森林病蟲災(zāi)害的天空地協(xié)同監(jiān)測技術(shù)體系示范

武紅敢，苗振旺，王曉儷，常原飛，賈建忠，米國兵，王 晗，王成波

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京 100091； 2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術(shù)重點實驗室，北京 100091；3.山西省林業(yè)和草原有害生物防治檢疫局，山西 太原 030024； 4.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100101；5. 山西省關(guān)帝山國有林管理局，山西 文水 045399； 6.山西省關(guān)帝山國有林管理局二道川林場，山西 文水 032199 )

通訊作者：王 晗(1995— )，女，黑龍江哈爾濱人，2017年畢業(yè)于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，助理工程師。

山西省林業(yè)有害生物約有1 400余種，根據(jù)2020年2月12日山西省林業(yè)有害生物災(zāi)害應(yīng)急指揮部發(fā)布的《山西省2020年主要林業(yè)有害生物發(fā)生趨勢預(yù)測》警示通報，預(yù)計2020年山西省林業(yè)有害生物發(fā)生面積約24.3×104hm2，部分病、蟲、鼠(兔)害仍將偏重發(fā)生，松材線蟲病、美國白蛾等重大林業(yè)有害生物傳入風(fēng)險依然很大。

監(jiān)測預(yù)報是防災(zāi)減災(zāi)工作的核心和前提，是森林病蟲害管理的第一道防線。雖然除治或治理作為第二道防線必不可少，但如果能建立監(jiān)測預(yù)警體系，實現(xiàn)防早防小，不僅可節(jié)約大量人力、物力和財力，更能極大地保護生態(tài)環(huán)境，鞏固造林成果。

1 必要性和可行性

1.1 松材線蟲病和美國白蛾疫情防控形勢緊迫

松材線蟲病已在山西周邊的陜西、河南、天津等地相繼發(fā)生，最近的疫點距山西省直線距離不超過80 km.隨著貿(mào)易往來，入侵山西的風(fēng)險不斷加大，且一些地方陸續(xù)出現(xiàn)松褐天牛、云杉花墨天牛、灰長角天牛等媒介昆蟲危害。美國白蛾在山西周邊的河北、陜西、河南、內(nèi)蒙(東部)均有發(fā)生。松材線蟲病和美國白蛾是重大檢疫性森林病蟲害，在山西廣泛分布其適宜的寄主和媒介昆蟲。因此，防控形勢嚴峻且緊迫。

1.2 航天遙感數(shù)據(jù)保障性大幅提高

2014年以來，中低空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)基本實現(xiàn)了全球免費共享。如，美國的陸地資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)、歐洲的哨兵數(shù)據(jù)以及我國的GF-1和GF-6數(shù)據(jù)，多星座運行極大地提高了應(yīng)用的時效性。米級或亞米級衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)雖然成本較高，但在軌衛(wèi)星已達數(shù)十顆，特別是近5年我國也擁有了亞米級公益和商業(yè)衛(wèi)星，可為其在林業(yè)中應(yīng)用提供保障。

1.3 技術(shù)體系日漸成熟

林業(yè)是最早應(yīng)用遙感技術(shù)的行業(yè)之一，20年前我國森林資源、濕地資源、荒漠化土地等的監(jiān)測規(guī)程都引進了空間信息技術(shù)。“十一五”期間中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所主持完成國家科技支撐計劃重點項目“森林資源綜合監(jiān)測技術(shù)體系研究”，首次構(gòu)建了結(jié)構(gòu)合理的森林資源綜合監(jiān)測、分析與評價指標體系，以及天空地一體化、點線面相結(jié)合、資源—工程—災(zāi)害綜合監(jiān)測技術(shù)體系，研發(fā)了基于多源遙感數(shù)據(jù)的森林資源、濕地資源、森林病蟲災(zāi)害、森林火災(zāi)、林業(yè)生態(tài)工程信息快速提取技術(shù)，實現(xiàn)了多尺度的森林資源、濕地資源、森林災(zāi)害和林業(yè)生態(tài)工程信息的快速采集、分析和處理，并在多個省份進行了應(yīng)用示范，其成果于2013年獲得國家科技進步二等獎。

1.4 專業(yè)服務(wù)體系正在形成

2014年，國務(wù)院辦公廳“關(guān)于進一步加強林業(yè)有害生物防治工作的意見(國辦發(fā)〔2014〕26號)”中提出，要加大對空中和地面相結(jié)合的立體監(jiān)測等技術(shù)研究的支持力度，并明確了政府向社會化防治組織購買疫情除治、監(jiān)測調(diào)查等服務(wù)的防治策略。國務(wù)院于2018年組建了自然資源部，隨后自然資源部又整合系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星遙感資源部成立衛(wèi)星遙感中心，旨在為自然資源調(diào)查、監(jiān)測、評價、監(jiān)管、執(zhí)法提供衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、信息及產(chǎn)品、技術(shù)和業(yè)務(wù)支撐。2019年，自然資源衛(wèi)星遙感應(yīng)用體系建設(shè)初見成效，數(shù)據(jù)保障能力全面提高，“千里眼”助力自然資源管理水平走向現(xiàn)代化、精細化。

2 遙感技術(shù)及其作用

2.1 中等空間分辨率航天遙感技術(shù)

我國的林業(yè)有害生物調(diào)查一直采取線路踏查外加標準地詳查的方法，且實行月報制度。因此，保證全覆蓋踏查信息的準確性對于早防早治至關(guān)重要。目前，在軌10 m～30 m中等空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)能滿足0.27 hm2～2.33 hm2森林病蟲災(zāi)害的監(jiān)測，多數(shù)情況下可以獲得月度數(shù)據(jù)。由于遙感衛(wèi)星軌道以及采用光學(xué)波段的緣故，部分區(qū)域受云與陰影遮擋或無法獲得理想時段數(shù)據(jù)，會影響監(jiān)測覆蓋率或結(jié)果的準確度。目前，常用的數(shù)據(jù)源有GF-1WFV，GF-6WFV，LandSat-8和Sentinel等。

2.2 高空間分辨率航天遙感技術(shù)

近年來，星座組網(wǎng)運行技術(shù)大大彌補了米級或亞米級高空間分辨率遙感衛(wèi)星重訪周期長、幅寬窄等缺陷。在我國長江以北區(qū)域，基本可以實現(xiàn)年度有效覆蓋，其幾何和輻射性能滿足優(yōu)勢木或點、塊級災(zāi)害監(jiān)測的需求。如，亞米級數(shù)據(jù)可監(jiān)測樹冠直徑大于5 m的單株危害木。目前，應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)源有GF-2PMS，BJ-2，GF-1PMS，GF-6PMS，GF-1B/1C/1D，worldView-2/3和Pleiades等。

2.3 無人機遙感技術(shù)

無人機遙感具有快速、靈活獲取遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，但會受續(xù)航能力的影響，出現(xiàn)成本高和不適宜大區(qū)域飛行等問題。應(yīng)用優(yōu)于10 cm無人機遙感數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)單株變色木的標定。特別強調(diào)考慮到性價比等因素，用于單木級枯死樹區(qū)域監(jiān)測的無人機類型以固定翼或復(fù)合翼為好，平民化無人機平臺更適宜獨立木或樣地級遙感核查的性價比需求。

2.4 地面遙感技術(shù)

隨著北斗等GNSS技術(shù)、移動終端、物聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的發(fā)展，實時、定位、定量、連續(xù)的地面遙感圖像數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為森林資源監(jiān)測管理的重要支撐手段。現(xiàn)在多業(yè)務(wù)或單業(yè)務(wù)巡護平臺在各地實現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用，其中，圖像數(shù)據(jù)(地面遙感數(shù)據(jù))是現(xiàn)地事件記錄的主要形式和內(nèi)容。移動智能終端為野外地面踏查、詳查、核查、跟蹤除治等工作過程數(shù)據(jù)實時采集和準實時共享提供了技術(shù)保障，這種智能加持和物聯(lián)網(wǎng)賦能的應(yīng)用技術(shù)，極大地提高了資源的管護水平。

3 天空地協(xié)同監(jiān)測體系應(yīng)用示范

3.1 示范區(qū)概況

選取山西省關(guān)帝山國有林管理局二道川林場作為示范區(qū)，東經(jīng)111°36′00″～111°56′15″，北緯37°31′20″～37°25′50″，地處文水縣西部，國有林面積10 973 hm2.林場境內(nèi)屬暖溫帶大陸性氣候，海拔1 100 m～2 200 m，年均氣溫4 ℃～6 ℃，年均積溫2 500 ℃～3 000 ℃.年降水量不足500 mm，年日照約2 600 h，無霜期120 d左右。林場生物資源豐富，種類繁多，森林覆蓋率達92.4%.主要喬木樹種有油松、遼東櫟、山楊、白樺、落葉松等；灌木有沙棘、刺玫、繡線菊、檸條、虎榛子、山桃等；草類有苔草、羊胡子草等。

3.2 技術(shù)路線

森林病蟲災(zāi)害的天空地人協(xié)同監(jiān)測技術(shù)流程，見圖1.

圖1 森林病蟲災(zāi)害的天空地人協(xié)同監(jiān)測技術(shù)流程

協(xié)同是指相輔相成和互為補充，即航天、航空和地面遙感技術(shù)在現(xiàn)階段相互依存、優(yōu)勢互補共同服務(wù)于森林病蟲災(zāi)害的監(jiān)測。由于遙感技術(shù)監(jiān)測的對象是林木，故只能提供不同尺度森林資源的亞健康(或生長異常)狀態(tài)、分布范圍等信息，更具體的遙感監(jiān)測是寄主失葉、失色、失水或死亡等癥狀及其分布。至于致災(zāi)因子，如，病蟲害種類等必須通過地面調(diào)查和科學(xué)分析才能獲得。因此，遙感技術(shù)拓展應(yīng)用于森林病蟲災(zāi)害的監(jiān)測評估并不能取代沿用幾十年的傳統(tǒng)人工地面調(diào)查手段，而是要充實、完善并形成更加高效的監(jiān)測調(diào)查技術(shù)體系，以提高管理水平和工作效率。

3.3 月度GF-1WFV數(shù)據(jù)

2019年2月4日至9月24日，共獲取14期二道川林場時間序列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，用于森林植被亞健康(生長異常)狀態(tài)的月度監(jiān)測，典型區(qū)域時間序列GF-1WFV真彩色合成影像和標準假彩色合成影像見圖2和圖3.

圖2 真彩色合成影像數(shù)據(jù)(北部為闊葉林)

圖3 標準假彩色合成影像數(shù)據(jù)(北部為針葉林)

由遙感圖像可以看出，6月后的闊葉林(見圖2)和5月后的針葉林(見圖3)都表現(xiàn)出生長異常，即綠色和近紅外波段的反射率降低，森林有失綠和失水現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)地調(diào)查核實，2019年4月30日、5月12日和5月19日二道川林場經(jīng)歷3次倒春寒，油松生長受到影響，遼東櫟、山楊、白樺等闊葉樹新葉出現(xiàn)枯萎變色現(xiàn)象，這種凍傷過程約在1周后逐漸出現(xiàn)癥狀，闊葉樹6月以后在圖像上反映明顯。

3.4 GF-2PMS遙感數(shù)據(jù)

獲取了2019年1月17日和2019年6月9日2期GF-2PMS數(shù)據(jù)，并進行了幾何精度校正和融合等預(yù)處理，以開展變色立木的定位監(jiān)測，見第12頁圖4.

圖4分別為典型區(qū)冬季和夏季GF-2PMS的1 m融合圖像，圖像紋理信息豐富，顆粒感明顯，常綠優(yōu)勢木或亞統(tǒng)勢木特征明顯，清晰可辨。

圖4 GF-2PMS真彩色合成圖像

3.5 超高分辨率無人機遙感數(shù)據(jù)

復(fù)合翼無人機及其獲取的5 cm分辨率航空正射影像數(shù)據(jù)，見圖5.

圖5 復(fù)合翼無人機及其獲取的正射影像

由圖5可知，其圖像可以識別紅葉、黃葉和綠色植被。由于每個像素都有其精準坐標信息，故還可以實現(xiàn)單株樹木的定位和計數(shù)。

3.6 基于云服務(wù)平臺的枯死松樹管理系統(tǒng)

為了配合地面核查和調(diào)查工作，以及信息的快速共享和督查，專門購置了2款具有高精度定位性能的移動終端設(shè)備G639和UG908N.在此基礎(chǔ)上分別預(yù)裝了有底圖和無底圖數(shù)據(jù)導(dǎo)航功能的數(shù)據(jù)采集軟件，實現(xiàn)了危害木圖片、位置、時間、屬性信息的科學(xué)采集與準實時傳送。云服務(wù)端具有調(diào)查表單定制和維護、監(jiān)督檢查、空間數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)瀏覽導(dǎo)出等功能，不僅提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性、客觀性和可視性，還為大數(shù)據(jù)的規(guī)范化積累奠定了堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

幾十年來歐美等發(fā)達國家一直采用以遙感技術(shù)為主體的森林病蟲災(zāi)害監(jiān)測手段，積累了大量時空數(shù)據(jù)，為科學(xué)分析森林病蟲災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展，開展預(yù)測預(yù)報及預(yù)警分析奠定了堅實基礎(chǔ)。由于全球氣候變暖等多種因素影響，近年來我國森林病蟲災(zāi)害發(fā)生形勢嚴峻，特別是松材線蟲病等重大外來有害生物頻發(fā)，亟待實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警和防治能力的現(xiàn)代化，以徹底遏制森林病蟲災(zāi)害發(fā)展蔓延的趨勢。通過本項應(yīng)用示范，建立起天空地協(xié)同監(jiān)測技術(shù)體系，可以實現(xiàn)對森林病蟲災(zāi)害的有效監(jiān)測預(yù)警。建議山西省建立內(nèi)控外防機制，以科學(xué)應(yīng)對松材線蟲病與美國白蛾的圍剿態(tài)勢，及重大食葉類害蟲、鉆蛀類害蟲持續(xù)危害的嚴峻形勢。