無人機(jī)+高光譜 探求森林病蟲害遙感監(jiān)測新轉(zhuǎn)機(jī)

申佩佩 邵月中

松材線蟲?。˙ursaphelenchus xylophilus）又稱松樹枯萎病，是全球森林生態(tài)系統(tǒng)中最具危害性的病害之一。對于松材線蟲病的預(yù)防、監(jiān)測和除治一直是中國林業(yè)生態(tài)監(jiān)管工作的重中之重，松材線蟲也被列在“重要（檢疫性）有害生物”中森林病害的首位。

松樹是浙江省造林先鋒樹種，其規(guī)模幾乎占到全省森林總面積的“半壁江山”。多年來，浙江省對松材線蟲病科學(xué)防治、有效監(jiān)測的相關(guān)研究始終未曾懈怠，到2021年，這場曠日持久的“松林保衛(wèi)戰(zhàn)”轉(zhuǎn)眼已持續(xù)了30年。2019年，寧波市測繪和遙感技術(shù)研究院聯(lián)合市森防站成立了一支科研團(tuán)隊，針對當(dāng)前松材線蟲病監(jiān)測工作中遇到的監(jiān)測數(shù)據(jù)源單一、監(jiān)測手段人工依賴性強(qiáng)等亟須解決的要點難點問題集中開展了技術(shù)攻關(guān)，“天空地協(xié)同的松材線蟲病疫情遙感監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究”項目應(yīng)運而生。

“天空地”一體化協(xié)同監(jiān)測

該項目充分利用寧波市測繪遙感院CW-10無人機(jī)和Cubert-S185成像高光譜傳感器等基礎(chǔ)設(shè)施裝備，創(chuàng)新性地引入高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于松材線蟲病致死樹識別和監(jiān)測工作，實現(xiàn)了高空間分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、低空無人機(jī)高光譜遙感數(shù)據(jù)、地面遙感采樣數(shù)據(jù)和實地踏勘核實數(shù)據(jù)等多源多平臺數(shù)據(jù)的綜合利用和有效融合。

地。地面遙感采樣數(shù)據(jù)和實地踏勘核實數(shù)據(jù)是研究的重要基底和驗證數(shù)據(jù)。項目實施期間，項目組成員抽樣采集了研究區(qū)發(fā)病枯死松樹的準(zhǔn)確空間位置和實測光譜數(shù)據(jù)，并將采集的地面數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗整理，形成松材線蟲病致死樹光譜樣本，為系統(tǒng)性研究寧波市松材線蟲病致死樹高光譜遙感圖譜特征提供數(shù)據(jù)支撐。

空。低空無人機(jī)高光譜遙感數(shù)據(jù)，具有空間分辨率高（≤0.15米）、光譜分辨率高（≤4納米）的優(yōu)勢，在項目關(guān)注的重點發(fā)病區(qū)采集了1.5萬畝高光譜遙感影像數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，提出并建立了松材線蟲病致死樹的光譜特征指數(shù)，實現(xiàn)了基于無人機(jī)高光譜遙感成像技術(shù)的松材線蟲病致死樹智能化、精細(xì)化提取，提取準(zhǔn)確率優(yōu)于90%。

天。航天衛(wèi)星遙感為大空間范圍、高頻高效時空監(jiān)測提供了有效技術(shù)手段。利用無人機(jī)高光譜遙感提取的精細(xì)監(jiān)測成果作為衛(wèi)星遙感監(jiān)測的“海量”訓(xùn)練數(shù)據(jù)，基于樣本遷移算法實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)間的相互利用和優(yōu)勢互補(bǔ)，采用隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)了宏觀監(jiān)測尺度上的松材線蟲病致死樹高效化空間分布信息提取。

科技成果轉(zhuǎn)化落地

2020年，該項目正式申請立項為首批浙江省自然資源廳科技項目，團(tuán)隊重點攻克了面向林業(yè)無人機(jī)高光譜遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理、針對松材線蟲病致死樹的高光譜信息提取和多源遙感監(jiān)測手段融合應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)難點，形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的科技成果，并于2021年11月1日順利通過了省自然資源廳在杭州組織的項目驗收。

項目形成的天空地一體化松材線蟲病疫情遙感監(jiān)測技術(shù)方案順利在實際工作中實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)化，目前已應(yīng)用于寧波市林業(yè)局森林病蟲害防治站2020年和2021年松材線蟲病疫情監(jiān)測及疫木處置評估等工作中，為摸清寧波森林病蟲害疫情底數(shù)，提高監(jiān)測效率和科學(xué)化管理水平提供遙感技術(shù)支撐。

在下一步研究和工作中，團(tuán)隊將進(jìn)一步提高項目技術(shù)效力。一是要進(jìn)一步擴(kuò)充監(jiān)測數(shù)據(jù)源，通過合理利用超高空間分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，將有望實現(xiàn)大范圍疫木精準(zhǔn)到株的監(jiān)測和統(tǒng)計;二是要進(jìn)一步優(yōu)化提取算法，形成較大體量的樣本作為先驗知識庫，有助于后續(xù)開展基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)的松材線蟲病致死樹信息提取與監(jiān)測研究，從算法層面進(jìn)一步提升識別自動化程度和提取準(zhǔn)確率;三是要進(jìn)一步拓展應(yīng)用場景，結(jié)合實際需求，開展大范圍長時序的松材線蟲病疫情遙感監(jiān)測，形成病疫分布和擴(kuò)張的監(jiān)測時空大數(shù)據(jù)，進(jìn)而對蟲害發(fā)生頻率、嚴(yán)重程度等指標(biāo)開展監(jiān)測分析，為疫情防治、風(fēng)險排查和致死樹處理方案提供科學(xué)參考依據(jù)。