株相連，導(dǎo)致感病樹木個數(shù)統(tǒng)計錯誤；三是由于陰影的存在導(dǎo)致圖像不連片，提取感病黑松株數(shù)精度降低。下一步可結(jié)合地面采樣和適合的分辨率影像數(shù)據(jù)來提高感病黑松數(shù)量提取精度。