成像光譜遙感在森林病蟲害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

文 明 郭吉朋 金錢榮

（云南森林自然中心，云南 昆明 650224）

病蟲害是林業(yè)生產(chǎn)的天敵，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因病蟲害導(dǎo)致的林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失超過50億元人民幣，而隨著林業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的不斷豐富，產(chǎn)值不斷增加，病蟲害所帶來的直接、間接經(jīng)濟(jì)損失將不可估量，因此，需要盡一切手段對(duì)森林病蟲害進(jìn)行防范，當(dāng)發(fā)生病蟲害時(shí)，則要做到第一時(shí)間處置，將影響控制到最低，這就需要準(zhǔn)確、及時(shí)的監(jiān)測(cè)手段。隨著相關(guān)學(xué)科技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，遙感技術(shù)在森林病蟲害監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮出越來越重要的作用。自20世紀(jì)中后期，遙感技術(shù)開始被應(yīng)用到森林病蟲害的監(jiān)測(cè)當(dāng)中，而隨著技術(shù)的突破，成像光譜遙感技術(shù)在森林病蟲害監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮出了非常重要的作用。

1.成像光譜遙感監(jiān)測(cè)森林病蟲害的原理

利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)森林病蟲害，其基本原理，是發(fā)生病蟲害的植株外觀會(huì)發(fā)生變化。部分病蟲害會(huì)導(dǎo)致植株落葉、枯萎，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致樹木的主干壞死，另一部分病蟲害，對(duì)植株造成的影響由內(nèi)而外，葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)率先會(huì)發(fā)生變化。還有一部分病蟲害會(huì)在葉面留下一定的殘留物、影響葉片的葉綠體含量等等。遙感技術(shù)能夠利用光譜反射成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)植株的監(jiān)控，并針對(duì)差異進(jìn)行報(bào)警。

成像光譜技術(shù)是近年來日趨成熟的新遙感技術(shù)，相比于上一代的多光譜遙感技術(shù)，成像光譜技術(shù)具有更多的波段及更高的光譜分辨率及空間分辨率。在實(shí)際的森林病蟲害監(jiān)測(cè)工作中，很多種類的病蟲害在初期可能只存在于個(gè)別植株，且產(chǎn)生的影響小，傳統(tǒng)的多光譜遙感技術(shù)對(duì)這類植株的細(xì)微變化掌控力度差，分類精度和反演精度低，導(dǎo)致比較依賴人工查驗(yàn)，不僅增加了人工的工作量，還可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)出現(xiàn)偏差，部分病蟲害因此沒有得到及時(shí)地處置，造成了更加嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

2.成像光譜遙感技術(shù)在森林病蟲害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 星載成像光譜儀

星載成像光譜儀即利用衛(wèi)星作為載體，實(shí)現(xiàn)大空間尺度森林病蟲害監(jiān)測(cè)。目前常見的應(yīng)用于星載的成像光譜儀，主要包括MODIS光譜儀以及Hyperion光譜儀，這兩種光譜儀皆為中分辨率成像光譜儀。

MODIS光譜儀有36個(gè)波段，空間分辨率能達(dá)到250米，衛(wèi)星搭載后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)固態(tài)地球、生物圈、海洋、大氣、地表環(huán)境等的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，因此，針對(duì)大面積的森林監(jiān)測(cè)具有較為不錯(cuò)的效果。MODIS光譜儀針對(duì)大面積的森林病蟲害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不過該種監(jiān)測(cè)模式由于空間尺度過大，對(duì)于細(xì)微處的病蟲害掌握和監(jiān)測(cè)效果不佳，應(yīng)用于受災(zāi)嚴(yán)重地區(qū)監(jiān)測(cè)則比較敏感，準(zhǔn)確度能顧達(dá)到85%以上。

Hyperion光譜儀則是世界上第一個(gè)應(yīng)用于民用衛(wèi)星的成像光譜儀，具有一定的時(shí)代意義，其空間分辨率最大可達(dá)30米，雖然在監(jiān)控范圍方面不如MODIS光譜儀，但是應(yīng)用在大面積的森林病蟲害監(jiān)測(cè)仍舊非常有效。一般來講，利用Hyperion光譜儀能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)大型監(jiān)控區(qū)域的森林病蟲害進(jìn)行監(jiān)控，并利用相關(guān)指數(shù)將病蟲害的嚴(yán)重程度進(jìn)行對(duì)比區(qū)分，便于統(tǒng)籌調(diào)配人力進(jìn)行病蟲害的處理，提高病蟲害的治理效果和效率。同時(shí)便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和分析，對(duì)于科研方面也會(huì)起到巨大的幫助。

2.2 機(jī)載成像光譜儀

機(jī)載成像光譜儀即利用飛機(jī)作為光譜儀的載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林病蟲害的監(jiān)控。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，從第一臺(tái)機(jī)載光譜儀問世至今，已經(jīng)過去了幾十年，在這數(shù)十年的發(fā)展過程中，機(jī)載光譜儀的監(jiān)測(cè)水平得到了極大程度的提升。通過調(diào)整飛行高度并匹配不同型號(hào)的機(jī)載成像光譜儀，其監(jiān)測(cè)空間分辨率能夠在1納米到10米之間自由切換，完全能夠適應(yīng)絕大多數(shù)的森林病蟲害監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景，分類精度超過70%，部分應(yīng)用場(chǎng)景中，分類精度能夠超過90%。

而隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，機(jī)載成像光譜儀的應(yīng)用被賦予了新的生命，這主要得益于無人機(jī)技術(shù)的大力發(fā)展。就現(xiàn)階段來講，由于無人機(jī)本身操作簡(jiǎn)單、飛行和使用成本低、不受航道限制、靈活自由等諸多優(yōu)點(diǎn)，在低飛行高度、小范圍森林病蟲害的監(jiān)測(cè)工作中，能夠準(zhǔn)確地探查病蟲害的發(fā)生位置及爆發(fā)程度，為森林病蟲害的防控提供了重要的依據(jù)，總體監(jiān)測(cè)精度超過80%，而隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷推進(jìn)，相信機(jī)載成像光譜儀也會(huì)成為森林病蟲害監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。

2.3 地面成像光譜儀

地面成像光譜儀是星載光譜儀及機(jī)載光譜儀的重要補(bǔ)充，尤其是隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，當(dāng)前的地面成像光譜儀已經(jīng)發(fā)展成為一種具備便攜能力的儀器，能夠充分應(yīng)對(duì)森林管理工作中較為復(fù)雜、惡劣的工作條件，實(shí)現(xiàn)單人操作，快速、準(zhǔn)確地了解森林制備的各種信息、雖然地面成像光譜儀的空間分辨率較小，不適用于大尺度區(qū)域森林病蟲害的監(jiān)測(cè)，但是其成像分辨率高，能夠精準(zhǔn)提取植被信息，做到植株的準(zhǔn)確識(shí)別和分類，植株的準(zhǔn)確生化反應(yīng)等，這不僅對(duì)于森林病蟲害的監(jiān)測(cè)具有重要意義，還對(duì)于林業(yè)管理、規(guī)劃、重點(diǎn)野生植物的保護(hù)及研究等具有重要意義。

但是，由于目前地面成像光譜儀受限于空間分辨率，雖然能夠精確了解植株的實(shí)際情況，但是不能進(jìn)行大面積監(jiān)測(cè)，而且依賴人工操作，相關(guān)工作人員的工作條件大、工作任務(wù)重、工作難度高，因此，目前地面成像光譜儀多被應(yīng)用于果園、草場(chǎng)、植物園、園林景觀等的病蟲害及長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)，在森林病蟲害的監(jiān)測(cè)工作中，目前一般是針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)病蟲害的周邊區(qū)域、發(fā)現(xiàn)零星病蟲害的區(qū)域等，從應(yīng)用的方便程度和整體的數(shù)據(jù)精度來看，地面成像光譜儀的應(yīng)用前景十分廣闊，在未來將會(huì)具有更多的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.4 室內(nèi)成像光譜儀

室內(nèi)成像光譜儀主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室對(duì)植株形態(tài)、結(jié)構(gòu)、特征的解析和觀測(cè)，具有精度高的特點(diǎn)，當(dāng)植株出現(xiàn)某種新型病蟲害時(shí)，將患病害植株移栽到實(shí)驗(yàn)室，利用室內(nèi)成像光譜儀進(jìn)行分析，能夠確定不同病害階段的植物特征，進(jìn)而便于對(duì)病蟲害進(jìn)行深入了解，其研究意義大于監(jiān)測(cè)意義，是當(dāng)前的成像光譜遙感技術(shù)中，精度最高的一種。

3.成像光譜遙感技術(shù)在森林病蟲害監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用方法

3.1 提取生化參數(shù)

在對(duì)森林病蟲害進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過程中，為了提高監(jiān)測(cè)的精度，應(yīng)該針對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行一定的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，來提取部分生化參數(shù)，作為該種植株特定病蟲害的重要監(jiān)測(cè)參考指標(biāo)。例如，感染松材線蟲病的馬尾松葉片葉綠素含量下降，而正常的葉綠素含量的馬尾松與葉綠素含量下降的患病馬尾松，在某一波段下特征存在顯著差異，這樣就可以通過設(shè)置特定的波段或者波段組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)馬尾松林的松材線蟲病實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控了。

3.2 提取光譜特征參數(shù)

植被光譜特征參數(shù)，是用來描述植被反射光譜成像的一個(gè)重要指標(biāo)，由于植被的不同生化反應(yīng)狀態(tài)，其反射的光譜特征也存在一定的差異，尋找健康植被和患病植被的各種光譜特征中差異較為顯著的光譜特征參數(shù)，便于對(duì)植被的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分和監(jiān)測(cè)。

常用的森林病蟲害監(jiān)測(cè)光譜特征正常，主要包括植被指數(shù)、紅邊指數(shù)以及歸一化植被指數(shù)。

植被指數(shù)是對(duì)地表植被生長(zhǎng)狀態(tài)的一種簡(jiǎn)單、有效的度量，不同植被的不同生長(zhǎng)狀態(tài)，其植被指數(shù)存在差異，因此利用成像光譜儀的成像特征參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)植被的分類和生長(zhǎng)狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。當(dāng)前被定義并廣泛應(yīng)用的植被指數(shù)有40種左右，想要針對(duì)某一植被的實(shí)際病蟲害情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還需要通過相關(guān)文獻(xiàn)以及大量的試驗(yàn)確認(rèn)多種植被指數(shù)的使用。

紅邊指數(shù)則一般是針對(duì)700-780納米波段光線來講，在該波段下，葉綠素處于強(qiáng)吸收紅光并散射近紅外光的過渡階段，因此在反射圖譜中形成類似邊界的紅光，被稱為紅邊，紅邊指數(shù)主要指的是紅邊的位置以及斜率，其中紅邊位置最為常用，通過對(duì)健康植被的紅邊位置進(jìn)行提取后，對(duì)比監(jiān)測(cè)對(duì)象的紅邊位置，若紅邊位置向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，則證明該植被的葉綠素含量較高，長(zhǎng)勢(shì)良好，這種現(xiàn)象被稱為‘紅移’，相反，當(dāng)植被出現(xiàn)病蟲害，葉綠素含量下降，葉片殘缺不全甚至枯萎，都會(huì)導(dǎo)致紅邊向短波方向移動(dòng)，被稱為‘藍(lán)移’。可見，利用紅邊指數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)植物可能出現(xiàn)問題，但是一般不能確認(rèn)是何種病蟲害導(dǎo)致，需要進(jìn)一步進(jìn)行監(jiān)測(cè)和觀察。

歸一化植物指數(shù)是近紅外通道和紅光通道反射率的差值與和值間的比值，該值主要應(yīng)用于對(duì)植被生長(zhǎng)的早期和中期的長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)控，借助紅藍(lán)通道與近紅外通道組合使用，能夠有效消除大氣對(duì)成像光譜技術(shù)的影響，對(duì)于星載成像光譜儀與高空機(jī)載成像光譜儀的應(yīng)用具有重要的價(jià)值。

3.3 建模反演

建模反演實(shí)際上是利用成像光譜技術(shù)獲取的光譜特征建立研究對(duì)象與光譜特征之間的模型函數(shù)關(guān)系，通過函數(shù)關(guān)系的建立，進(jìn)而推演出研究對(duì)象現(xiàn)階段的生長(zhǎng)狀態(tài)及空間分布情況，一般來講，建模反演的模型常用一元回歸模型，多元線性回歸模型或者非線性模型等。就當(dāng)前的建模反演技術(shù)，已經(jīng)能夠在較大的空間尺度下，分析某種植被的不同長(zhǎng)勢(shì)和分布情況，并且能夠根據(jù)模型推演出長(zhǎng)勢(shì)不良植被的原因，進(jìn)而精準(zhǔn)地了解病蟲害的發(fā)生情況。

4.成像光譜技術(shù)未來在森林病蟲害監(jiān)測(cè)工作中的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 不同尺度監(jiān)測(cè)手段的綜合應(yīng)用

如上文所言，星載成像光譜儀與高空機(jī)載成像光譜儀的空間分辨率高，監(jiān)測(cè)尺度大，但是精度不足，往往只能對(duì)較為嚴(yán)重的病蟲害災(zāi)情進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而低空無人機(jī)載成像光譜儀以及地面成像光譜儀空間分辨率較小，對(duì)于操作人員依賴性強(qiáng)，但是監(jiān)測(cè)的精度較高，能夠幫助監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行病蟲害的分類和定位。在未來，應(yīng)該將大尺度和小尺度的監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行結(jié)合，利用小尺度監(jiān)測(cè)模式收集到更加精確的光譜特征，再利用建模反演將小尺度光譜特征應(yīng)用到大尺度大面積的森林病蟲害監(jiān)測(cè)工作中去，實(shí)現(xiàn)二者的有機(jī)結(jié)合。

4.2 建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫

相關(guān)數(shù)據(jù)庫的建立是非常繁瑣復(fù)雜的，需要巨大的工作量作為支撐，但是該項(xiàng)工作絕對(duì)是利在千秋的具有劃時(shí)代意義的工作。就目前而言，不同的植被種類、面對(duì)不同的病蟲害，所表現(xiàn)的光譜特征存在一定的差異，在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，選取何種光譜特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)能夠具有較高的準(zhǔn)確度，一直是困擾相關(guān)工作人員的一個(gè)主要問題。目前的相關(guān)研究和數(shù)據(jù)的分享顯然不夠，研究的對(duì)象往往只針對(duì)幾種具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值和種植面積的品種，且對(duì)應(yīng)的病蟲害數(shù)據(jù)不全，不同研究的差異也較大，沒有信服力。

通過室內(nèi)成像光譜技術(shù)，將不同的植物受到不同病蟲害侵?jǐn)_的情況通過實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，找到健康植被與患病害植被之間的光譜特征差異點(diǎn)并進(jìn)行記錄，便于后來的工作人員快速準(zhǔn)確地進(jìn)行森林病蟲害的監(jiān)測(cè)工作，確保工作成果和效率。

4.3 智能化森林病蟲害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

智能化森林病蟲害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是建立在數(shù)據(jù)庫建設(shè)基礎(chǔ)之上的，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)鏈接相關(guān)數(shù)據(jù)庫，對(duì)成像光譜儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果直接進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的資料，進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)警并能夠給出合理的處置對(duì)策，這樣不僅僅能夠提高森林病蟲害監(jiān)測(cè)及病蟲害處置的效率，與此同時(shí)，還有助于降低相關(guān)崗位人才的門檻，解決當(dāng)前森林病蟲害防治和監(jiān)測(cè)相關(guān)人才缺口巨大的問題，一舉多得。

5.結(jié)束語

總而言之，對(duì)于林業(yè)生產(chǎn)來講，病蟲害的發(fā)生具有一定的隨機(jī)性、突發(fā)性，傳播速度快、對(duì)植被破壞驚人，一旦發(fā)生大規(guī)模的病蟲害，對(duì)于林業(yè)生產(chǎn)的打擊非常致命。雖然當(dāng)前我國(guó)在進(jìn)行林業(yè)生產(chǎn)時(shí)對(duì)病蟲害的防治手段多樣，但是不論是化學(xué)防治、物理防治還是生物防治，都難以實(shí)現(xiàn)完全避免病蟲害的發(fā)生，在這樣的情況下，精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)及快速地反應(yīng)就顯得尤為重要，而成像光譜技術(shù)能夠有效提升監(jiān)控的精確度，值得推廣使用。