湖北松材線蟲病衛(wèi)星遙感監(jiān)管技術(shù)初探

戴 麗 周席華 羅治建 武紅敢 陳 亮

(1. 湖北省林業(yè)有害生物防治檢疫總站 武漢 430070；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所 北京 100091； 3.國家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術(shù)實驗室 北京 100091)

2021年全國松材線蟲病疫情發(fā)生面積和病死樹的數(shù)量自2013年以來首次實現(xiàn)“雙下降”，全國松材線蟲病疫情擴(kuò)散速度減緩，防控成效初步顯現(xiàn)。近年來高分辨率商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展為松材線蟲病的監(jiān)測提供了新的數(shù)據(jù)保障，相對于傳統(tǒng)觀測方法，衛(wèi)星遙感在森林病蟲害調(diào)查方面有著諸多優(yōu)點(diǎn)：獲取信息快，更新周期短；受地面條件限制少，節(jié)約人工成本；探測范圍大等[1]。此外，能夠增強(qiáng)人們在宏觀尺度獲取動態(tài)、即時數(shù)據(jù)的能力，為松材線蟲病監(jiān)測提供了重要的數(shù)據(jù)支撐[2]。近十年，不少專家學(xué)者通過各種高分辨率的遙感衛(wèi)星影像技術(shù)，獲得了不少研究成果，Takenaka 等[3]利用帶有紅邊波段的WorldView-2/3影像計算了18種植被指數(shù)，提取不同感病程度的疫木總體精度分別達(dá)到72%和98%。黃芳芳等[4]利用原始波段反射率和RVI、NDVI和DVI三種光譜指數(shù)對湖北省宜昌市松材線蟲病發(fā)生情況進(jìn)行監(jiān)測，平均精度在76%以上。馬云強(qiáng)等[5]利用融合后0.8 m的北京2號衛(wèi)星影像計算RGI指數(shù)提取了馬尾松林地中的松材線蟲病疫木區(qū)域，總體精度達(dá)到90.65%。Huang 等[6]基于高分影像構(gòu)建松材線蟲病樣本數(shù)據(jù)集，利用松材線蟲病發(fā)病區(qū)深度學(xué)習(xí)技術(shù)，可以實現(xiàn)松材線蟲病感病區(qū)域的準(zhǔn)確識別。Zhang等[7]利用基于雙時相變化檢測對影像進(jìn)行了時空特征增強(qiáng)，排除了區(qū)域內(nèi)變色落葉樹的干擾，對比單時相機(jī)器學(xué)習(xí)分類方法顯著降低了疫木的錯檢率。毛亦楊等[8]基于多季相BJ-2、GF-2等數(shù)據(jù)，較高精度地提取了新豐江水庫周邊山林的枯死松樹，為邊遠(yuǎn)山區(qū)的松材線蟲病疫情宏觀監(jiān)測開展了有益探索。

為進(jìn)一步強(qiáng)化湖北省松材線蟲病疫情防控工作，構(gòu)筑疫情防控的監(jiān)測體系，可采用天空地協(xié)同監(jiān)測和調(diào)查，運(yùn)用衛(wèi)星遙感大范圍預(yù)警、無人機(jī)區(qū)域精準(zhǔn)監(jiān)測和地面人工核查(含取樣、檢測)等手段，極大提高疫情監(jiān)測及普查的效率。推廣從松樹亞健康生長狀態(tài)預(yù)警、疫情監(jiān)測到疫木除治的信息化技術(shù)應(yīng)用，打造以小班為單位的疫情精細(xì)化監(jiān)管平臺，及時準(zhǔn)確掌握疫情發(fā)生底數(shù)和動態(tài)變化，打好疫情防控攻堅戰(zhàn)，徹底遏制松材線蟲病疫情嚴(yán)重發(fā)生和擴(kuò)散蔓延的勢頭，是現(xiàn)階段維護(hù)森林生態(tài)安全的主要舉措。本研究簡要概述了亞米級高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及湖北省開展異常變色林木衛(wèi)星遙感年度監(jiān)測情況，提出了天空地一體化的松材線蟲病協(xié)同監(jiān)管技術(shù)，以期為省級林業(yè)森防部門開展松材線蟲病監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

1 亞米級高空間分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)及其應(yīng)用

1.1 亞米級光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)展概況

衛(wèi)星遙感的優(yōu)勢在于大范圍連續(xù)的空間覆蓋能力，而松材線蟲病疫木通常是離散分布，且監(jiān)測尺度為單株(簇)，因此衛(wèi)星影像的空間分辨率需要達(dá)到米級或亞米級。美國Space Imaging公司的IKONOS衛(wèi)星是首顆星下點(diǎn)分辨率優(yōu)于1 m的商業(yè)衛(wèi)星，它于1999年9月24日成功發(fā)射，可采集1 m分辨率全色和4 m分辨率多光譜影像，即全色和多光譜數(shù)據(jù)可融合成1 m分辨率的彩色影像，開啟了亞米級衛(wèi)星遙感的新時代。中國于2014年8月19日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征四號乙”運(yùn)載火箭發(fā)射GF-2衛(wèi)星，成功入軌并穩(wěn)定運(yùn)行至今，標(biāo)志著中國遙感衛(wèi)星也進(jìn)入亞米級“高空間分辨率時代”。自2014年民營資本進(jìn)入國內(nèi)商業(yè)航天領(lǐng)域以來，高景系列、北京系列、長光系列等數(shù)十顆0.5 m分辨率商業(yè)衛(wèi)星不斷發(fā)射，有效填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

1.2 單木尺度的衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

森林的最小個體是單木，單木監(jiān)測在古樹名木、城市綠化、松材線蟲病等領(lǐng)域中具有重要意義。從遙感數(shù)據(jù)識別地物目標(biāo)的能力來看，0.3～1.0 m的高空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)宜識別2.0～7.0 m的“點(diǎn)狀”地物。衛(wèi)星遙感應(yīng)用于單木尺度的監(jiān)測局限于失葉、失水、失色、死亡、消失(砍伐)等整體外部形態(tài)的變化，無法滿足枝條級局部變化的發(fā)現(xiàn)。因此，亞米級高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)在單木尺度的森林資源精準(zhǔn)監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。

科研學(xué)者利用多種光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，取得了較為實用的成果，喬睿等[9]采用World View-2多光譜數(shù)據(jù),基于二次型分類器,實現(xiàn)了“紅葉松樹”的識別或提取。楊雪峰等[10]利用0.5 m的融合WorldView-2衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，提取了塔里木河下游胡楊林單木樹冠、樹高等信息，為實際生產(chǎn)提供了重要基礎(chǔ)信息。郭昱杉等[11]基于QuickBird數(shù)據(jù)，采用標(biāo)記分水嶺分割算法較好地提取了不同郁閉地林分的樹冠。沈利強(qiáng)等[12]綜合面向?qū)ο蠓椒ê退姆治黾夹g(shù)，提出了一種新的單株林木信息提取方法，并成功運(yùn)用Pleiades衛(wèi)星數(shù)據(jù)實現(xiàn)了單株木的識別，極大減小了工作量。董新宇[13]使用局部最大值法和標(biāo)記控制分水嶺分割算法，基于WorldView-3圖像分別進(jìn)行了單株油松林木的識別與樹冠提取，均取得了很好的結(jié)果。鄧世晴[14]基于RGNDI(紅綠歸一化植被指數(shù))，利用GF-2和ZY-3國產(chǎn)數(shù)據(jù)，區(qū)分了福建晉江紫帽山松材線蟲病疫情程度。徐培林等[15]綜合應(yīng)用GF-2、BJ-2和Geoeye-1數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了四川省大面積染病木的識別和研判，科學(xué)有效地分析了各區(qū)縣的感染情況，為后續(xù)的無人機(jī)精細(xì)化遙感監(jiān)測和疫情詳查提供了科學(xué)支撐與依據(jù)。這些研究充分表明亞米級高空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具備單木尺度的要素提取和變化信息的監(jiān)測能力。

2 湖北異常變色(亞健康)林木的衛(wèi)星遙感年度監(jiān)測

2.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

自2019年以來，湖北省利用GF-2、GF-7、北京二號、長光系列等國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，實施春秋兩季(春季5～7月，秋季9～10月)松材線蟲病疫情監(jiān)測，以便快速掌握重點(diǎn)疫區(qū)、疫點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)異常變色林木分布及變化情況，為松材線蟲病疫情的發(fā)現(xiàn)、疫木除治效果監(jiān)管提供了數(shù)據(jù)支撐，可有效督促指導(dǎo)全省各地松材線蟲病疫情防控工作。

影像處理方面采用并行化的衛(wèi)星遙感處理軟件，以每季滿足時相要求的0.8 m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，使用湖北全省優(yōu)于1 m的高精度衛(wèi)星影像作為平面控制資料，對每季覆蓋監(jiān)測區(qū)的遙感影像進(jìn)行正射校正、融合等預(yù)處理，加工形成空間定位精度小于10 m且色彩清晰的遙感影像成果。

2.2 異常變色林木提取結(jié)果及分析

采用人機(jī)交互結(jié)合方式提取異常變色林木，既能保證信息提取的質(zhì)量，又能提高作業(yè)效率，減輕人工工作量。首先構(gòu)建異常變色林木解譯標(biāo)志，根據(jù)解譯標(biāo)志及遙感影像建立信息提取知識庫；其次在分析解譯標(biāo)志特征后，選擇相應(yīng)的算法對衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行自動識別；接著內(nèi)業(yè)人員根據(jù)經(jīng)驗和輔助資料等對自動提取的成果進(jìn)行人工核查與編輯，以確保成果的準(zhǔn)確性；最后再結(jié)合外業(yè)核查結(jié)果進(jìn)行最終更正。

2.3 年度監(jiān)測結(jié)果的應(yīng)用

目前，湖北省共累計使用657景亞米級高分辨率衛(wèi)星開展松材線蟲病變色立木遙感監(jiān)測，其結(jié)果多次為湖北省春季除治情況核實核查、秋季普查監(jiān)測、日常災(zāi)情監(jiān)測、指導(dǎo)核查問責(zé)等工作提供支撐服務(wù)，2019～2021年湖北省松材線蟲病枯死樹明顯減少。

表1 2019～2021年衛(wèi)星遙感監(jiān)測結(jié)果匯總表

2.3.1 松林小班異常變色林木的監(jiān)測

結(jié)合天、地不同監(jiān)測方式的優(yōu)勢和特點(diǎn)，通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)可及時發(fā)現(xiàn)異常變色或枯死林木(圖1)，并下發(fā)衛(wèi)星遙感監(jiān)測異常點(diǎn)位至各市、縣，有效指導(dǎo)了現(xiàn)有基層森防單位開展疫情地面核實和排查，及時發(fā)現(xiàn)并報告疫情，形成優(yōu)勢互補(bǔ)、全面準(zhǔn)確的立體監(jiān)測體系，實現(xiàn)疫情的早發(fā)現(xiàn)、早除治，有效控制疫情的傳播蔓延。

圖1 異常變色林木影像圖

2.3.2 疫木除治清理工作的評估

疫木除治清理工作是減少松材線蟲病傳染源的重要基礎(chǔ)。湖北省松材線蟲病疫木除治清理工作任務(wù)繁重，為了有效督導(dǎo)各地開展疫木除治清理工作，通過上年度秋季和本年度春季的兩期衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果的對比分析，可發(fā)現(xiàn)疫木除治清理工作的盲點(diǎn)和死角，對疫木除治清理工作實施科學(xué)評價(圖2)。

圖2 疫木除治效果影像圖

3 湖北松材線蟲病的省市縣協(xié)同監(jiān)管

3.1 夯實各級政府的管理職責(zé)

《森林法》《森林病蟲害防治條例》《植物檢疫條例》《湖北省林業(yè)有害生物防治條例》《黨政領(lǐng)導(dǎo)干部生態(tài)環(huán)境損害責(zé)任追究辦法(試行)》《松材線蟲病生態(tài)災(zāi)害督辦追責(zé)辦法》等有關(guān)法律法規(guī)中明確指出松材線蟲病疫情防控實行地方各級政府負(fù)責(zé)制，縣級以上地方各級林業(yè)主管部門負(fù)責(zé)本行政區(qū)域松材線蟲病的監(jiān)測預(yù)警、檢疫檢驗和防治督察以及相關(guān)技術(shù)服務(wù)、業(yè)務(wù)培訓(xùn)等。為此，湖北省各級林業(yè)主管部門都制定了切實可行的監(jiān)測普查和取樣、檢測技術(shù)規(guī)程，現(xiàn)階段異常變色林木監(jiān)測是松材線蟲病疫情普查的前奏，更是災(zāi)前預(yù)警的唯一“指征”。因此，加強(qiáng)省、市級林業(yè)主管部門的預(yù)警能力建設(shè)至關(guān)重要，要充分保障“全覆蓋”、“準(zhǔn)實時”、“高準(zhǔn)確度”的紅葉松樹高效率識別，為疫情檢測和精準(zhǔn)防治提供科學(xué)支撐與時間保障，而高空間分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)則是滿足該需求的重要技術(shù)手段之一。

3.2 省、市級異常變色林木的遙感監(jiān)測技術(shù)

根據(jù)近三年的衛(wèi)星監(jiān)測應(yīng)用實踐，采用國產(chǎn)分辨率優(yōu)于1 m的GF-2和GF-7衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展松材線蟲病異常變色林木的遙感監(jiān)測，基本可以滿足樹冠直徑5 m以上大樹(或樹叢)樹冠失色(變紅)的識別，但對于染病初、中期的局部癥狀(黃葉或橙葉)靈敏度有限。本研究總結(jié)歸納了服務(wù)于省市級松材線蟲病預(yù)警服務(wù)的異常變色林木衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)流程(圖3)。衛(wèi)星遙感具有覆蓋大、周期性的特點(diǎn)，更適宜于省市級森防主管部門組織開展宏觀監(jiān)管與評估。雖然衛(wèi)星遙感技術(shù)仍然面臨難以全覆蓋(云及陰影覆蓋區(qū)無法監(jiān)測)、數(shù)據(jù)時相難以保障(無有效監(jiān)測數(shù)據(jù))、監(jiān)測精度有待提高(中幼齡林無法監(jiān)測、干擾信息眾多)等技術(shù)難題，但其客觀、宏觀、科學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢毋庸置疑，將會是中國松材線蟲病疫情預(yù)警的重要技術(shù)手段，是省市級森防機(jī)構(gòu)實施監(jiān)管和技術(shù)指導(dǎo)的重要保障之一。

圖3 省、市級異常變色立木衛(wèi)星遙感預(yù)警監(jiān)測技術(shù)流程

3.3 區(qū)縣級松材線蟲病疫情防控技術(shù)

衛(wèi)星遙感宏觀預(yù)警監(jiān)測是當(dāng)下大范圍發(fā)現(xiàn)疫情線索的最佳手段之一，其監(jiān)測結(jié)果必須依靠基層(縣級)森防單位利用無人機(jī)遙感或地面人工調(diào)查等技術(shù)手段把異常變色林木這種定性信息細(xì)化成疫木數(shù)量等定量信息，才能為松材線蟲病防治提供科學(xué)保障。優(yōu)于10 cm 的無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)基本可以滿足變色松樹的識別，實現(xiàn)死樹株數(shù)的初步統(tǒng)計。與地面核查相結(jié)合的無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)是區(qū)縣級森防部門獲取枯死松樹位置、計算枯死樹數(shù)量、掌握局地枯死樹分布的有效手段，也是作為核定松樹枯死木清除工程量、申報除治項目經(jīng)費(fèi)預(yù)算、檢查枯死木清除任務(wù)完成情況的重要手段，以期實現(xiàn)疫情早發(fā)現(xiàn)、早報告、早除治，及時控制疫情的傳播蔓延(圖4)。

圖4 區(qū)縣級松材線蟲病疫情防控技術(shù)流程

松材線蟲病枯死松樹的高效、及時和全覆蓋監(jiān)測是松材線蟲病疫情防控的基礎(chǔ)，只有將航天、航空和地面遙感技術(shù)與傳統(tǒng)地面監(jiān)測手段進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，揚(yáng)長避短，形成天空地協(xié)同的立體監(jiān)測技術(shù)手段，逐步建立起具有準(zhǔn)確防治數(shù)據(jù)支持的監(jiān)管技術(shù)體系，才能全面掌握松材線蟲病發(fā)生現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，真正實現(xiàn)科學(xué)的綜合防控，徹底扭轉(zhuǎn)松材線蟲病防治能力與生態(tài)文明建設(shè)不相適應(yīng)的被動局面[16]。

4 結(jié)語

2019年以來，湖北省通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測為松材線蟲病疫情春季除治情況核實核查和秋季普查等工作提供了支撐服務(wù)，并逐步建立了一套以衛(wèi)星遙感廣域普查、無人機(jī)區(qū)域詳查、人工地面核查3種方式結(jié)合互補(bǔ)的松材線蟲病天空地立體監(jiān)測監(jiān)管模式。目前，衛(wèi)星遙感監(jiān)測已成為全省松材線蟲病新疫情發(fā)現(xiàn)、疫情核查、應(yīng)急監(jiān)測、防治督導(dǎo)的重要手段之一，為人工地面調(diào)查的傳統(tǒng)模式提供補(bǔ)充，成為獲取疫情信息、開展督導(dǎo)監(jiān)管的重要途徑。

松材線蟲病作為外來有害生物入侵中國已40年，給森林生態(tài)系統(tǒng)帶來災(zāi)難性損失，快速動態(tài)精準(zhǔn)監(jiān)測和科學(xué)除治是遏制其擴(kuò)散蔓延的重要保障。遙感、導(dǎo)航等空間信息技術(shù)是時空動態(tài)信息獲取的重要手段，因此，在松材線蟲病疫情綜合治理過程中，需要充分挖掘和應(yīng)用遙感技術(shù)，繼續(xù)探索和完善高新技術(shù)應(yīng)用并賦能省級預(yù)警和監(jiān)管，全面服務(wù)于松材線蟲病疫情防控。