無人機(jī)遙感技術(shù)在松材線蟲病治理中的應(yīng)用

王云堂

重慶森豐林業(yè)科技有限公司，重慶 400050

0 引言

無人機(jī)遙感技術(shù)是一種依托無人駕駛飛行器，具有自動(dòng)化、智能化等特征，能夠精準(zhǔn)獲得空間遙感信息，并完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模、分析的技術(shù)［1］。現(xiàn)階段，無人機(jī)遙感技術(shù)以機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮了重要作用。例如，無人機(jī)遙感技術(shù)可以在宏觀上觀測(cè)災(zāi)區(qū)的災(zāi)情，并能詳細(xì)分析災(zāi)情影響下的空氣、土壤、植被和水質(zhì)變化情況，為相關(guān)工作人員開展應(yīng)急救災(zāi)、災(zāi)情評(píng)估、災(zāi)后治理等工作提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。實(shí)時(shí)快速跟蹤和監(jiān)測(cè)突發(fā)環(huán)境污染事件的進(jìn)展，是無人機(jī)遙感技術(shù)在應(yīng)對(duì)突發(fā)事件中的又一重要貢獻(xiàn)。根據(jù)其第一時(shí)間回傳的地勢(shì)特點(diǎn)、污染情況、受災(zāi)范圍與程度等詳細(xì)數(shù)據(jù)，工作人員可第一時(shí)間制訂科學(xué)的治理方案，最大限度減少污染對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全或?qū)Νh(huán)境造成的損害［2］。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員已將無人機(jī)遙感技術(shù)列為熱點(diǎn)課題，促使其從研究開發(fā)階段進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

松材線蟲病是具有毀滅性的森林病害，將無人機(jī)遙感技術(shù)深度、有效地應(yīng)用于松材線蟲病治理實(shí)踐，能夠有效提升治理實(shí)效，對(duì)充分發(fā)揮森林綜合價(jià)值具有積極作用。據(jù)此，筆者分析了松材線蟲病特征，闡述了無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取流程，并以重慶市為例進(jìn)行案例分析，旨在提升無人機(jī)遙感技術(shù)在松材線蟲病疫木治理中的應(yīng)用深度與有效性。

1 松材線蟲病概述

松材線蟲病又名松樹萎蔫病，是全球森林生態(tài)系統(tǒng)中最具毀滅性的病害之一，被稱為“松樹的癌癥”，其易侵染的森林植物已被我國(guó)相關(guān)部門列為重點(diǎn)檢疫對(duì)象。該病害在我國(guó)的傳播以昆蟲——松褐天牛為主要媒介，其傳播嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境和自然景觀，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失［3］。松樹一旦感染該病，40 d 左右就可死亡，3～5 a 整片松林都會(huì)死亡。松樹感染松材線蟲病后，葉片呈黃褐色，病情嚴(yán)重時(shí)葉片呈紅褐色，直至葉片枯萎死亡［4］。松材線蟲的發(fā)病條件較一般的植物病害復(fù)雜，其發(fā)生和流行要求有感病的寄主植物、病原松材線蟲和合適的發(fā)病環(huán)境，但松材線蟲要靠媒介昆蟲的傳播才有可能侵染進(jìn)入寄主植物。隨著感染程度的不斷加深，松樹針葉內(nèi)部會(huì)發(fā)生明顯的變化，其組織結(jié)構(gòu)、水分含量、葉綠素含量等均會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)在松材線蟲病治理中的應(yīng)用原理

松材線蟲病防控的4 個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)為病害檢疫、疫情監(jiān)測(cè)、疫木除治和媒介昆蟲防治。在防治松材線蟲病的過程中，僅憑人力往往無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。具備宏觀、快速、動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)的無人機(jī)遙感技術(shù)成為防治松材線蟲病的最佳輔助技術(shù)之一。在松樹病蟲害防治中，無人機(jī)遙感技術(shù)可以通過圖像信息的采集，全面收集松樹葉片的變化信息，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和分類整理，最終對(duì)染病的馬尾松葉和黑松葉的含水量、葉綠素含量、胡蘿卜素含量進(jìn)行科學(xué)對(duì)比［5］。

工作人員對(duì)感病的松針的反射光譜進(jìn)行測(cè)量（測(cè)量?jī)x器為ASD 光譜儀）后可發(fā)現(xiàn)，感染后的松針在近紅外、中紅外波段處與健康松針存在明顯區(qū)別：通過詳細(xì)觀察不同階段光譜變化，發(fā)現(xiàn)松針感染程度加重時(shí)，光譜紅線位置藍(lán)移，相對(duì)應(yīng)的綠峰反射高度不斷降低［6］。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用

3.1 無人機(jī)遙感圖像采集流程

無人機(jī)傳感器在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)快速獲取高分辨率影像方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，反應(yīng)快速、機(jī)動(dòng)靈活、便于搬運(yùn)、勘測(cè)準(zhǔn)確等是目前選擇無人機(jī)傳感器考慮的主要因素，如高分辨率CCD 數(shù)碼相機(jī)、多光譜成像儀、激光掃描儀等遙感傳感系統(tǒng)［7］。工作人員要根據(jù)不同的圖像采集需求，在無人機(jī)上安裝相對(duì)應(yīng)的儀器。為保證高質(zhì)量飛行，工作人員要依據(jù)不同任務(wù)，根據(jù)飛行區(qū)域的地理位置、地形特點(diǎn)、溫度、光照、濕度等數(shù)據(jù)信息，通過控制系統(tǒng)設(shè)定飛行高度、速度、線路，把握任務(wù)完成進(jìn)度。同時(shí)，工作人員應(yīng)進(jìn)一步確定遙感器的信息采集方式和速度，以保證任務(wù)完成質(zhì)量［6］。無人機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)人員提前規(guī)定好的飛行路線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行信息存儲(chǔ)。無人機(jī)獲得數(shù)據(jù)后，工作人員可通過地面控制系統(tǒng)，將各項(xiàng)參數(shù)信息傳輸?shù)较到y(tǒng)中。遙感傳感器執(zhí)行收錄所拍攝的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)任務(wù)后，依托無線傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂品窒到y(tǒng)，等待后續(xù)的整理分析。

3.2 多光譜無人機(jī)遙感圖像識(shí)別技術(shù)

隨著多光譜儀器小型化和應(yīng)用算法等研究的不斷深入，無人機(jī)載多光譜遙感技術(shù)較好地解決了人工踏勘效率低、可見光影像數(shù)據(jù)量大、衛(wèi)星遙感分辨率低的問題，是當(dāng)前較為理想的中小面積松材線蟲病情監(jiān)測(cè)手段?？梢姽膺b感一般有紅、綠、藍(lán)3 個(gè)波段［7］。多光譜照相機(jī)是在普通航空照相機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展演變而來的。多光譜照相是在可見光的基礎(chǔ)上向紅外光和紫外光兩個(gè)方向擴(kuò)展，并通過各種濾光片或分光器與多種感光膠片的組合，使其同時(shí)分別接收同一目標(biāo)在不同窄光譜帶上輻射或反射的信息，即可得到不同光譜帶的照片。

在無人機(jī)實(shí)際使用中，工作人員可搭配多光譜影像儀等傳感器，對(duì)影像信息進(jìn)行收集和整理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理和量化分析。同時(shí)，工作人員通過無人機(jī)遙感圖像技術(shù)的應(yīng)用，可以獲取連續(xù)的光譜信息，并對(duì)光譜信息進(jìn)行特征分析，判斷出目標(biāo)物的實(shí)際情況。無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)，兩者相互結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以實(shí)現(xiàn)采集連續(xù)光譜信息的目標(biāo)，從而對(duì)大面積松林進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

4 無人機(jī)遙感技術(shù)在松材線蟲病疫木治理中應(yīng)用的實(shí)例分析

4.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市。重慶市位于中國(guó)西南部、長(zhǎng)江上游地區(qū)，地跨北緯28°10′～32°13′、東經(jīng)105°11′～110°11′，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，降水多集中在5—9 月，降水較豐富，大部分地區(qū)降水量在1 000～1 350 mm。松樹是重慶市的主要成林樹種之一。多年來，重慶市通過實(shí)施綜合治理工程，對(duì)疫點(diǎn)區(qū)域松褐天牛進(jìn)行誘捕，并定期收集進(jìn)行無害化處理，疫情總體得到控制，但是疫情防控仍需加強(qiáng)。因此，在松材線蟲病疫木治理中應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)具有可實(shí)踐性。試驗(yàn)樣地內(nèi)有林地面積為7 033.54 hm2，其中松林總面積為2 340.00 hm2。

4.2 無人機(jī)裝備

無人機(jī)遙感信息采集設(shè)備的具體信息，如表1所示。

表1 試驗(yàn)應(yīng)用的無人機(jī)遙感信息采集設(shè)備信息

除上述信息外，DJI M300 型無人機(jī)能夠適配可見光相機(jī)、多光譜相機(jī)等不同類型的云臺(tái)相機(jī)［8］。飛行器系統(tǒng)內(nèi)置RTK 模塊，可以進(jìn)一步提高定位精度。在作業(yè)過程中，無人機(jī)可以自動(dòng)實(shí)時(shí)切換至最佳信道，復(fù)雜環(huán)境下可以有效抵抗干擾。它利用AES-256 圖傳加密技術(shù)，可以保障數(shù)據(jù)傳輸安全，支持LTE 備份鏈路，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4.3 拍攝環(huán)境背景及實(shí)施情況

無人機(jī)航攝時(shí)間為2022 年12 月5 日，飛行時(shí)段為09:00—13:30；氣溫8～15 ℃，多云，東北風(fēng)2 級(jí)，無持續(xù)風(fēng)向，空氣質(zhì)量良好。由于飛行區(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，工作人員設(shè)定航攝高度為210 m，航速7.2 m/s，航向重疊度85%以上，旁向重疊度75%以上。

4.4 無人機(jī)航拍影像預(yù)處理

獲取航拍圖像信息之后，工作人員搭配使用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)行預(yù)處理［9］。預(yù)處理的首要任務(wù)是校正遙感圖像采集過程中產(chǎn)生的畸變，將單幅瓦片圖像置于同一投影面上，以消除圖像之間的偏差，確保不受拼接效果的影響。

4.5 無人機(jī)航拍影像綜合分析

工作人員通過Yusense Map+進(jìn)行無人機(jī)航拍影像分析，通過光譜特性分類監(jiān)督無人機(jī)所攝影像。工作人員將航拍影像與早前經(jīng)典松林線蟲病病死樹案例進(jìn)行對(duì)比分析，而后利用軟件定位系統(tǒng)刪減漏點(diǎn)，以保證結(jié)果的精準(zhǔn)度。

4.6 無人機(jī)遙感影像處理技術(shù)與監(jiān)測(cè)高精度的實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證松林線蟲病病死樹監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度，工作人員把病死樹的坐標(biāo)信息輸入Yusense Map+軟件，利用人工輔助核驗(yàn)的方法對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4.7 結(jié)果與分析

4.7.1 航攝數(shù)據(jù)采集及拼接

此次航拍采集了研究區(qū)555、660、720 nm 共3 個(gè)波段的多光譜圖像［10］，經(jīng)過核驗(yàn)、拼接、配準(zhǔn)等處理，獲得了研究區(qū)的全景正射圖像和植被指數(shù)圖像，研究面積為182.50 hm2。放大分析正射圖像信息，地面精度達(dá)19.7 cm，肉眼可視情況下能夠分辨出典型的病死松樹。

4.7.2 航攝影像解譯結(jié)果

工作人員利用Yusense Map+軟件對(duì)松材線蟲病病死樹進(jìn)行識(shí)別，并結(jié)合目測(cè)校正，共識(shí)別出病死松樹30 株，病死樹冠幅總面積約124.75 m2，并且采集到了所有病死樹的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。為確保無人機(jī)航拍的正確率，筆者進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)踏勘查驗(yàn)，通過將航拍的矢量點(diǎn)導(dǎo)入奧維地圖進(jìn)行導(dǎo)航。此次查驗(yàn)共抽樣踏勘10處變色立木點(diǎn)位，其中9 處提取準(zhǔn)確，整體精度達(dá)90%。

4.7.3 識(shí)別核驗(yàn)結(jié)果

將此次研究的30 株病死樹GPS 坐標(biāo)導(dǎo)入軟件，工作人員通過坐標(biāo)找到對(duì)應(yīng)病死樹，確保系統(tǒng)監(jiān)測(cè)距離和人工坐標(biāo)的距離相同，準(zhǔn)確找到航拍識(shí)別地點(diǎn)。工作人員通過現(xiàn)場(chǎng)核查，確認(rèn)有26 株為死亡松樹（見表2），即識(shí)別出了大量病死樹木，說明無人機(jī)遙感技術(shù)可以應(yīng)用于林業(yè)病蟲疫情監(jiān)測(cè)。針對(duì)識(shí)別錯(cuò)誤部分，現(xiàn)場(chǎng)踏勘的林區(qū)工作人員反映，提取錯(cuò)誤的病樹均出現(xiàn)了針葉枯黃、掉落的現(xiàn)象，這與松材線蟲病疫木出現(xiàn)針葉紅褐色且不脫針的表征一致，也是導(dǎo)致無人機(jī)監(jiān)測(cè)航拍識(shí)別錯(cuò)誤的主要原因。

表2 基于無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)的病死樹識(shí)別統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論與討論

無人機(jī)遙感技術(shù)可以應(yīng)用于松材線蟲病治理工作，尤其是針對(duì)地勢(shì)復(fù)雜、樹木茂盛的林區(qū)，能充分彰顯無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)［10］。應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)有助于林區(qū)工作人員快速確定疫木分布情況極大地方便了對(duì)病死樹的取樣和除治，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，使監(jiān)測(cè)區(qū)域擴(kuò)大到人力所不能達(dá)的范圍，大大提高了監(jiān)測(cè)工作效率。此外，應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)可為研究和預(yù)警松材線蟲病提供更多數(shù)據(jù)支撐，幫助研究人員總結(jié)更多的病蟲害發(fā)展規(guī)律，有利于后續(xù)更好地開展松材線蟲病監(jiān)測(cè)、預(yù)警、防控等工作［11］。相關(guān)工作人員應(yīng)全面了解分析松林線蟲病的發(fā)生現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，為無人機(jī)監(jiān)測(cè)提供保障，從而更好地將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于林業(yè)病蟲疫情治理工作，切實(shí)改善目前人工現(xiàn)場(chǎng)踏勘進(jìn)山難、監(jiān)測(cè)效率低且不準(zhǔn)確的行業(yè)現(xiàn)狀，提高工作效率。