結(jié)合高分辨率寬幅面航空攝影的華山松枯死樹監(jiān)測

洪承昊， 徐國青， 彭壽連， 鄭成林， 張 維

(1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院， 湖北 武漢 430075； 2.神農(nóng)架林區(qū)林業(yè)科學(xué)研究所， 湖北 神農(nóng)架 442400；3.湖北同誠通用航空有限公司， 湖北 荊州 434000； 4.神農(nóng)架國家公園管理局， 湖北 神農(nóng)架 442421)

森林生態(tài)資源的保護(hù)是林業(yè)工作的首要任務(wù)，其中國家公園生態(tài)地位極其重要[1-2]。神農(nóng)架國家公園位于湖北西北部，林地占80%以上。神農(nóng)架國家公園分布有華山松(Pinusarmandii)2萬hm2，起著涵養(yǎng)水源、凈化空氣等重要作用[3-4]，然而近年來由于華山松大小蠹等病蟲害造成的華山松枯死狀況十分嚴(yán)峻[5-6]，受地勢和條件限制，人工調(diào)查不能實(shí)現(xiàn)全覆蓋[7]，而借助遙感衛(wèi)星影響又受到天氣、時(shí)相和精度等多方面的限制[8-9]，因此航空攝像是近年來逐漸被應(yīng)用的一項(xiàng)重要技術(shù)手段。航空攝像具有時(shí)效性高、分辨率高、人為可控性強(qiáng)和使用成本低等特點(diǎn)，逐漸被越來越多研究學(xué)者和管理部門采用進(jìn)行分析和風(fēng)險(xiǎn)評估[10-13]。國家公園是由國家批準(zhǔn)設(shè)立并主導(dǎo)管理的具有國家代表性的大面積自然生態(tài)保護(hù)區(qū)域，是我國生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。本次研究通過大面航拍監(jiān)測神農(nóng)架國家公園華山松病死樹情況，通過連續(xù)3年定點(diǎn)航拍，獲取精度不低于0.2 m的正射影像圖，結(jié)合外業(yè)人工調(diào)查，對判圖軟件進(jìn)行不斷修正，對圖像進(jìn)行判圖，對比航拍相片分析區(qū)內(nèi)華山松發(fā)育生長狀況，給管理部門提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

神農(nóng)架國家公園位于湖北省神農(nóng)架林區(qū)，地處湖北省西北部，為我國西南高山向東部低山丘陵過渡地帶，屬秦巴—大巴山脈的延伸，平均海拔1800m，神農(nóng)頂主峰高3106m，區(qū)內(nèi)小氣候特征顯著，生物多樣性豐富。2016年世界遺產(chǎn)委員會第40屆會議上，湖北神農(nóng)架正式列入《世界遺產(chǎn)名錄》[14]，被譽(yù)為“北緯31°的綠色奇跡”。

2 儀器設(shè)備與研究方法

2.1 儀器設(shè)備

空中力士P750飛機(jī)：屬固定翼有人機(jī)，由新西蘭太平洋航空航天公司制造。載重量為1905kg，升程6000m，標(biāo)準(zhǔn)巡航250km·h-1，P750優(yōu)點(diǎn)是起飛和著陸性能優(yōu)異，幾乎可以適應(yīng)任何類型的地形，起飛距離只需要 220 m，降落距離僅需 166 m，非常適宜通用航空的廣泛作業(yè)需求。

Leica DMC III 航攝儀：Leica DMCⅢ寬幅面航空攝影測量系統(tǒng)是針對航空應(yīng)用專門打造的全新CMOS 傳感器，單片傳感器能夠覆蓋的最大幅寬，旁向 25728 像素，航向 14 592 像素。

軟件系統(tǒng)套件：MisionPro和FlightPro飛行計(jì)劃軟件；GPS/IMU處理軟件；HxMAP Core套件，針對DMC III 航攝儀設(shè)備推出的提供工程管理、質(zhì)量檢查、輻射校正工具和分布式處理功能；Inpho攝影測量處理系統(tǒng)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和枯死木智能判圖系統(tǒng)。

2.2 研究方法

2.2.1 航拍飛行 2018—2020年，每年在8月—10月對國家公園2萬hm2華山松林地進(jìn)行航拍監(jiān)測，每年飛行架次不一；通過該航拍航攝儀可達(dá)到單片旁向 25728 像素，航向 14592 像素的要求，較其他相機(jī)提高25%。覆蓋監(jiān)測范圍均達(dá)到監(jiān)測區(qū)域要求(表1)。

表1 航拍飛行執(zhí)行情況Tab.1 The performance of flight execution 年份架次飛行高度/m飛行速度/(km·h-1)航拍面積/km2精度/m2018114 246≤2401 088≤0.2201944 246≤2401 088≤0.2202084 246≤2401 088≤0.2

2.2.2 數(shù)據(jù)處理 飛行結(jié)束后，將原始數(shù)據(jù)分4個(gè)不同波段儲存，分別為：Partion1-Blue&Nir、Partion2-Green&Red、Partion3-Pana和Partion4-Panb。通過差分解算得到照片三維坐標(biāo)和角元素值，再利用HxMap套件進(jìn)行檢校場數(shù)據(jù)，輸出原始影像和初始曝光文件。預(yù)處理完成后，選取3年相同的區(qū)域生成正射影像。

2.2.3 枯死樹判定 根據(jù)地面調(diào)查，將研究區(qū)華山松分為4種狀態(tài)，即健康、亞健康、新枯死和枯死華山松。判定標(biāo)準(zhǔn)圖見圖1。健康華山松表現(xiàn)為沒有受到病蟲害侵害，松針表現(xiàn)為綠色；亞健康華山松表現(xiàn)為已經(jīng)受到病蟲害侵入，松針表現(xiàn)為淺綠或淡黃色;新枯死華山松表現(xiàn)為紅色，結(jié)合地面調(diào)查該類型死亡1～2 a；枯死華山松表現(xiàn)為灰白色，樹葉掉光，基本只剩主干，死亡時(shí)間在2 a以上[5，15]。

注：A健康;B亞健康;C新枯死;D枯死多年

3 結(jié)果與分析

3.1 枯死樹總量

通過對神農(nóng)架國家公園2018—2020年監(jiān)測，結(jié)合人工地面采樣調(diào)查和智能判圖(表2)，顯示2018年新枯死華山松最少，僅為1 701株，而2019年突增到2 473株，2020年有所降低，為1912株，表明新枯死樹呈現(xiàn)波動(dòng)增多趨勢。

表2 三年間枯死華山松株數(shù)Tab.2 The number of dead Pinus armandii in the three years株航拍年份新枯死華山松枯死多年華山松2018年1 70120 2922019年2 47344 9502020年1 91254 217

經(jīng)過檢查和糾正后得出，2018—2020年，枯死多年的華山松呈增長趨勢。其中，2018年為20 292株，2019年為44 950株，2020年則達(dá)到54 217株。

3.2 枯死樹分布

從圖2可以看出，橫向比較3年間新枯死華山松(黑色點(diǎn))和枯死多年華山松(白色點(diǎn))基本都處在同一區(qū)域位置，甚至是相鄰株或斑塊，跳躍范圍較小，表明病蟲害等是沿著周圍植株逐漸傳播擴(kuò)散到鄰近植株，枯死植株呈條帶狀分布格局。

圖2 2018—2020年航拍監(jiān)測結(jié)果圖Fig.2 Monitoring images from 2018 to 2020

縱向比較3年間，新枯死華山松(黑色點(diǎn))和枯死多年華山松(白色點(diǎn))分布格局，枯死樹位置相對較為集中，分布區(qū)域大致相同，沒有明顯遠(yuǎn)距離擴(kuò)散或呈現(xiàn)明顯的新發(fā)點(diǎn)或面，但數(shù)量增加較為明顯，枯死的時(shí)間在縮短。擴(kuò)散范圍和區(qū)域不大，都在斑塊內(nèi)傳播擴(kuò)散或鄰近斑塊。

從圖3中可以看出，監(jiān)測結(jié)果顯示死亡華山松分布海拔相對較高，且都相對集中，感病華山松及枯死華山松基本上分布在海拔1 700 m以上，呈地帶性分布。

圖3 監(jiān)測區(qū)域數(shù)字高程枯死華山松結(jié)合圖(以2020年為例)Fig.3 Monitoring area of the dead Pinus armandii combined the DEM(take 2020 for example)

4 結(jié)論與討論

(1)航空航天拍攝是大范圍、精準(zhǔn)調(diào)查和實(shí)時(shí)調(diào)查的一項(xiàng)重要技術(shù)手段，越來越多地被應(yīng)用于生態(tài)學(xué)以及農(nóng)林病蟲害監(jiān)測、預(yù)測預(yù)報(bào)和災(zāi)害評估等研究領(lǐng)域[16-17]。以往研究主要集中在某固定小范圍[18-19]，或是已知區(qū)域，未有大面積的高精度監(jiān)測，本研究基于此，通過連續(xù)3年航拍監(jiān)測神農(nóng)架國家公園的華山松生長和病蟲害侵害情況，結(jié)果顯示國家公園內(nèi)華山松受到越來越多的病蟲害侵入導(dǎo)致死亡，且呈現(xiàn)逐年增大的趨勢，因此大面積的監(jiān)測將有助于區(qū)域性綜合治理。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)大部分死亡華山松均分布在海拔1 700 m以上區(qū)域，該區(qū)域也是自然生態(tài)環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，如造成大面積林木死亡，短時(shí)間內(nèi)將難以恢復(fù)，森林生態(tài)環(huán)境將遭到巨大破壞。相較于傳統(tǒng)的和小范圍點(diǎn)狀的調(diào)查方法，航拍更能真實(shí)直觀反映和估算實(shí)際情況，對生產(chǎn)實(shí)際更有指導(dǎo)意義，避免錯(cuò)漏，可節(jié)省不必要的浪費(fèi)。

(2)基于高分辨率的航拍技術(shù)將成為今后發(fā)展的一個(gè)重要方向，然而在實(shí)際操作運(yùn)用過程中也會面臨一些問題。例如監(jiān)測范圍小、天氣和小環(huán)境是影響拍攝的重要因素，在8月-10月監(jiān)測華山松最為理想，然而該期間易受到云層、降雨等多方面的影響較大。林業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，將會是現(xiàn)代化治理的重要技術(shù)基礎(chǔ)，然而數(shù)據(jù)的獲取和區(qū)分、林種類別劃分、喬灌木林的區(qū)別、蓄積量和生長量的獲取都還存在較大的技術(shù)難題，都還需要更為精準(zhǔn)的識別[20-21]。其次在后期數(shù)據(jù)處理方面還較為復(fù)雜，例如如何剔除噪聲影響、校正大氣和地物反射的影響還需要做很多研究。