無(wú)人機(jī)多光譜遙感技術(shù)在松材線蟲(chóng)病疫區(qū)疑似疫木普查監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

許銳，劉洪劍*

（1.黃山市林業(yè)科學(xué)研究所，安徽 黃山 245000；2.安徽省林業(yè)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031）

松材線蟲(chóng)病是由松材線蟲(chóng)引起的一種森林病害，自1982 年在我國(guó)首次被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，不斷蔓延擴(kuò)散，具有傳播速度快、致病力高、適應(yīng)能力強(qiáng)、存活率高等特點(diǎn)，引起大量松樹(shù)枯死，不僅嚴(yán)重影響我國(guó)林業(yè)生態(tài)環(huán)境，而且造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。目前，松材線蟲(chóng)病在北美洲的加拿大、墨西哥和美國(guó)，亞洲的中國(guó)、日本和韓國(guó)，歐洲的葡萄牙和西班牙都有發(fā)生[2]。松材線蟲(chóng)病主要表現(xiàn)為分泌的酶破壞松樹(shù)薄壁細(xì)胞膜，致使松樹(shù)干枯死亡[3]。該病害主要傳播途徑為自然傳播（媒介昆蟲(chóng)為松褐天牛）和人為傳播。松材線蟲(chóng)通過(guò)媒介昆蟲(chóng)松褐天牛取食造成的傷口侵染健康松樹(shù)，從而在樹(shù)體內(nèi)大量繁殖，對(duì)松樹(shù)正常生理活動(dòng)造成影響。因光合作用減弱，松針逐漸呈黃色或紅褐色，最終使松樹(shù)干枯而死[4]。我國(guó)自1982 年在南京中山陵發(fā)現(xiàn)松材線蟲(chóng)病以來(lái)，松材線蟲(chóng)病擴(kuò)展迅速。根據(jù)國(guó)家林業(yè)和草原局公告，松材線蟲(chóng)病疫區(qū)包括遼寧、安徽、江蘇、浙江、廣西等16 個(gè)省（市、區(qū)）。在安徽省，松材線蟲(chóng)疫區(qū)涉及巢湖市、肥東縣、肥西縣、廬江縣等49 個(gè)縣（市、區(qū)）。

當(dāng)前，松材線蟲(chóng)病防治手段主要有物理防治、化學(xué)防治和生物防治。物理防治主要包括疫木清理、掛設(shè)誘捕器等；化學(xué)防治是指利用化學(xué)藥物防治松褐天牛、控制媒介昆蟲(chóng)的傳播；生物防治是指利用白僵菌來(lái)防治天牛成蟲(chóng)或幼蟲(chóng)。我國(guó)現(xiàn)行的治理方法多是以清理枯立木滅殺樹(shù)體內(nèi)線蟲(chóng)并阻斷媒介昆蟲(chóng)傳播，輔以打孔注藥來(lái)防治松材線蟲(chóng)病[5-7]。在處理枯立木過(guò)程中，進(jìn)行枯立木數(shù)量普查，即如何精確定位枯死木、準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)枯立木數(shù)量是其中重要的環(huán)節(jié)之一。只有全面、準(zhǔn)確地掌握枯立木的位置和數(shù)量，才能徹底清理枯立木，達(dá)到有效防治松材線蟲(chóng)病的目的。

疑似疫木早期普查方法為人工實(shí)地踏查。人們通過(guò)望遠(yuǎn)鏡等工具進(jìn)行疑似疫木觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)果。隨著科技的發(fā)展，航空航天遙感圖像被運(yùn)用于國(guó)內(nèi)外森林病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)[8]，但是高空衛(wèi)星受光譜分辨率、空間分辨率和外界天氣等因素影響，監(jiān)測(cè)松材線蟲(chóng)病的效果并不理想[9]。隨著近年來(lái)無(wú)人機(jī)飛控技術(shù)和多光譜技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)載多光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用趨于成熟[10]。宋勇[11]運(yùn)用無(wú)人機(jī)多光譜遙感技術(shù)對(duì)棉花黃萎病進(jìn)行識(shí)別以及產(chǎn)量估算。褚東花等[12]通過(guò)試驗(yàn)證明，利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)和雙光譜相機(jī)獲取遙感圖像，可提高松材線蟲(chóng)病受害木的識(shí)別效果，具有費(fèi)用低、效率高等優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載多光譜傳感器監(jiān)測(cè)疫區(qū)，探究不同月份疑似疫木呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合人工實(shí)地踏查結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，為多光譜遙感技術(shù)在松材線蟲(chóng)病疫區(qū)疑似疫木的普查監(jiān)測(cè)工作提供參考。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在安徽省黃山市焦村鎮(zhèn)。該鎮(zhèn)地處黃山區(qū)西南部，東與湯口鎮(zhèn)及耿城鎮(zhèn)為鄰，南與湯口鎮(zhèn)、黟縣宏村鎮(zhèn)、宏潭鄉(xiāng)交界，西接烏石鄉(xiāng)，北連太平湖鎮(zhèn)、甘棠鎮(zhèn)；中心位置坐標(biāo)為118°03′55.53″E，30°11′23.32″N ，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候；植被以馬尾松為主，病蟲(chóng)害以馬尾松毛蟲(chóng)和松材線蟲(chóng)病為主。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

第1 次無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)為復(fù)合翼垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)WZ-180，翼展2.16 m，最大續(xù)航時(shí)間為90 min，最大起飛重量8 kg，巡航速度18 m/s；第2次、第3 次的無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)為四軸多旋翼無(wú)人機(jī)M210，最大起飛重量6 140 g，搭配雙云臺(tái)，最大續(xù)航時(shí)間27 min，懸停精度為垂直±0.5 m，水平±1.5 m。3 次多光譜遙感監(jiān)測(cè)試驗(yàn)都搭載了長(zhǎng)光禹辰的MS600 多光譜相機(jī)。

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)林地面積約89.50 hm2，海拔151～223 m，涉及焦村鎮(zhèn)11 個(gè)小班。多光譜遙感監(jiān)測(cè)時(shí)間分別是在2021 年的9 月10 日、10 月10 日、11 月10日，人工實(shí)地踏查時(shí)間分別是在2021 年的9 月12日、10 月12 日、11 月12 日。共進(jìn)行了3 次多光譜遙感監(jiān)測(cè)、3 次人工實(shí)地踏查。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 前期準(zhǔn)備

根據(jù)飛行試驗(yàn)要求劃定飛行區(qū)域小班?；诹謭?chǎng)小班作業(yè)范圍及坐標(biāo)，并依據(jù)飛行時(shí)間段內(nèi)天氣情況和作業(yè)需求，擬定飛行時(shí)間段，提前向空管部門(mén)提交空域申請(qǐng)材料。此次飛行區(qū)域總面積較大，為保證起伏地形下的數(shù)據(jù)拼接兼容性，按每個(gè)測(cè)區(qū)的最大高差不大于航飛真高30%的要求規(guī)劃。設(shè)計(jì)飛行高度320 m，多光譜DOM地表分辨率約20 cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，以此來(lái)保證影像重疊度要求，提高數(shù)據(jù)采集效率，繪制無(wú)人機(jī)飛行軌跡。根據(jù)繪制的無(wú)人機(jī)飛行軌跡實(shí)地勘察地形條件，就近選擇一片平坦地面作為起飛點(diǎn)。另外，對(duì)劃定區(qū)域小班進(jìn)行人工實(shí)地踏查，作為對(duì)照數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

使用Yusense Map+航空遙感預(yù)處理軟件對(duì)原始多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、拼接、輻射定標(biāo)，得到該小班區(qū)域的反射率影像。得到多光譜反射率影像后，導(dǎo)入至行業(yè)應(yīng)用軟件Yusense Map+，得到松材線蟲(chóng)病疫木航空多光譜曲線。該軟件中的枯死樹(shù)木識(shí)別與定位模塊可自動(dòng)識(shí)別疑似疫木，自動(dòng)對(duì)試驗(yàn)地區(qū)枯死松木進(jìn)行提取統(tǒng)計(jì)，獲取所有疑似疫木的位置信息，通過(guò)光譜曲線識(shí)別不同發(fā)病狀態(tài)下樹(shù)的光譜。

根據(jù)多光譜遙感監(jiān)測(cè)得到的疑似疫木位置信息，進(jìn)行人工實(shí)地踏查，統(tǒng)計(jì)所在小班疑似疫木的數(shù)量，核驗(yàn)多光譜監(jiān)測(cè)的結(jié)果的準(zhǔn)確程度，計(jì)算核實(shí)率（核實(shí)率是人工踏查數(shù)量占多光譜遙感監(jiān)測(cè)數(shù)量比率）

3 結(jié)果與分析

試驗(yàn)選取450、555、660、720、750、840 nm 6 個(gè)波段，通過(guò)Yusense Map+軟件觀察在不同波長(zhǎng)下的光譜反射率，結(jié)果表明，450、555、720、750、840 nm波段下健康松木光譜反射率與輕度病疫木、嚴(yán)重病疫木或病死木差異不顯著（p＞0.05），很難通過(guò)光譜反射率判斷病死木與健康樹(shù)；660 nm 波段下，健康樹(shù)與輕度病疫木、嚴(yán)重病疫木以及病死木之間差異顯著（p≤0.05），見(jiàn)表1。因此，選用Yusense Map+軟件660 nm 波段下進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表1 松材線蟲(chóng)病疫木不同波段下航空多光譜反射率

經(jīng)過(guò)Yusense Map 的預(yù)處理和Yusense Map+軟件的疑似疫木提取后，得到了3 次試驗(yàn)的疑似疫木位置信息。其中第1 次監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)有14 株疑似疫木，第2 次監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)43 株疑似疫木，第3 次監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)60 株疑似疫木，具有一定的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。

根據(jù)多光譜遙感監(jiān)測(cè)得到的疑似疫木位置信息，再進(jìn)行人工實(shí)地踏查，統(tǒng)計(jì)所在小班疑似疫木的數(shù)量，核驗(yàn)多光譜監(jiān)測(cè)的結(jié)果的準(zhǔn)確程度，見(jiàn)表2。

由表2 可知，第1 次踏查發(fā)現(xiàn)13 株疑似疫木，第2 次踏查發(fā)現(xiàn)35 株疑似疫木，第3 次踏查發(fā)現(xiàn)48 株疑似疫木。將上述數(shù)據(jù)與多光譜遙感監(jiān)測(cè)對(duì)比可知，該區(qū)域9～11 月3 次核實(shí)率分別為92.9%、81.4%、80.0%，均在80%以上。

表2 疑似疫木小班調(diào)查統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與討論

（1）目前傳統(tǒng)人工實(shí)地踏查普遍存在效率低、核實(shí)率低、投入成本高、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、視野盲區(qū)較大等缺點(diǎn)。利用多光譜遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)林區(qū)枯死木分布情況，具有效率高、覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)較為精確等優(yōu)勢(shì)，尤其是在進(jìn)行疑似疫木的普查監(jiān)測(cè)中能有效補(bǔ)充傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式的不足，提高監(jiān)測(cè)效率，縮短監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)，獲得全面準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為后期疫木的伐除提供支持。

（2）在9 月、10 月、11 月的多光譜數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，疑似疫木的數(shù)量差別較大，從最初的14 株，增加到43 株、60 株。這說(shuō)明枯死木的數(shù)量是處于動(dòng)態(tài)變化中的，會(huì)隨著時(shí)間的推移有所增加。原因可能是在監(jiān)測(cè)的早期部分松木還未表現(xiàn)出枯萎的癥狀，隨著時(shí)間的推移，樹(shù)木逐漸衰弱最終枯黃死亡。

（3）通過(guò)Yusense Map+軟件，可知在660 nm 波段下，健康樹(shù)與不同程度的發(fā)病疫木之間光譜反射率差異顯著（p≤0.05），識(shí)別更準(zhǔn)確。故得出結(jié)論，Yusense Map+軟件應(yīng)在660 nm 波段下進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（4）此次試驗(yàn)的3 次核實(shí)率均未達(dá)到100%，主要存在兩方面原因：一是多光譜遙感監(jiān)測(cè)提取疑似疫木是以“處”為單位，而非人工現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)的“株”，當(dāng)多于2 株以上、疑似疫木間距少于5 m 時(shí)，多光譜遙感監(jiān)測(cè)只能提取1 處，這種情況共有10 處，可通過(guò)人工踏查核驗(yàn)多光譜監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)漏統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象；二是進(jìn)入10 月、11 月，山林中的其他樹(shù)種如楓香等葉片開(kāi)始逐漸變黃，對(duì)多光譜遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)造成一定的誤導(dǎo)，這種情況共有5 處。為提高利用多光譜遙感技術(shù)對(duì)疑似疫木的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，需要從兩方面著手：一方面是進(jìn)一步優(yōu)化多光譜傳感器采集數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性，提高多光譜遙感數(shù)據(jù)的采集能力；另一方面是進(jìn)一步提高Yusense Map 軟件的數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確率，提高多光譜遙感數(shù)據(jù)的處理能力。

通過(guò)此次初步研究，表明利用多光譜遙感技術(shù)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域死亡松樹(shù)動(dòng)態(tài)變化，有利于松材線蟲(chóng)病的早發(fā)現(xiàn)、早防治，可有效防止松材線性蟲(chóng)病疫區(qū)范圍擴(kuò)大，降低損失，促進(jìn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展。