湖北松材線蟲病衛星遙感監管技術初探

戴 麗 周席華 羅治建 武紅敢 陳 亮

(1. 湖北省林業有害生物防治檢疫總站 武漢 430070；2.中國林業科學研究院資源信息研究所 北京 100091； 3.國家林業和草原局林業遙感與信息技術實驗室 北京 100091)

2021年全國松材線蟲病疫情發生面積和病死樹的數量自2013年以來首次實現“雙下降”，全國松材線蟲病疫情擴散速度減緩，防控成效初步顯現。近年來高分辨率商業衛星的發展為松材線蟲病的監測提供了新的數據保障，相對于傳統觀測方法，衛星遙感在森林病蟲害調查方面有著諸多優點：獲取信息快，更新周期短；受地面條件限制少，節約人工成本；探測范圍大等[1]。此外，能夠增強人們在宏觀尺度獲取動態、即時數據的能力，為松材線蟲病監測提供了重要的數據支撐[2]。近十年，不少專家學者通過各種高分辨率的遙感衛星影像技術，獲得了不少研究成果，Takenaka 等[3]利用帶有紅邊波段的WorldView-2/3影像計算了18種植被指數，提取不同感病程度的疫木總體精度分別達到72%和98%。黃芳芳等[4]利用原始波段反射率和RVI、NDVI和DVI三種光譜指數對湖北省宜昌市松材線蟲病發生情況進行監測，平均精度在76%以上。馬云強等[5]利用融合后0.8 m的北京2號衛星影像計算RGI指數提取了馬尾松林地中的松材線蟲病疫木區域，總體精度達到90.65%。Huang 等[6]基于高分影像構建松材線蟲病樣本數據集，利用松材線蟲病發病區深度學習技術，可以實現松材線蟲病感病區域的準確識別。Zhang等[7]利用基于雙時相變化檢測對影像進行了時空特征增強，排除了區域內變色落葉樹的干擾，對比單時相機器學習分類方法顯著降低了疫木的錯檢率。毛亦楊等[8]基于多季相BJ-2、GF-2等數據，較高精度地提取了新豐江水庫周邊山林的枯死松樹，為邊遠山區的松材線蟲病疫情宏觀監測開展了有益探索。

為進一步強化湖北省松材線蟲病疫情防控工作，構筑疫情防控的監測體系，可采用天空地協同監測和調查，運用衛星遙感大范圍預警、無人機區域精準監測和地面人工核查(含取樣、檢測)等手段，極大提高疫情監測及普查的效率。推廣從松樹亞健康生長狀態預警、疫情監測到疫木除治的信息化技術應用，打造以小班為單位的疫情精細化監管平臺，及時準確掌握疫情發生底數和動態變化，打好疫情防控攻堅戰，徹底遏制松材線蟲病疫情嚴重發生和擴散蔓延的勢頭，是現階段維護森林生態安全的主要舉措。本研究簡要概述了亞米級高分辨率衛星數據的應用現狀及湖北省開展異常變色林木衛星遙感年度監測情況，提出了天空地一體化的松材線蟲病協同監管技術，以期為省級林業森防部門開展松材線蟲病監測提供技術支撐。

1 亞米級高空間分辨率衛星遙感技術及其應用

1.1 亞米級光學衛星數據發展概況

衛星遙感的優勢在于大范圍連續的空間覆蓋能力，而松材線蟲病疫木通常是離散分布，且監測尺度為單株(簇)，因此衛星影像的空間分辨率需要達到米級或亞米級。美國Space Imaging公司的IKONOS衛星是首顆星下點分辨率優于1 m的商業衛星，它于1999年9月24日成功發射，可采集1 m分辨率全色和4 m分辨率多光譜影像，即全色和多光譜數據可融合成1 m分辨率的彩色影像，開啟了亞米級衛星遙感的新時代。中國于2014年8月19日在太原衛星發射中心用“長征四號乙”運載火箭發射GF-2衛星，成功入軌并穩定運行至今，標志著中國遙感衛星也進入亞米級“高空間分辨率時代”。自2014年民營資本進入國內商業航天領域以來，高景系列、北京系列、長光系列等數十顆0.5 m分辨率商業衛星不斷發射，有效填補了國內空白。

1.2 單木尺度的衛星遙感技術應用現狀

森林的最小個體是單木，單木監測在古樹名木、城市綠化、松材線蟲病等領域中具有重要意義。從遙感數據識別地物目標的能力來看，0.3～1.0 m的高空間分辨率衛星遙感數據宜識別2.0～7.0 m的“點狀”地物。衛星遙感應用于單木尺度的監測局限于失葉、失水、失色、死亡、消失(砍伐)等整體外部形態的變化，無法滿足枝條級局部變化的發現。因此，亞米級高空間分辨率遙感數據在單木尺度的森林資源精準監測中發揮著重要作用。

科研學者利用多種光學遙感數據，取得了較為實用的成果，喬睿等[9]采用World View-2多光譜數據,基于二次型分類器,實現了“紅葉松樹”的識別或提取。楊雪峰等[10]利用0.5 m的融合WorldView-2衛星遙感數據，提取了塔里木河下游胡楊林單木樹冠、樹高等信息，為實際生產提供了重要基礎信息。郭昱杉等[11]基于QuickBird數據，采用標記分水嶺分割算法較好地提取了不同郁閉地林分的樹冠。沈利強等[12]綜合面向對象方法和水文分析技術，提出了一種新的單株林木信息提取方法，并成功運用Pleiades衛星數據實現了單株木的識別，極大減小了工作量。董新宇[13]使用局部最大值法和標記控制分水嶺分割算法，基于WorldView-3圖像分別進行了單株油松林木的識別與樹冠提取，均取得了很好的結果。鄧世晴[14]基于RGNDI(紅綠歸一化植被指數)，利用GF-2和ZY-3國產數據，區分了福建晉江紫帽山松材線蟲病疫情程度。徐培林等[15]綜合應用GF-2、BJ-2和Geoeye-1數據，實現了四川省大面積染病木的識別和研判，科學有效地分析了各區縣的感染情況，為后續的無人機精細化遙感監測和疫情詳查提供了科學支撐與依據。這些研究充分表明亞米級高空間分辨率衛星遙感數據具備單木尺度的要素提取和變化信息的監測能力。

2 湖北異常變色(亞健康)林木的衛星遙感年度監測

2.1 衛星數據及其預處理

自2019年以來，湖北省利用GF-2、GF-7、北京二號、長光系列等國產高分辨率衛星數據，實施春秋兩季(春季5～7月，秋季9～10月)松材線蟲病疫情監測，以便快速掌握重點疫區、疫點鄉鎮異常變色林木分布及變化情況，為松材線蟲病疫情的發現、疫木除治效果監管提供了數據支撐，可有效督促指導全省各地松材線蟲病疫情防控工作。

影像處理方面采用并行化的衛星遙感處理軟件，以每季滿足時相要求的0.8 m分辨率衛星數據為數據源，使用湖北全省優于1 m的高精度衛星影像作為平面控制資料，對每季覆蓋監測區的遙感影像進行正射校正、融合等預處理，加工形成空間定位精度小于10 m且色彩清晰的遙感影像成果。

2.2 異常變色林木提取結果及分析

采用人機交互結合方式提取異常變色林木，既能保證信息提取的質量，又能提高作業效率，減輕人工工作量。首先構建異常變色林木解譯標志，根據解譯標志及遙感影像建立信息提取知識庫；其次在分析解譯標志特征后，選擇相應的算法對衛星遙感影像進行自動識別；接著內業人員根據經驗和輔助資料等對自動提取的成果進行人工核查與編輯，以確保成果的準確性；最后再結合外業核查結果進行最終更正。

2.3 年度監測結果的應用

目前，湖北省共累計使用657景亞米級高分辨率衛星開展松材線蟲病變色立木遙感監測，其結果多次為湖北省春季除治情況核實核查、秋季普查監測、日常災情監測、指導核查問責等工作提供支撐服務，2019～2021年湖北省松材線蟲病枯死樹明顯減少。

表1 2019～2021年衛星遙感監測結果匯總表

2.3.1 松林小班異常變色林木的監測

結合天、地不同監測方式的優勢和特點，通過衛星遙感監測技術可及時發現異常變色或枯死林木(圖1)，并下發衛星遙感監測異常點位至各市、縣，有效指導了現有基層森防單位開展疫情地面核實和排查，及時發現并報告疫情，形成優勢互補、全面準確的立體監測體系，實現疫情的早發現、早除治，有效控制疫情的傳播蔓延。

圖1 異常變色林木影像圖

2.3.2 疫木除治清理工作的評估

疫木除治清理工作是減少松材線蟲病傳染源的重要基礎。湖北省松材線蟲病疫木除治清理工作任務繁重，為了有效督導各地開展疫木除治清理工作，通過上年度秋季和本年度春季的兩期衛星監測結果的對比分析，可發現疫木除治清理工作的盲點和死角，對疫木除治清理工作實施科學評價(圖2)。

圖2 疫木除治效果影像圖

3 湖北松材線蟲病的省市縣協同監管

3.1 夯實各級政府的管理職責

《森林法》《森林病蟲害防治條例》《植物檢疫條例》《湖北省林業有害生物防治條例》《黨政領導干部生態環境損害責任追究辦法(試行)》《松材線蟲病生態災害督辦追責辦法》等有關法律法規中明確指出松材線蟲病疫情防控實行地方各級政府負責制，縣級以上地方各級林業主管部門負責本行政區域松材線蟲病的監測預警、檢疫檢驗和防治督察以及相關技術服務、業務培訓等。為此，湖北省各級林業主管部門都制定了切實可行的監測普查和取樣、檢測技術規程，現階段異常變色林木監測是松材線蟲病疫情普查的前奏，更是災前預警的唯一“指征”。因此，加強省、市級林業主管部門的預警能力建設至關重要，要充分保障“全覆蓋”、“準實時”、“高準確度”的紅葉松樹高效率識別，為疫情檢測和精準防治提供科學支撐與時間保障，而高空間分辨率衛星遙感技術則是滿足該需求的重要技術手段之一。

3.2 省、市級異常變色林木的遙感監測技術

根據近三年的衛星監測應用實踐，采用國產分辨率優于1 m的GF-2和GF-7衛星數據開展松材線蟲病異常變色林木的遙感監測，基本可以滿足樹冠直徑5 m以上大樹(或樹叢)樹冠失色(變紅)的識別，但對于染病初、中期的局部癥狀(黃葉或橙葉)靈敏度有限。本研究總結歸納了服務于省市級松材線蟲病預警服務的異常變色林木衛星遙感監測技術流程(圖3)。衛星遙感具有覆蓋大、周期性的特點，更適宜于省市級森防主管部門組織開展宏觀監管與評估。雖然衛星遙感技術仍然面臨難以全覆蓋(云及陰影覆蓋區無法監測)、數據時相難以保障(無有效監測數據)、監測精度有待提高(中幼齡林無法監測、干擾信息眾多)等技術難題，但其客觀、宏觀、科學的技術優勢毋庸置疑，將會是中國松材線蟲病疫情預警的重要技術手段，是省市級森防機構實施監管和技術指導的重要保障之一。

圖3 省、市級異常變色立木衛星遙感預警監測技術流程

3.3 區縣級松材線蟲病疫情防控技術

衛星遙感宏觀預警監測是當下大范圍發現疫情線索的最佳手段之一，其監測結果必須依靠基層(縣級)森防單位利用無人機遙感或地面人工調查等技術手段把異常變色林木這種定性信息細化成疫木數量等定量信息，才能為松材線蟲病防治提供科學保障。優于10 cm 的無人機遙感數據基本可以滿足變色松樹的識別，實現死樹株數的初步統計。與地面核查相結合的無人機監測技術是區縣級森防部門獲取枯死松樹位置、計算枯死樹數量、掌握局地枯死樹分布的有效手段，也是作為核定松樹枯死木清除工程量、申報除治項目經費預算、檢查枯死木清除任務完成情況的重要手段，以期實現疫情早發現、早報告、早除治，及時控制疫情的傳播蔓延(圖4)。

圖4 區縣級松材線蟲病疫情防控技術流程

松材線蟲病枯死松樹的高效、及時和全覆蓋監測是松材線蟲病疫情防控的基礎，只有將航天、航空和地面遙感技術與傳統地面監測手段進行有機結合，揚長避短，形成天空地協同的立體監測技術手段，逐步建立起具有準確防治數據支持的監管技術體系，才能全面掌握松材線蟲病發生現狀及發展趨勢，真正實現科學的綜合防控，徹底扭轉松材線蟲病防治能力與生態文明建設不相適應的被動局面[16]。

4 結語

2019年以來，湖北省通過衛星遙感監測為松材線蟲病疫情春季除治情況核實核查和秋季普查等工作提供了支撐服務，并逐步建立了一套以衛星遙感廣域普查、無人機區域詳查、人工地面核查3種方式結合互補的松材線蟲病天空地立體監測監管模式。目前，衛星遙感監測已成為全省松材線蟲病新疫情發現、疫情核查、應急監測、防治督導的重要手段之一，為人工地面調查的傳統模式提供補充，成為獲取疫情信息、開展督導監管的重要途徑。

松材線蟲病作為外來有害生物入侵中國已40年，給森林生態系統帶來災難性損失，快速動態精準監測和科學除治是遏制其擴散蔓延的重要保障。遙感、導航等空間信息技術是時空動態信息獲取的重要手段，因此，在松材線蟲病疫情綜合治理過程中，需要充分挖掘和應用遙感技術，繼續探索和完善高新技術應用并賦能省級預警和監管，全面服務于松材線蟲病疫情防控。