多光譜無人機(jī)在林業(yè)有害生物監(jiān)測中的應(yīng)用探討

章武英，趙 強(qiáng)

（1.甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741020；2.甘肅省天水市麥積區(qū)林業(yè)和草原局，甘肅 天水 741020）

在傳統(tǒng)的林業(yè)有害生物防治模式中，主要是通過建立人工監(jiān)測點(diǎn)，并進(jìn)行定期地巡查。但是在2018年機(jī)構(gòu)改革之后，由于林地面積較大，且缺乏專業(yè)技術(shù)人員，這些因素加大林業(yè)有害生物防治機(jī)構(gòu)工作人員的工作量和工作難度，從而使監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確度大大下降。松材線蟲病是世界上全森林生態(tài)系統(tǒng)中最嚴(yán)重的病害之一，又叫作松樹的“癌癥”。我國19個(gè)?。▍^(qū)、市）731個(gè)縣級行政區(qū)發(fā)生疫情，面積超過180萬公頃，致死松樹數(shù)十億株，發(fā)生區(qū)域已突破年均溫10℃的理論生理環(huán)境，同時(shí)危害松樹種類和威脅我國松林資源的安全。松材線蟲病具有蔓延速度快、影響面積廣、治理窗口期有限等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約著松材線蟲病害的快速治理，低成本、高精度、高效率的監(jiān)管巡查方式是松林監(jiān)管的迫切需求。隨著無人機(jī)制造技術(shù)的迅速升級，加速無人機(jī)在森林有害生物防控工作中的推廣與應(yīng)用。在森林面積較大、分散度較高的情況下，當(dāng)樹木上出現(xiàn)有害生物時(shí)，如果僅依靠人工進(jìn)行防控，防控工作就會變得很困難。而使用無人機(jī)進(jìn)行藥物噴灑則會極大地提升林地工作效率，同時(shí)也能通過無人機(jī)每天巡邏，及時(shí)發(fā)現(xiàn)害蟲的同時(shí)防止害蟲的擴(kuò)散。

1 傳統(tǒng)林業(yè)有害生物調(diào)查與監(jiān)測方法分析

1.1 直接觀察法

選擇一定樹齡的單一樹種為研究對象，對其發(fā)生的危害程度、發(fā)生數(shù)量等進(jìn)行了直接觀測。在對生物群落進(jìn)行考察時(shí)，第一，對快速運(yùn)動(dòng)的大型昆蟲進(jìn)行了細(xì)致地觀察。第二，注意緩慢移動(dòng)的小昆蟲的狀態(tài)和物種。為了更好地認(rèn)識該地區(qū)的蟲害，應(yīng)在昆蟲形態(tài)和種類的基礎(chǔ)上，詳細(xì)地記載被測植物的生育階段，并詳細(xì)地記載被測植物的方位和位置，以便更好地認(rèn)識該地區(qū)的蟲害。

1.2 振落法

可以采用振落的方式，在植株的垂直投影區(qū)域內(nèi)，將一塊白色的樣品布放在地上，用手掌輕拍樹干，將害蟲落在白樣布上，最終對白樣布上的害蟲進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并記錄，但該調(diào)查方法不適合跳躍的昆蟲和飛行的昆蟲。

1.3 誘捕法

誘捕方法是采用一種行之有效的手段對害蟲進(jìn)行捕獲，并對所捕獲的害蟲進(jìn)行調(diào)查，這種方法費(fèi)用低廉、使用方便、專業(yè)度高、捕殺效率高等優(yōu)點(diǎn)，在森林病蟲害的監(jiān)控中，較為常用的是性激素誘殺和照明誘殺，并且收效十分顯著。所謂“光誘”，就是指在特定的光線下，對昆蟲進(jìn)行誘捕。大多數(shù)的昆蟲在達(dá)到成熟期后，可以將具有特殊氣味的痕量化學(xué)物質(zhì)釋放到身體外，從而吸引同類的不同種類的昆蟲前去交配。制成引誘物后，可以把引誘物放入特制的引誘物中，最終可計(jì)算出被捕獲害蟲的具體數(shù)量。

1.4 掃網(wǎng)法

掃網(wǎng)方法比較適用于對寄生在灌叢中的葉子下的蟲子進(jìn)行搜索，將網(wǎng)孔放入植株葉片之間，以S型橫掃，并進(jìn)行種群計(jì)數(shù)。

1.5 隨機(jī)抽樣法

對被調(diào)查的樣本進(jìn)行編號，按照順序進(jìn)行隨機(jī)抽樣調(diào)查，最終可以按照抽樣的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.6 順序抽樣法

根據(jù)樣方的總體尺寸，按次序進(jìn)行取樣，取樣方法有，棋盤取樣、平行取樣、五點(diǎn)取樣、對角線采樣等。隨機(jī)采樣法簡單、方便、節(jié)約時(shí)間，但不能準(zhǔn)確地計(jì)算出樣本間的差值。5點(diǎn)取樣規(guī)則，即根據(jù)某一種植物的數(shù)目、面積和長度，選擇5個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行取樣。棋盤采樣法更適合于密度較大的昆蟲和植株。對按常規(guī)營建、人工種植、蟲害分布均勻的樹種，采用平行采樣方法更為適宜。

2 無人機(jī)在林業(yè)有害生物監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢與意義

2.1 靈活和機(jī)動(dòng)性

無人機(jī)作業(yè)最大的特點(diǎn)就是靈活機(jī)動(dòng)，目前使用的無人機(jī)多為四旋翼無人機(jī)，這種無人機(jī)起降方便，不需要特殊的起飛裝備和場地。且無人機(jī)的速度很快，不僅可以在一片區(qū)域內(nèi)巡邏，還可以從空中俯瞰整片區(qū)域。目前可在無人機(jī)上安裝高清攝像設(shè)備，拍攝到清晰圖像，管理者就能準(zhǔn)確地分析出森林中的害蟲和害蟲的種類，從而提前做出應(yīng)對措施。才能確保樹木的健康生長。

2.2 可減少成本支出

傳統(tǒng)的林業(yè)防治工作主要依靠人工，當(dāng)林地面積大、分布分散時(shí)，僅靠人工巡查往往會耽誤很多時(shí)間。此外，人工觀測通常僅能觀測到樹的較低部分，不能有效地觀測到較高部分的葉片，具有一定的盲區(qū)。這種方法不但會耗費(fèi)大量人力，而且對森林害蟲的監(jiān)測也不夠全面。對林木害蟲的控制也會喪失先機(jī)。而無人機(jī)則可以做到這一點(diǎn)，而且還可以通過無人機(jī)來進(jìn)行農(nóng)藥的噴灑，加快防控的速度。

2.3 可實(shí)現(xiàn)查防一體化目標(biāo)

無人機(jī)可以選備的設(shè)備很多，包括攝像設(shè)備、數(shù)據(jù)和信息傳輸系統(tǒng)、農(nóng)藥噴灑設(shè)備等，這些設(shè)備都很齊全，使用起來也很方便，可以有效地減少天氣、地形和交通狀況等對森林病蟲害的不利影響，同時(shí)還能增強(qiáng)數(shù)據(jù)的完整性和圖像的清晰度。此外，若有攜帶噴霧裝置的無人駕駛飛機(jī)，在偵測到蟲情并確定后，可即時(shí)實(shí)施噴霧控制。

3 航空遙感監(jiān)測原理與方法

3.1 航空遙感監(jiān)測原理

松樹感染松材線蟲病之后，松樹的針葉內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、含水量以及葉綠素含量等都會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，典型癥狀就是葉片會轉(zhuǎn)變?yōu)辄S褐色，嚴(yán)重后轉(zhuǎn)變?yōu)榧t褐色，最后完全枯萎死亡。按照松樹的冠層表征特點(diǎn)，健康的為綠色、染病初期黃色或紅褐色、全部染病的為紅褐色、枯死為偏灰色。這一現(xiàn)象在遙感多光譜特征中的體現(xiàn)較為明顯。無人機(jī)多光譜遙感監(jiān)測技術(shù)就是運(yùn)用這個(gè)原理進(jìn)行松材線蟲疫木監(jiān)測，通過遙感圖像信息采集設(shè)備采集松樹針葉的變化信息，并對其進(jìn)行對應(yīng)分析和分類識別，進(jìn)而掌握松樹的健康狀況。

3.2 輔助資料收集

首先在“地理空間數(shù)據(jù)云”平臺下載研究區(qū)域所在的高分遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正、融合及鑲嵌等處理，獲取后續(xù)勘測、規(guī)劃及設(shè)計(jì)所用的基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)，其次還需要收集森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)、研究區(qū)域所在的行政區(qū)劃圖以及地形圖等相關(guān)資料。

3.3 飛行內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備

根據(jù)近15天的天氣預(yù)報(bào)安排飛行時(shí)間，確定一個(gè)工作時(shí)段，按照林場小班所在的工作范圍及坐標(biāo)，將需要的空域資料提前提交給航空管理部門。根據(jù)試飛要求，將小型試飛場進(jìn)行分區(qū)。為了確保在高低不平的地面上進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，所以在航程中，每一個(gè)航程的高差都要控制在30%以下。擬在400～600米的高空，基于相機(jī)參數(shù)和0.1～0.2米空間分辨率，要求航向重疊度80%，側(cè)向重疊度70%，以確保遙感圖像的重疊度，提高數(shù)據(jù)的獲取效率，并完成無人機(jī)的航跡測繪。通過對無人機(jī)航跡的現(xiàn)場調(diào)查，確定最近的一塊平地，并在該平地上設(shè)置起飛點(diǎn)。還要檢查飛行器和傳感器設(shè)備，主要包括遙控器、電池及移動(dòng)設(shè)備的電量是否充足、相機(jī)是否能正常工作等。另外，在所劃定的區(qū)域，還對小班進(jìn)行實(shí)地踏勘，以便對比數(shù)據(jù)。

3.4 航空遙感數(shù)據(jù)的采集

可見光遙感、多光譜遙感、高光譜遙感在林業(yè)應(yīng)用中較為普遍。多光譜遙感除可見光的紅綠藍(lán)波段外，還包括紅外、微波等波譜范圍，所獲的圖像在各個(gè)波段能生成為一幅灰度圖像。按照遙感任務(wù)需求，首先在地面控制系統(tǒng)中進(jìn)行航跡規(guī)劃，并依據(jù)地形、光照等情況設(shè)定航線、航速、航高，以及遙感傳感器的采集方式、速度等參數(shù)，并將參數(shù)載入到無人機(jī)系統(tǒng)和遙感傳感器系統(tǒng)，進(jìn)行拍攝采集，最后將拍攝的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲或傳輸，用于后續(xù)圖像分析。

3.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

利用Pix4D軟件對數(shù)據(jù)實(shí)施配準(zhǔn)、拼接與輻射定標(biāo)，生成DOM和DSM影像數(shù)據(jù)?；谶b感影像處理系統(tǒng)提取變色立木（松材線蟲病疫樹）的位置信息，長光禹辰的Ysense map軟件系統(tǒng)可以通過死木識別和定位模塊實(shí)現(xiàn)對疑似病木的自動(dòng)識別，對實(shí)驗(yàn)區(qū)的死木數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)提取和統(tǒng)計(jì)，得到疑似病木的地理位置，并根據(jù)病木的光譜圖，實(shí)現(xiàn)對病木的光譜圖的識別。然后在ArcGIS軟件中制作出松材線蟲病疫樹木的編號及位置等屬性信息矢量圖形。

3.6 外業(yè)核查

對無人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)中的松材線蟲病疫樹的坐標(biāo)和屬性，到樣區(qū)實(shí)地進(jìn)行外業(yè)核查與驗(yàn)證，查看無人機(jī)監(jiān)測疫木的數(shù)量與實(shí)際核查數(shù)量之間的相近度。通過人工踏勘，對其所在小班的疑似疫病木數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證無人機(jī)遙感技術(shù)的準(zhǔn)確性，計(jì)算確認(rèn)率（確認(rèn)率為人工踏查數(shù)與無人機(jī)遙感監(jiān)測數(shù)之比）。許銳、劉洪劍等在“無人機(jī)多光譜遙感技術(shù)在松材線蟲病疫區(qū)疑似疫木普查監(jiān)測中的應(yīng)用”一文中提到3次驗(yàn)證的準(zhǔn)確率都超過80%。

3.7 結(jié)果生成

以行政區(qū)劃圖為地理底圖，按作業(yè)樣區(qū)制作合適比例尺的枯死松樹分布圖，以枯死松樹小班為地理地圖制作枯死松鼠小班分布圖，并且基于小班和枯死松樹的位置，通過運(yùn)算提取枯死樹木的編號、經(jīng)度和緯度、小班和林班號、小班面積等屬性數(shù)據(jù)制作出明細(xì)表和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

4 問題與展望

目前，采用的手工實(shí)地考察方式效率低，驗(yàn)證率低，費(fèi)用高；存在著作業(yè)耗時(shí)較長、視覺死角較大等缺點(diǎn)。利用多波段遙感監(jiān)測森林凋落物的空間分布具有效率高、覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)精度高的特點(diǎn)。尤其是在疑似疫樹種的普查和監(jiān)控中，能夠有效地補(bǔ)充常規(guī)監(jiān)控方法的不足，提高監(jiān)控的工作效率，大幅減少監(jiān)控的時(shí)間。綜合準(zhǔn)確地調(diào)查數(shù)據(jù)，可為未來在高發(fā)病地區(qū)砍伐病原植物奠定基礎(chǔ)。死亡木材的數(shù)目是一個(gè)不斷變化的過程，并將隨著一段時(shí)間的延長而逐漸增多。這一現(xiàn)象的發(fā)生，很有可能是由于在所觀察到的初期，一些松林尚未出現(xiàn)凋零跡象，而隨著一段時(shí)間之后，這些松林就會變得虛弱，最后變成黃色而死去。

基于無人機(jī)可見光、多光譜、高光譜的低空遙感監(jiān)測技術(shù)逐漸成熟，光譜特征上的差異可以用于松材線蟲病的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，很多公司也致力于研究松材線蟲病疫木的識別技術(shù)研究，比如長光禹辰的多光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件Ysense map中選擇450、555、660、720、750和840納米6個(gè)波段作為實(shí)驗(yàn)對象，觀察光譜在不同波長下的反射率，經(jīng)過觀察結(jié)果表示，在660納米波長下，健壯樹木和輕微病害樹木、嚴(yán)重病害樹木和病死樹木的差異明顯。

監(jiān)測調(diào)查是林業(yè)有害生物制定防控計(jì)劃工作的重要基礎(chǔ)，也是影響到林業(yè)蟲害防治效果的重要因素。一般來講監(jiān)測的結(jié)果越是詳細(xì)和真實(shí)，其制定的防治方案也就越為科學(xué)，防治的結(jié)果也會越來越明顯。并且在林業(yè)病蟲害防治期間，專業(yè)技術(shù)人員需要結(jié)合監(jiān)測結(jié)果選擇防控方法和用藥的種類與數(shù)量，提升防治方案的靈活性與準(zhǔn)確性。而利用無人機(jī)技術(shù)對林業(yè)病蟲害實(shí)現(xiàn)全面動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可擴(kuò)大監(jiān)測的具體范圍，特別是在一些地勢較為復(fù)雜和人工難以監(jiān)測到的盲區(qū)有著十分明顯的效果。

無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)在對林業(yè)有害物種類加以確定之后，還能夠?qū)ζ浒l(fā)展趨勢進(jìn)行判斷，分別去準(zhǔn)確定位變色樹、異常林和枯死木，分析發(fā)生林業(yè)病蟲害的主要原因，對有害生物發(fā)生的規(guī)律加以總結(jié)，推測未來一段時(shí)間內(nèi)是否會再次發(fā)生，避免林木損失等。同時(shí)林業(yè)有害生物的防控機(jī)構(gòu)還可根據(jù)微信公眾號、報(bào)刊、電視等媒體對無人機(jī)技術(shù)在林業(yè)有害生物防治工作中的重要應(yīng)用，對無人機(jī)傳輸回來的影像和信息加以公布，明確林業(yè)有害生物及時(shí)防控的重要性和重視程度，適當(dāng)去增加巡查的頻率，將有害生物大面積暴發(fā)的問題扼殺在搖籃中，減少林業(yè)生產(chǎn)的損失。

綜上所述，傳統(tǒng)的林業(yè)監(jiān)測與防控效率都十分低下，單純依靠人力難以實(shí)現(xiàn)快速、高效的林業(yè)病蟲害林木監(jiān)測。本文經(jīng)過初步的研究內(nèi)容，表示利用無人機(jī)多光譜遙感技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測區(qū)域死亡松樹的動(dòng)態(tài)變化情況，有利于松線蟲病的及早發(fā)現(xiàn)與防治，這對于其他林木的病蟲害防治和監(jiān)測而言也是一種重要的技術(shù)手段參考。希望在無人機(jī)多光譜遙感技術(shù)的支持下，能夠避免林業(yè)病害區(qū)域擴(kuò)大，減少經(jīng)濟(jì)損失，實(shí)現(xiàn)林業(yè)產(chǎn)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。