基于無人機航拍圖的松材線蟲病發生初期擴展趨勢監測

高億波，毛亦楊，曾慶圣，馮慧芳，周世均，王新榮，孫 思

（1.廣東省森林資源保育中心,廣東廣州510173；2.華南農業大學植物保護學院，廣東廣州510642；3.華南農業大學林學與風景園林學院，廣東廣州510642）

由于無人機的快速普及，目前應用無人機開展我國最嚴重的林業有害生物——松材線蟲病的調查研究工作已有大量報道[1]。無人機航拍圖的優勢是分辨率極高，因此研究對象的尺度可以達到單株松樹。當前的報道主要集中在無人機航拍圖上單株枯死松樹的識別，其中研究的熱點是機器學習的應用[2-10]。

參考我國成功控制新冠肺炎的工作，識別枯死松樹相當于檢測步驟；下一步的工作是流行病學調查，對于松材線蟲病而言則是枯死松樹林間分布規律和擴展情況的研究。嵇保中等[11]早在2000年就開展了以單株松樹為尺度的松材線蟲病枯死松樹空間分布型的研究，研究結果表明病死木在馬尾松林內的分布為聚集分布，研究中枯死木位置的數據來源于地面調查。陸雪雷[12]開展了以無人機航拍圖上標記出的枯死松樹為基礎的松材線蟲病死樹分布規律研究，結果表明在不同方位、坡向、坡位和海拔等立地因子條件下，枯死松樹的分布均有一定傾向性。此類研究均為某一時間點的靜態研究，且研究對象均為已經大量發生枯死松樹的林地。

本研究嘗試針對松材線蟲病發生初期的林地開展定期航拍監測，以航拍圖為數據源進行枯死松樹擴展的動態研究，以期初步探索松材線蟲病在發生初期的流行病學規律。

1 試驗方法

1.1 試驗地及基本信息

確定試驗地處于松材線蟲病發生初期的方法是，先從已經發現的枯死松樹取樣，帶回實驗室檢測[13]，確定枯死松樹確由松材線蟲病引起后，再用無人機航拍觀察枯死松樹的周圍沒有其它枯死松樹發生。使用以上方法在廣東省某縣的兩個不同鎮各選擇了一塊試驗地。其中試驗地1 的枯死松樹位于一片濕地松純林中(圖1)，周邊沒有發現其它枯死松樹。因此以該片濕地松純林為中心向周圍擴展，同時盡量沿山脈走向，以包括盡量多的林地，作為試驗地1。試驗地2 的枯死松樹為馬尾松，位于一片針闊混交林中（圖2）。由于該區域左邊（西方向）屬于另一個縣，同時考慮盡量沿山脈走向，因此將航拍重心放在枯死松樹發生點右上方（東北方向）的區域。

圖1 試驗地1 初始發生枯死松樹的地塊

圖2 試驗地2 初始發生枯死松樹的地塊

2 塊試驗地相距約10 km，面積均為400～433 hm2。試驗地中的主要地類包括山林、村落、田地和池塘。主要樹種包括馬尾松、濕地松、桉樹、多種闊葉樹及果樹，竹林。其中松樹既有與其他林種混交的情況，也有數十畝至數百畝不等的小面積純林（圖3 和圖7）。

1.2 儀器與軟件

無人機：Mavic 2 Pro，深圳大疆創新科技有限公司

軟件：Pix4Dmapper 4.4，Pix4d SA 公司；ArcGIS Pro 2.6，Esri 信息技術有限公司

1.3 試驗步驟

根據廣東省的松材線蟲病發生情況，一般從當年11月氣溫降低開始，新發生松樹變色的現象基本停止。因此從2020年11月開始，每月中下旬對試驗地進行航拍，直至2021年10月，共拍攝12 次。

每次拍攝完成后，將原始影像導入Pix4dmapper 軟件進行拼接，生成正射影像圖(DOM)，再將正射影像圖導入ArcGIS Pro 進行觀察和分析。

2 結果與分析

2.1 試驗地1

每次拍攝的原始圖片為171～175 張，拼接以后的正射影像圖分辨率為11.0～11.3 cm/pix，其中2021年2月正射影像圖如圖3。

圖3 2021年2月試驗地1 的正射影像圖

逐月觀察發現，從2020年11月至2021年10月，特別是2021年5月至10月這段枯死松樹高發季節，除初始發現的枯死松樹外，沒有發現新的枯死松樹。

但從航拍圖上發現了兩個與疫木清理除害相關的事件。一是從2021年7月開始，圖3 紅框內的枯死松樹，連同周邊的無癥狀松樹開始被清理，一直到2021年9月基本清理完畢，如圖4。二是2021年6月發現圖3 右上方有一塊林地也開始被清理。回溯此時間點以前各月拍攝的航拍圖發現，這一地塊在2020年也已發生枯死松樹（圖5）。但由于在由原始圖像生成正射影像圖的過程中，一般會導致圖像邊緣模糊，所以初次判讀航拍圖時未能發現此地塊的枯死松樹。到9月該地塊已基本清理完畢，如圖6。

圖4 圖3 紅框內的松樹被清理（左：清理前；右：清理后）

圖5 試驗地1 初始發生枯死松樹的地塊

圖6 圖3 黃框內的松樹被清理（左：清理前；右：清理后）

因此，總體來看，在試驗期的1年內，試驗地1 實際沒有發生松材線蟲病向四周擴展的現象。

2.2 試驗地2

每次拍攝的原始圖片為163～168 張，拼接以后的正射影像圖分辨率為11.2～11.8 cm/pix，其中2021年2月正射影像圖如圖7。

圖7 2021年2月試驗地2 的正射影像圖

逐月觀察發現，從2021年6月開始，試驗地2 開始出現當年發病的松樹，6-10月枯死松樹株數分別為3，8，12，9，21 株，分布示意圖如圖8。紅框為初始發生枯死松樹的林地位置，紅色圓點為2021年枯死松樹發生位置。

根據森林病理學的理論，如果以圖8 紅框位置為發病中心，應該是離發病中心近的枯死松樹先出現，離發病中心遠的枯死松樹后出現；并且離發病中心近的枯死松樹密度大，即枯死松樹在發病中心附近有聚集趨勢，離發病中心遠的枯死松樹密度小。

從圖8 直觀觀察，6月出現的枯死松樹分布在發病中心的遠端，相反7月出現的枯死松樹分布在發病中心的近端。利用ArcGIS Pro 中的“平均最近鄰空間統計”工具分析枯死松樹每個月的分布規律，結果為z 值分別為36.316098，0.233603，1.307446，0.948715，1.829769，代表離散分布，隨機分布，隨機分布，隨機分布，離散分布。其中9月和10月的報告如圖9。以上結果表明枯死松樹的分布并沒有出現由發病中心向四周擴散的趨勢，而是在整個調查區域均勻地增加。

圖8 試驗地2 從2021年6 至10月枯死松樹分布示意圖

圖9 9月（左）和10月（右）枯死松樹點“平均最近鄰空間統計”工具分析報告

3 結論與討論

3.1 試驗地點1

學習過植物病理學實驗的研究人員都十分熟悉實驗中的一個基礎步驟——接種，但常常會遇到“病害在自然條件下嚴重發生，在實驗條件下接種卻屢遭失敗”這一情況。本研究中實驗地1 上發生的情況與此類似，本質上也屬于“接種實驗失敗”。但具體情況又有較大不同。實驗室內的接種實驗失敗的原因可進行探討，如環境條件，特別是溫度和濕度的控制；無傷接種與有傷接種的區別；使用接種體的數量等等。但本實驗屬于完全的自然接種，所以很難從控制實驗條件的角度進行改進，而只能從實驗地點選擇的角度進行考慮。

試驗開始前設定的試驗地條件為：（1）松樹比重大于80%；（2）面積大于200 hm2；（3）處于發病初期，這一條的判斷標準是枯死松樹處于同一個小區域內。事實上找不到同時符合這幾個條件的林地。同時，考慮到松材線蟲病由人類活動傳播的重要特性，普通村落周圍本就屬于病害的高發地，因此最終就選擇了常見的村落與林地混雜的地塊作為試驗地。同時將試驗地面積擴大至不低于400 hm2，以保證其中含有一定數量的松樹。

對于最初發現枯死松樹的林地在6月開始被清理這一事件，由于攜帶松材線蟲的松褐天牛在3—4月就開始羽化[14]，因此6月清理枯死樹，且清理過程持續了幾個月，無法阻斷病害的傳播。目前尚無法判斷試驗地1 在2021年沒有出現新發生枯死松樹的原因。但試驗過程中感到試驗期限可能偏短，可再延長試驗期進一步觀察。

3.2 試驗地點2

從航拍圖上直觀觀察和GIS 空間分析結果均表明，枯死松樹在整個航拍區域內均勻分布，沒有出現依據病理學理論應該出現的病害從發病中心向四周擴散的現象。

根據試驗情況和平時調查經驗綜合推測，出現這種情況可能有以下原因：（1）試驗地面積過小。雖然每一塊試驗地面積都超過400 hm2，但其中松樹覆蓋面積均不超過50%，純松林面積則更小。且本試驗研究目標為松林發生松材線蟲病初期的擴散情況。此時病原基數小，不容易凸顯理想的擴散趨勢。因此即使再增加幾千畝可能仍然達不到理想的效果，實際需要的試驗地面積應該達到1333 hm2以上。（2）試驗地形狀。本試驗的兩塊試驗地均為長條形，主要是考慮沿山脈走向，相同面積可以容納更多的林地。但這樣設置不排除在這一方向上，枯死松樹的分布與其它方向的區域不同的可能性。因此試驗地應該設置為以病害初始發生地為中心的近圓形或多邊形。當初沒有這樣設置，主要是考慮這種設置的試驗地中，可能會出現林地比重小，其它地類多的情況。但在結合第2 點將試驗地面積大大增加以后，就可容納足夠多的林地。（3）濕地松和馬尾松的感病性差異。目前在多地都已經發現濕地松感染松材線蟲病的情況，因此濕地松的感病性毋庸置疑。但一般認為濕地松的感病性小于馬尾松。在試驗地2 中，濕地松比例大于馬尾松。這一點可能起到阻礙松材線蟲病有效傳播的作用。但濕地松的感病性小于馬尾松的觀點并沒有嚴謹的試驗證據，所以這一點尚需要繼續研究討論。

3.3 試驗設置重復的問題

試驗地點1 和試驗地點2 互為重復。我們通常都要求重復的試驗條件要一致，但僅從表觀上看，都可發現兩個試驗地點的差異較大，能夠保證基本一致的只有總面積和松樹的比例，這就對設置重復的作用產生了影響。根據現場調查，要同時滿足坡位，坡向，坡度，林種，數量，面積等核心要素基本一致，且要處于松材線蟲病發生的初期，滿足這樣條件的林地實際無法超過13.3 hm2。若再增大面積，重復內部的差異會大大增加。但13.3 hm2又遠遠不能滿足流行病學調查的要求。因此綜合考慮，只能放棄重復試驗地內部條件基本一致的要求，這是這類試驗的特殊之處。