襄陽市枯死松樹天空地監測體系構建探索

陳英　劉厚超　徐軼陽　梁傳波　龔雪瑩

摘要：針對襄陽市松材線蟲病監測現狀，構建了枯死松樹天空地監測體系，綜合運用衛星遙感監測、無人機航測、人工地面踏查等技術，采取“互聯網+無人機舉證+人工地面踏查”的模式，對枯死松樹進行監測核查。基于GNSS、衛星遙感、互聯網+等技術，研發了“襄陽市松材線蟲病疫情監測核查管理信息系統”，實現枯死松樹的坐標定位及身份證化管理。監測體系在襄陽市的推廣使用，基本實現了疫情監測智慧化、管理信息化。

關鍵詞：枯死松樹;松材線蟲病;衛星遙感;無人機;互聯網+

中圖分類號：S763.305文獻標識碼：B文章編號：1004-3020（2022）02-0052-04

Exploration on Construction of AirSpace-Ground Monitoring

System for Dead Pine Trees in Xiangyang CityChen YingLiu HouchaoXu YiyangLiang ChuanboGong Xueying

（Xiangyang Forest Pest Control and Quarantine StationXiangyang441000）

Abstract：Aiming at the monitoring status of pine wilt disease in Xiangyang City，an airspaceground monitoring system for dead pine trees has been constructed，and technologies such as satellite remote sensing monitoring，drone aerial surveys，and artificial ground inspections have been comprehensively used to adopt mode of “Internet + UVA evidence + artificial ground inspections”，and monitoring and verification of dead pine trees. Based on GNSS，satellite remote sensing，Internet plus and other technologies，“Xiangyang City pine wilt disease monitoring and verification management information system” was developed to realize the coordinate positioning and ID management of dead pine trees. The promotion and use of the monitoring system in Xiangyang City has basically realized the intelligentization of epidemic monitoring and the informationization of management.

Key words：dead pine trees;pine wilt disease;satellite remote sensing;UVA （unmanned aerial vehicle）;internet plus

松材線蟲病是危害松屬植物的一種毀滅性病害，傳播蔓延迅速、寄主植物分布廣、防治難度大，被世界各國列為頭號植物檢疫對象，松樹感病后最快40多天即可枯死，3～5 a可摧毀成片松樹[1]。近年來，松材線蟲病疫情相繼在襄陽市多地發生，目前已擴散至8個縣（市、區）的34個鄉鎮，年發生面積近0.93萬hm2。疫情發生后，各地通過壓實防治責任、強化宣傳培訓、創新防治模式、實施科學防治、嚴格監督管理，累計清理枯死松樹約150萬株，媒介天牛防治作業面積達6.67余萬hm2。多年的防治經驗表明，松材線蟲病防治的核心是徹底清除疫源，因此，枯死松樹的精準普查顯得尤為重要。傳統的普查主要依靠人工調查，由于襄陽市大部分松林分布在南漳縣、保康縣、谷城縣，山高林密，人力難以到達，導致普查不全面、不準確、效率低。

松樹感染松材線蟲病后，外部癥狀主要表現為針葉失去光澤，經過短時間灰綠、黃綠后迅速變為黃褐色，乃至紅褐色，同時陸續從局部波及整個植株，最后整株枯萎、死亡，這種明顯特征為遙感技術的應用提供了靶標特征。為有效解決枯死松樹普查不全面、效率低等問題，襄陽市提出了構建枯死松樹天空地監測體系，綜合運用衛星遙感監測、自動提取疑似小班、無人機航測、原始影像解譯、人工地面踏查等技術，采取“互聯網+無人機舉證+人工地面踏查”的模式，對枯死松樹進行監測核查，極大地提高了監測效率，節約時間，并且較人力監測更加全面精準。該技術通過融合GPS、GIS、RS即3S技術，利用RS可以快速獲得多光譜影像，在GIS系統中進行自動判讀，獲取枯死松樹的矢量數據，疫木清理階段，配合使用GPS，可以精準找到枯死松樹，從而實現全方位天空地監測疫情、全鏈條疫源除治監管和全覆蓋疫木身份證管理。

1襄陽市枯死松樹天空地監測技術

衛星遙感影像具有面積大、成本低、效率高的優勢，而無人機具有機動性強、體積小、重量輕、易操作等特點，襄陽市將衛星影像判讀、無人機航拍和人工地面核查相結合，通過衛星遙感的廣、快、廉價確定重災區，利用無人機的靈活、高精度、高清晰度確定枯死樹株數，再輔以人工地面核查和人工判讀，極大地提高了普查效率和準確率[2]。襄陽市枯死松樹天空地一體化監測技術流程見圖1。普查時，收集林業調查相關數據，根據松樹編碼提取含松林小班，疊加采集的全市域衛星影像，得到全市松林小班衛星影像，再通過自動提取算法提取疑似發病小班，市級通過“襄陽市松材線蟲病疫情監測核查管理信息系統”下發疑似發病小班給對應的縣級管理員，縣級根據市級派發的核查任務，到現場采取無人機或者人工調查的方式進行實地核查、拍照舉證，并將相關信息上傳至“襄陽市松材線蟲病疫情監測核查管理信息系統”，后臺利用枯死松樹人工智能識別系統對影像進行自動判讀，快速獲取枯死松樹株數和位置信息。

1.1利用衛星影像提取疑似小班范圍

根據森林資源調查數據庫中的優勢樹種比例信息，提取優勢樹種中含有松樹的小班，將含有馬尾松Pinus massoniana、黑松Pinus thunbergii、紅松Pinus koraiensis、落葉松Larix gmelinii等松樹種類編碼的小班進行分析提取，縮小監測范圍。結合交通數據，對鐵路、高速及國道省道周邊1.0 km的松林小班進行提取，進行重點監測。

在林木監測中，空間遙感數據分辨率優于1.0 m的，就可以用于樹葉變色或者死亡的辨識[2]。本次采集的是全市域1.97萬km20.8 m分辨率的多光譜衛星影像，將原始衛星影像進行處理，利用多光譜影像的近紅外波段可以更容易區分健康松樹與枯死松樹，處理后得到單景正射影像[3]。將衛星影像疊加林業二類清查數據并進行求交運算，得到松林小班影像資料。利用枯死松樹和健康松樹具有不同的反射光譜特征，采取自動提取技術，輔以人工判別，提取出疑似發生疫情的小班見圖2，縮小無人機以及人工舉證調查范圍，減輕工作量，提高工作效率。

1.2利用“互聯網+”技術實現實地舉證

調查舉證方式由傳統的自發性調查拍照，改為市級下發專門的調查軟件，拍攝含舉證五要素（坐標、方向、時間、設備號、人員）的加密舉證包，在線上傳至監測核查系統。市級將衛星影像提取的疑似疫情發生小班下發到各縣（市、區）。外業調查人員利用手機、平板或者無人機進行拍照取證，根據疑似小班的地理位置，交通便利、外業人員易到達的區域，采取人工地面核查;外業人員不易到達且圖斑細碎、分布零散的區域，采取無人機單片核查;聚集成片的疑似小班，采取無人機成片核查[4-5]。通過“互聯網+舉證”技術，將現場調查采集的樹齡、死亡原因相關信息及圖片資料上傳至監測核查系統，實現枯死松樹的身份證化管理[6]

1.3枯死松樹人工智能識別系統

此次應用于枯死松樹識別提取的機器學習采用的是監督分類的方法。通過采集大量的枯死松樹與健康松樹樣本對監督分類模型進行訓練，讓模型學習自動識別枯死松樹的能力，最后，將訓練好的監督分類模型用于批量識別多張影像中的枯死松樹。對于無人機、手機或者平板等拍攝的影像，利用無人機POS數據、相機參數和DEM數據，能快速地將原始航片糾正到準確的空間位置，不損傷影像分辨率和紋理信息，再將多張影像導入訓練好的監督分類模型中進行快速自動判讀，獲取枯死松樹株數及位置信息，得到完整詳細的感病松林小班分布圖及枯死松樹的矢量數據見圖3。

襄陽市基于GNSS、衛星遙感、互聯網+等技術，研發了“襄陽市松材線蟲病疫情監測核查管理信息系統”（圖4），該系統通過WEB端和移動端相結合的方式核查圖斑信息，利用互聯網WEB端分發核查疫情疑似小班任務，利用移動端APP進行外業實地舉證，拍攝現場照片，填寫實地信息。該系統收集了襄陽市衛星影像數據、林業小班數據、高分辨率無人機影像數據，采用自動提取輔助人工判讀的方式對數據進行分析處理，獲取枯死松樹坐標定位、圖片、視頻等信息，形成了全市枯死松樹分布一張圖，管理者可以通過系統快速清晰地查看全市枯死松樹的空間分布及發生程度。

2枯死松樹天空地監測體系應用

枯死松樹天空地一體化監測是一個系統工程，衛星遙感、無人機航測、人工地面調查等技術都有其適用范圍和自身局限性[7]。衛星遙感技術覆蓋面廣、專業性強、時效性較差;無人機航測技術操作靈活，但是受地形影響較大;人工地面調查可以快速標記、取樣、檢測枯死松樹死亡原因。因此天空地監測技術是相輔相成的，也必須要依靠市、縣、鄉三級協同助力，基于此，襄陽市制定了枯死松樹天空地一體化監測市、縣、鄉聯動工作機制（圖5）。2020年以來，襄陽市先后3次運用枯死松樹天空地一體化監測體系對全市21.33萬hm2松林進行普查，相比傳統的普查方式，普查速度大幅提高，普查結果更加全面準確，為開展精準治疫、疫木身份證管理、防治效果督查等提供了可靠數據，基本實現疫情監測智慧化、管理信息化。

3結語

目前，天空地監測體系在枯死松樹監測中的應用還處于初級階段，通過衛星遙感技術獲取數據具有瞬時性，衛星影像受天氣影響較大，深秋季節其他變色木對解譯也會帶來干擾，因此遙感監測時間極其重要。南漳縣、保康縣、谷城縣的林區具有高海拔、大高差、弱紋理、弱信號的特點，這給外業航飛舉證以及內業影像解譯帶來了巨大挑戰，后續工作中，對于高海拔、大高差區域，為提高外業核查效率，將適當降低影像分辨率而采用多光譜相機進行拍攝。現階段的圖像判讀，必須要在自動判讀的基礎上輔以人工判讀，才能達到一定的準確率，提高人工智能識別準確率是當前需要解決的一個重點難題，因此，在今后的工作中，需要盡可能多的增加不同樣本影像加以訓練，如枯死杉木、紅色闊葉樹、不同發病期的松樹等樣本影像，以提高枯死松樹人工智能識別的準確率。

參考文獻

[1]李娟，姚翰文.我國松材線蟲病疫區現狀及管理對策[J].中國森林病蟲.2019，38（3）：45-46.

[2]武紅敢，王晗，常原飛，等.芻議枯死松樹的天空地協同監測技術體系建設[J].中國森林病蟲，2020，39（3）：35-39.

[3]吳瓊.基于遙感影像的松材線蟲病區域檢測算法研究[D].合肥：安徽大學，2013.

[4]張紅梅，陸亞剛.無人機遙感技術國內松材線蟲病監測研究綜述[J].華東森林經理，2017，31（3）：29-32.

[5]武紅敢，王成波，常原飛.變色立木的無人機遙感監測技術[J].中國森林病蟲，2019，38（4）：29-32.

[6]田新程.“互聯網+林業”：傳統林業進入“智能時代”[J].中國林業，2015（6）：6-13.

[7]鄧世晴.星天地協同的松材線蟲病疫區枯死松樹監測方法研究[D].上海：華東理工大學，2019.

（責任編輯：鄭京津）

作者簡介：陳英（1988～），女，工程師，主要從事林業有害生物防治工作。

劉厚超為通訊作者。