基于無人機AI識別枯死松樹的研究

謝毓芬，任博文，劉少波，陳 鵬，郭 暉

（陜西省林業科學院，陜西 西安 710082）

一直以來，都是通過人工方式調查松樹枯死狀況，發現疫情之后，組織工作人員進入疫區通過踏查方式進行統計，不僅耗時耗力，而且無法統計人工無法達到的區域，導致調查結果不準確、防治不及時等。基于傳統人工調查方式成效低、難度大且難以滿足對松材線蟲病的有效監控，以無人機AI識別技術為準的新方法應用而生，成為當今林業生產的重要措施。

1 枯死松樹識別重要性

松材線蟲為林業重要害蟲之一，主要侵染松樹，產生松材線蟲病，危害巨大，會導致嚴重的生態及經濟損失，被稱為林業“第一號危險害蟲”，還存在防治難、傳播快的特點，其一旦發生，很容易導致大面積松樹死亡。松材線蟲侵入樹木后，外部癥狀的顯著特點是：針葉失水，褪綠，繼而變褐，而后整株枯死，針葉全呈紅黃色。因此如何高效、準確監測松材線蟲病致死松樹的情況十分重要，也是業界專業人士研究的重難點所在。之前人們一直采用傳統的人工方式調查枯死松樹，這種方法耗時耗力，調查成本高，而且準確度不高，需要研究一種新技術來識別枯死松樹和預防松材線蟲病。

隨著現代科技的進步，無人機技術在諸多領域得到廣泛應用，利用無人機監控技術檢測林業有害生物成為無人機研究中的重要部分。這種方式與傳統的人工作業相比，效率更高、準確度高、成本低、監控面積大，大大彌補了人工作業中存在的種種弊端，不僅省時省力，也極大保障了監控人員的生命安全。

2 無人機AI識別枯死松樹技術要點

自1982年國內首次發現松材線蟲病以來，其迅速擴展至多個省市，導致大量松樹枯死，造成嚴重的生態環境破壞、經濟損失和環境問題，防治工作十分迫切。但多年來松材線蟲病的防治難度依然很大，只有及時、準確、盡早地發現枯松松樹，才能更好地進行防治。但是由于松林大多處于高山、峭壁、林密的地區，人工調查工作相當困難且難以及時發現疫情，而衛星遙感技術雖然監控范圍大，但成本高，距離遠，分辨率較低，難以準確獲取高精度的數據。近幾年來，伴隨著無人機技術的迅速發展，利用無人機靈活、高效拍攝枯死松樹，大大降低了松材線蟲病的發生率，提高了工作效率。

2.1 無人機在林業監控中的應用

目前無人機技術在林業生產中的應用越來越廣泛，常見應用范圍有以下幾方面：①利用無人機航拍技術能準確、科學測量森林蓄積量，無論是樹木高度、冠幅還是蓄積量的估算，精度都高達80%以上；②利用無人機初步實現了植被分類，根據計算機圖像識別過程和無人機圖形，獲取科學、高效的自動識別分類技術框架，從而提高工作效率；③利用無人機技術能及時對森林火災地區進行監控，檢測各種可能發生火情的狀況，對森林可燃物進行動態跟蹤，并及時估算出火情造成的損失；④利用無人機技術可協查森林資源狀況，了解森林實地情況，及時準確判斷各種樹木死亡以及成長狀況。

2.2 無人機監控技術要點

在無人機AI識別枯死松樹的時候，通過無人機對實施地區范圍進行影像采集，結合電子勾繪系統軟件勾繪枯死松樹的位置，記錄相應的坐標以及數量。然后根據無人機續航時間合理安排監控區域，做到安全、科學且不遺漏監控，最終對整個實施地區的枯松松樹的坐標和數量進行匯總。

2.3 無人機檢測方法以及配置

無人機AI識別是利用無人機飛行范圍連續拍攝正射影像，運用軟件對正射影像進行拼接，合稱為一個完整地區的正射影像，再利用智能勾繪軟件，以枯死松樹地區的顏色變化為基礎對正射影像上的松樹枯松情況進行勾繪。為了保證識別精準度，目前大多都采用多旋翼機，搭載兩千萬像素的攝像頭，飛行高度通常都控制在150 m，此時獲取正射影像比圖的比例為1∶500，方向及航向的重疊度控制在75%以內。

2.4 調查措施

首先，分析了松林資源的分布狀況、行政界線區分規劃、地形數據、枯死松樹的分布區域等詳細資料，通過這些資料科學、合理地規劃無人機調查作業范圍。其次，利用無人機在規劃調查前對區域進行全方位、高精準度覆蓋航拍，運用空中和地面監控系統處理拍攝返回的信息，統計出重點監控和拍攝范圍，并且利用自動拍攝、傳輸、數據處理軟件對這些拍攝信息進行分辨，生成分辨率高于10 cm的正射影像圖。最后，專業技術人員利用枯死松樹勾繪系統在調查區域的正射影像圖上勾繪出疑似枯死的松樹，然后再次規劃專門的拍攝航線，并輸出準確的地理坐標信息和枯死松樹信息。具體調查路線如圖1所示。

圖1 無調查技術路線

2.5 人工地面調查

對無人機監測區域進行人工地面抽樣調查，抽查枯死松樹數量需占無人機識別總數量的10%以上，將人工調查的枯死松樹位置在地圖上進行標注，然后對照無人機監測標注的枯死松樹分布圖，分別記錄無人機監測到的枯死松樹株數和沒有監測到的株數，對沒有監測到枯死松樹的原因進行逐一分析。

3 枯死松樹的自動識別

通過分析，枯死松樹分布范圍較廣。純松林中枯死松樹分布較為集中，闊混交林中枯死松樹多呈零星散點分布。此時，可以采用MATLAB軟件對枯死松樹進行自動識別，這種軟件是專門用于可視化與程序設計的軟件，也是無人機監控枯死松樹的主要自動識別處理軟件。在工作中首先用軟件將帶有枯死松木的航拍圖在RGB、HSV、LAB色彩空間中進行識別，三個色彩空間所擁有的顏色區域無論是表現力、均勻性都不同，此時枯死的顏色在三個空間中的表現也不盡相同，其原因是三種空間代表枯死樹木的顏色，綠色與紅色通道不一致，需要對每個色彩空間中掌握的綠色、紅色通道進行設定，設定科學的三種空間枯死樹木的閾值，使用算法帶入所設定的閾值，把設定好的閾值代表的顏色有機提取出來，從而讓枯死松樹自動識別密度。

4 結束語

總體而言，采用無人機進行枯死松樹監測的準確度較高，綜合考慮成本、效率等方面因素，無人機比傳統監測方法有較大優勢。隨著科學技術的發展，應用無人機監測枯死松樹的準確度及適用性將進一步提高，這項監測手段必將成為松材線蟲病防控體系中的重要組成部分，具有巨大的社會效益和生態效益。