基于遙感技術(shù)的林區(qū)病蟲害監(jiān)測(cè)方法

姜相基

（古浪縣綠化工作指導(dǎo)站，甘肅 古浪 733100）

森林病蟲害屬于生物滅害范疇，其危害具有一定的普遍性。病蟲害是構(gòu)成生態(tài)環(huán)境的一個(gè)組成部分，因此開展林業(yè)建設(shè)就會(huì)導(dǎo)致害蟲的發(fā)生，這是不可抵抗的因素之一，也是制約北方林業(yè)發(fā)展和建設(shè)以及生態(tài)環(huán)境改善的一個(gè)重要因素[1]。森林病蟲害的發(fā)生具有廣泛性、規(guī)律性和傳播速度快的特點(diǎn)，目前森林病蟲害的發(fā)生比較嚴(yán)重，其主要原因是對(duì)森林病蟲害的監(jiān)測(cè)和控制不夠到位，需要加強(qiáng)森林病蟲害的防治和監(jiān)測(cè)工作，在森林病蟲害發(fā)生的第一時(shí)間采取有針對(duì)性的防治措施，最大限度地減少其造成的危害，發(fā)揮防治效果，促進(jìn)森林經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

為實(shí)現(xiàn)森林病蟲害的有效防治，科學(xué)監(jiān)測(cè)是首要條件。目前國內(nèi)外在森林病蟲害監(jiān)測(cè)方面的研究成果主要有基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的測(cè)報(bào)方法、基于小波分析的測(cè)報(bào)方法和基于物聯(lián)網(wǎng)的測(cè)報(bào)方法。但由于監(jiān)測(cè)范圍小，精度不高，因此引入了遙感技術(shù)進(jìn)行分析。遙感技術(shù)是一種從人造衛(wèi)星、飛機(jī)或其他飛行器上采集地物目標(biāo)電磁輻射信息，識(shí)別地球環(huán)境和資源的技術(shù)，以提高森林病蟲害遙感監(jiān)測(cè)的范圍和精度為目的。

1 林區(qū)病蟲害監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 劃分林區(qū)病蟲害程度等級(jí)

太陽電磁波通過大氣到達(dá)地球表面時(shí)，地球的表面特征反射和吸收電磁波。隨著入射光波長的不同，地物的反射率也不同。因此，地物光譜特性是指不同地物反射和發(fā)射的電磁波能量隨波長的變化而變化以及數(shù)量和質(zhì)量變化的特性。

生長正常的植被都有規(guī)律的光譜反射曲線，即0.52～0.6 μm 的綠光區(qū)有1個(gè)小的反射峰，約0.48 μm 的藍(lán)光和約0.68μm 的紅光各有1個(gè)吸收帶，近紅外區(qū)的反射率在0.75～1.3 μm 急劇上升，形成了鮮明的反射峰，也叫綠色植物的近紅外陡坡效應(yīng)。圖1 顯示了健康植物的反射光譜曲線。

圖1 健康植物反射光譜曲線

在該地區(qū)病蟲害猖獗時(shí)，當(dāng)森林植物葉水分和葉綠素含量降低，反射率明顯降低。近紅外反射率的降低是病蟲害的前兆，也是利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)[2]。通過對(duì)林區(qū)葉綠素的光譜范圍劃分林區(qū)病蟲害程度等級(jí)。

1.2 設(shè)置林區(qū)病蟲害監(jiān)測(cè)指標(biāo)

以植被指數(shù)綠度和植被比率指數(shù)作為病蟲害監(jiān)測(cè)指標(biāo)。植被綠度指數(shù)代表林區(qū)植被的綠色成分，它是每個(gè)波段輻射值的加權(quán)和。輻射是大氣輻射、太陽輻射和環(huán)境輻射的綜合結(jié)果。指數(shù)可以通過顏色和反射率來計(jì)算。植被比指數(shù)是綠色植物的敏感指標(biāo)參數(shù)，是監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)森林病蟲害的有效參數(shù)。它與葉片干生物量和葉綠素含量高度相關(guān)，可用于植物生物量的檢測(cè)和估算[3]。綠色健康植被覆蓋率遠(yuǎn)大于1，非植被覆蓋率約為1。植被覆蓋率較高時(shí)，該指數(shù)對(duì)植被非常敏感；當(dāng)植被覆蓋度小于50%時(shí)，敏感性顯著降低。植被指數(shù)比值計(jì)算公式如下：

式中，R是紅色波段，NIR是近紅外波段，參數(shù)ρNIR和ρR分別表示了近紅外波段和紅光波段的反射光譜值，公式（1）計(jì)算得出的結(jié)果即為比值植被指數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1.3 遙感數(shù)據(jù)的獲取與處理

獲取ALOS 衛(wèi)星全色遙感立體測(cè)繪儀、可見光與近紅外輻射計(jì)、L-波段相控陣合成孔徑雷達(dá)3 種傳感設(shè)備在目標(biāo)林區(qū)位置獲取遙感圖像數(shù)據(jù)，ALOS 遙感圖像基本采集參數(shù)見表1。

表1 ALOS 遙感影像基本參數(shù)

全色圖像具有較高的空間分辨率，多光譜數(shù)據(jù)包括 4個(gè)波段，波段 1 為藍(lán)波段（0.42～0.50 μm），對(duì)水體滲透能力強(qiáng)，對(duì)葉綠素和葉色濃度敏感；波段2 為綠波段（0.52～0.60 μm），對(duì)茂盛的植物綠光反射敏感，在綠色植被高反射區(qū)內(nèi)可檢測(cè)植物綠色反射率，根據(jù)其反射值達(dá)到的大小可評(píng)估植物的生命能力，并區(qū)分不同的林型和林種；波段3 為紅波段（0.61～0.69 μm），可檢測(cè)植物的種類、生長力、病蟲害等，并對(duì)植物種類、生長力、病蟲害等變化最為敏感[4]。

通過對(duì)傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)的調(diào)取得出林區(qū)對(duì)應(yīng)的遙感影像，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行幾何校正處理，具體的處理過程如下：

式中，x和y是要校正的原始圖像的像素坐標(biāo)，u和V是校正圖像上相同對(duì)象的像素坐標(biāo)。fx（u，v）和fy（u，v）為校正函數(shù)，n 為多項(xiàng)式的階數(shù)，而aij和bij對(duì)應(yīng)的是校正系數(shù)。

1.4 提取林區(qū)遙感影像特征

基于遙感圖像，可以方便地從色彩和紋理等方面實(shí)現(xiàn)森林地區(qū)遙感圖像的特征提取[5]。在RGB 色彩空間環(huán)境中，當(dāng)三基色按不同比例相加時(shí)，空間中任意一種顏色都能產(chǎn)生，即任意一種色光都可以表示為：

式中，[R]、[G]和[B]分別表示的是紅、綠和藍(lán)顏色分量，而r、g和b為分量系數(shù)。3 種顏色分量最大時(shí)F為白光；3 種顏色分量最大時(shí)F為黑光；通過對(duì)遙感圖像中各圖像像素點(diǎn)的解析解算，得到量化的遙感色彩特征提取結(jié)果。采用基于統(tǒng)計(jì)方法的灰度共生矩陣對(duì)圖像進(jìn)行紋理提取和分析。矩陣提供圖像元素和整個(gè)圖像之間以及圖像元素和圖像元素之間的空間關(guān)系pi（jd,θ）表示圖像的紋理。計(jì)算方法是計(jì)算 0°、45°、90°、135°任意 2個(gè)灰度在 4個(gè)方向上相鄰出現(xiàn)的概率矩陣稱為灰度共生矩陣。然后對(duì)矩陣進(jìn)行歸一化和對(duì)稱化，得到灰度聯(lián)合矩陣，得到4個(gè)方向的灰度值之間的空間共生特征就作為紋理的度量[6]。利用灰度共生矩陣可以得到多個(gè)從側(cè)面描述影像紋理特征的紋理量，即為遙感影像的紋理特征提取結(jié)果。

1.5 實(shí)現(xiàn)林區(qū)病蟲害遙感監(jiān)測(cè)

提取實(shí)時(shí)采集的林區(qū)遙感影像特征，并與設(shè)置的病蟲害程度等級(jí)進(jìn)行比對(duì)，通過監(jiān)測(cè)指標(biāo)區(qū)間的對(duì)應(yīng)，判斷當(dāng)前林區(qū)是否存在病蟲害，并輸出包含林區(qū)病蟲害等級(jí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2 監(jiān)測(cè)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

2.1 監(jiān)測(cè)運(yùn)行平臺(tái)與參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行平臺(tái)為 Ubuntu16.04 微機(jī)、Intel Corei7-3770CPU@3.40GHz、8 位 英 特 爾 處 理 器 、NVIDIA GeForceGTX 1080 TiGPU，并使用Tensor-Flow 作為森林病蟲害監(jiān)測(cè)的框架系統(tǒng)。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中需要遙感影像作為數(shù)據(jù)支持，所以需要將遙感影像數(shù)據(jù)庫安裝到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，并在數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測(cè)平臺(tái)之間建立連接。

2.2 研究區(qū)概況

以位于松材線蟲病重疫區(qū)～24.91°N、118.47°～118.53°E 的一塊林地為調(diào)查對(duì)象。該地區(qū)總面積為4.25 km2，最高海拔高度為517.8 m。其中，松林面積16 km2，占現(xiàn)有森林資源總量的26.15%；森林管理中心于2019年秋季和2020年春季對(duì)林區(qū)進(jìn)行松材線蟲病及受害木普查，選定林區(qū)作為重點(diǎn)調(diào)查地區(qū)，疫情較重。蟲病在該地區(qū)因寄主植物和寄主昆蟲的存在及舒適的生存環(huán)境而暴發(fā)流行。

2.3 準(zhǔn)備林區(qū)數(shù)據(jù)集

準(zhǔn)備的林區(qū)數(shù)據(jù)集主要為監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)林區(qū)不同位置上的遙感圖像，其中某一時(shí)刻林區(qū)的遙感采集圖像如圖2 所示。

圖2 林區(qū)遙感圖像示意圖

2.4 描述實(shí)驗(yàn)的過程

為了形成實(shí)驗(yàn)對(duì)比，除了設(shè)計(jì)了基于遙感技術(shù)的森林有害生物監(jiān)測(cè)方法外，還建立了傳統(tǒng)的有害生物監(jiān)測(cè)方法和文獻(xiàn)[5]提出的方法的基于隨機(jī)森林和決策樹的病蟲害監(jiān)測(cè)方法作為實(shí)驗(yàn)的2 種對(duì)比方法。在實(shí)際的監(jiān)測(cè)方法運(yùn)行過程中，設(shè)計(jì)方法可以調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的遙感圖像數(shù)據(jù)，而2種對(duì)比方法則無法對(duì)遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。另外，設(shè)置監(jiān)測(cè)方法的性能指標(biāo)為監(jiān)測(cè)范圍和監(jiān)測(cè)精度，其中監(jiān)測(cè)范圍可以通過計(jì)算監(jiān)測(cè)畫面對(duì)應(yīng)的林區(qū)面積得出，而監(jiān)測(cè)精度主要從監(jiān)測(cè)畫面的清晰度和病蟲害監(jiān)測(cè)結(jié)果的正確性2個(gè)方面得出。通過對(duì)遙感圖像的分析可以確定不同時(shí)刻林區(qū)的病蟲害狀態(tài)和等級(jí)，并以此作為性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 監(jiān)測(cè)性能測(cè)試結(jié)果分析

通過對(duì)不同時(shí)刻林區(qū)病蟲害監(jiān)測(cè)得到了監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)范圍的測(cè)試結(jié)果，如表2 所示。

表2 監(jiān)測(cè)性能試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

從病蟲害等級(jí)的角度來看，3 種監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)相同，但傳統(tǒng)方法和文獻(xiàn)[5]提出方法的平均畫面清晰度分別為780 dpi 和900 dpi，而設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方法的平均清晰度為1 180 dpi，由此可見設(shè)計(jì)方法的監(jiān)測(cè)精度更高。另外，相比于2 種對(duì)比方法，設(shè)計(jì)方法的平均檢測(cè)面積更加接近林區(qū)的總面積，即監(jiān)測(cè)范圍更大。

3 結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過遙感技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提升林區(qū)病蟲害監(jiān)測(cè)的精度和范圍，對(duì)林區(qū)安全發(fā)展具有重要意義。然而由于遙感技術(shù)需要采集和存儲(chǔ)大量的圖像信息，因此占用的運(yùn)行空間較大，可能會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)時(shí)延長等問題，在未來的研究中需要進(jìn)一步優(yōu)化。