成像光譜遙感在森林病蟲害監測中的應用研究

文 明 郭吉朋 金錢榮

（云南森林自然中心，云南 昆明 650224）

病蟲害是林業生產的天敵，據不完全統計，我國每年因病蟲害導致的林業生產經濟損失超過50億元人民幣，而隨著林業生產產品的不斷豐富，產值不斷增加，病蟲害所帶來的直接、間接經濟損失將不可估量，因此，需要盡一切手段對森林病蟲害進行防范，當發生病蟲害時，則要做到第一時間處置，將影響控制到最低，這就需要準確、及時的監測手段。隨著相關學科技術的發展和進步，遙感技術在森林病蟲害監測工作中發揮出越來越重要的作用。自20世紀中后期，遙感技術開始被應用到森林病蟲害的監測當中，而隨著技術的突破，成像光譜遙感技術在森林病蟲害監測工作中發揮出了非常重要的作用。

1.成像光譜遙感監測森林病蟲害的原理

利用遙感技術監測森林病蟲害，其基本原理，是發生病蟲害的植株外觀會發生變化。部分病蟲害會導致植株落葉、枯萎，嚴重時可能導致樹木的主干壞死，另一部分病蟲害，對植株造成的影響由內而外，葉片內部結構率先會發生變化。還有一部分病蟲害會在葉面留下一定的殘留物、影響葉片的葉綠體含量等等。遙感技術能夠利用光譜反射成像，實現對植株的監控，并針對差異進行報警。

成像光譜技術是近年來日趨成熟的新遙感技術，相比于上一代的多光譜遙感技術，成像光譜技術具有更多的波段及更高的光譜分辨率及空間分辨率。在實際的森林病蟲害監測工作中，很多種類的病蟲害在初期可能只存在于個別植株，且產生的影響小，傳統的多光譜遙感技術對這類植株的細微變化掌控力度差，分類精度和反演精度低，導致比較依賴人工查驗，不僅增加了人工的工作量，還可能導致監測出現偏差，部分病蟲害因此沒有得到及時地處置，造成了更加嚴重的經濟損失。

2.成像光譜遙感技術在森林病蟲害監測中的應用

2.1 星載成像光譜儀

星載成像光譜儀即利用衛星作為載體，實現大空間尺度森林病蟲害監測。目前常見的應用于星載的成像光譜儀，主要包括MODIS光譜儀以及Hyperion光譜儀，這兩種光譜儀皆為中分辨率成像光譜儀。

MODIS光譜儀有36個波段，空間分辨率能達到250米，衛星搭載后，可以實現對固態地球、生物圈、海洋、大氣、地表環境等的動態監測，因此，針對大面積的森林監測具有較為不錯的效果。MODIS光譜儀針對大面積的森林病蟲害進行監測，不過該種監測模式由于空間尺度過大，對于細微處的病蟲害掌握和監測效果不佳，應用于受災嚴重地區監測則比較敏感，準確度能顧達到85%以上。

Hyperion光譜儀則是世界上第一個應用于民用衛星的成像光譜儀，具有一定的時代意義，其空間分辨率最大可達30米，雖然在監控范圍方面不如MODIS光譜儀，但是應用在大面積的森林病蟲害監測仍舊非常有效。一般來講，利用Hyperion光譜儀能夠實現多個大型監控區域的森林病蟲害進行監控，并利用相關指數將病蟲害的嚴重程度進行對比區分，便于統籌調配人力進行病蟲害的處理，提高病蟲害的治理效果和效率。同時便于進行數據的收集和分析，對于科研方面也會起到巨大的幫助。

2.2 機載成像光譜儀

機載成像光譜儀即利用飛機作為光譜儀的載體，實現對森林病蟲害的監控。在實際應用當中，從第一臺機載光譜儀問世至今，已經過去了幾十年，在這數十年的發展過程中，機載光譜儀的監測水平得到了極大程度的提升。通過調整飛行高度并匹配不同型號的機載成像光譜儀，其監測空間分辨率能夠在1納米到10米之間自由切換，完全能夠適應絕大多數的森林病蟲害監測應用場景，分類精度超過70%，部分應用場景中，分類精度能夠超過90%。

而隨著時代的發展和進步，機載成像光譜儀的應用被賦予了新的生命，這主要得益于無人機技術的大力發展。就現階段來講，由于無人機本身操作簡單、飛行和使用成本低、不受航道限制、靈活自由等諸多優點，在低飛行高度、小范圍森林病蟲害的監測工作中，能夠準確地探查病蟲害的發生位置及爆發程度，為森林病蟲害的防控提供了重要的依據，總體監測精度超過80%，而隨著無人機技術的不斷推進，相信機載成像光譜儀也會成為森林病蟲害監測的重要發展趨勢之一。

2.3 地面成像光譜儀

地面成像光譜儀是星載光譜儀及機載光譜儀的重要補充，尤其是隨著相關技術的不斷發展和進步，當前的地面成像光譜儀已經發展成為一種具備便攜能力的儀器，能夠充分應對森林管理工作中較為復雜、惡劣的工作條件，實現單人操作，快速、準確地了解森林制備的各種信息、雖然地面成像光譜儀的空間分辨率較小，不適用于大尺度區域森林病蟲害的監測，但是其成像分辨率高，能夠精準提取植被信息，做到植株的準確識別和分類，植株的準確生化反應等，這不僅對于森林病蟲害的監測具有重要意義，還對于林業管理、規劃、重點野生植物的保護及研究等具有重要意義。

但是，由于目前地面成像光譜儀受限于空間分辨率，雖然能夠精確了解植株的實際情況，但是不能進行大面積監測，而且依賴人工操作，相關工作人員的工作條件大、工作任務重、工作難度高，因此，目前地面成像光譜儀多被應用于果園、草場、植物園、園林景觀等的病蟲害及長勢監測，在森林病蟲害的監測工作中，目前一般是針對重點區域監測，如發現病蟲害的周邊區域、發現零星病蟲害的區域等，從應用的方便程度和整體的數據精度來看，地面成像光譜儀的應用前景十分廣闊，在未來將會具有更多的應用場景。

2.4 室內成像光譜儀

室內成像光譜儀主要應用于實驗室對植株形態、結構、特征的解析和觀測，具有精度高的特點，當植株出現某種新型病蟲害時，將患病害植株移栽到實驗室，利用室內成像光譜儀進行分析，能夠確定不同病害階段的植物特征，進而便于對病蟲害進行深入了解，其研究意義大于監測意義，是當前的成像光譜遙感技術中，精度最高的一種。

3.成像光譜遙感技術在森林病蟲害監測工作中的應用方法

3.1 提取生化參數

在對森林病蟲害進行監測的過程中，為了提高監測的精度，應該針對監測區域進行一定的監測試驗，來提取部分生化參數，作為該種植株特定病蟲害的重要監測參考指標。例如，感染松材線蟲病的馬尾松葉片葉綠素含量下降，而正常的葉綠素含量的馬尾松與葉綠素含量下降的患病馬尾松，在某一波段下特征存在顯著差異，這樣就可以通過設置特定的波段或者波段組合，實現對馬尾松林的松材線蟲病實時動態監控了。

3.2 提取光譜特征參數

植被光譜特征參數，是用來描述植被反射光譜成像的一個重要指標，由于植被的不同生化反應狀態，其反射的光譜特征也存在一定的差異，尋找健康植被和患病植被的各種光譜特征中差異較為顯著的光譜特征參數，便于對植被的生長狀態進行區分和監測。

常用的森林病蟲害監測光譜特征正常，主要包括植被指數、紅邊指數以及歸一化植被指數。

植被指數是對地表植被生長狀態的一種簡單、有效的度量，不同植被的不同生長狀態，其植被指數存在差異，因此利用成像光譜儀的成像特征參數，就能實現植被的分類和生長狀況的動態監控。當前被定義并廣泛應用的植被指數有40種左右，想要針對某一植被的實際病蟲害情況進行監測，還需要通過相關文獻以及大量的試驗確認多種植被指數的使用。

紅邊指數則一般是針對700-780納米波段光線來講，在該波段下，葉綠素處于強吸收紅光并散射近紅外光的過渡階段，因此在反射圖譜中形成類似邊界的紅光，被稱為紅邊，紅邊指數主要指的是紅邊的位置以及斜率，其中紅邊位置最為常用，通過對健康植被的紅邊位置進行提取后，對比監測對象的紅邊位置，若紅邊位置向長波方向移動，則證明該植被的葉綠素含量較高，長勢良好，這種現象被稱為‘紅移’，相反，當植被出現病蟲害，葉綠素含量下降，葉片殘缺不全甚至枯萎，都會導致紅邊向短波方向移動，被稱為‘藍移’。可見，利用紅邊指數能夠實現對植被長勢的動態監測，進而發現植物可能出現問題，但是一般不能確認是何種病蟲害導致，需要進一步進行監測和觀察。

歸一化植物指數是近紅外通道和紅光通道反射率的差值與和值間的比值，該值主要應用于對植被生長的早期和中期的長勢進行監控，借助紅藍通道與近紅外通道組合使用，能夠有效消除大氣對成像光譜技術的影響，對于星載成像光譜儀與高空機載成像光譜儀的應用具有重要的價值。

3.3 建模反演

建模反演實際上是利用成像光譜技術獲取的光譜特征建立研究對象與光譜特征之間的模型函數關系，通過函數關系的建立，進而推演出研究對象現階段的生長狀態及空間分布情況，一般來講，建模反演的模型常用一元回歸模型，多元線性回歸模型或者非線性模型等。就當前的建模反演技術，已經能夠在較大的空間尺度下，分析某種植被的不同長勢和分布情況，并且能夠根據模型推演出長勢不良植被的原因，進而精準地了解病蟲害的發生情況。

4.成像光譜技術未來在森林病蟲害監測工作中的發展趨勢

4.1 不同尺度監測手段的綜合應用

如上文所言，星載成像光譜儀與高空機載成像光譜儀的空間分辨率高，監測尺度大，但是精度不足，往往只能對較為嚴重的病蟲害災情進行監測。而低空無人機載成像光譜儀以及地面成像光譜儀空間分辨率較小，對于操作人員依賴性強，但是監測的精度較高，能夠幫助監測人員進行病蟲害的分類和定位。在未來，應該將大尺度和小尺度的監測方式進行結合，利用小尺度監測模式收集到更加精確的光譜特征，再利用建模反演將小尺度光譜特征應用到大尺度大面積的森林病蟲害監測工作中去，實現二者的有機結合。

4.2 建立相關數據庫

相關數據庫的建立是非常繁瑣復雜的，需要巨大的工作量作為支撐，但是該項工作絕對是利在千秋的具有劃時代意義的工作。就目前而言，不同的植被種類、面對不同的病蟲害，所表現的光譜特征存在一定的差異，在進行監測時，選取何種光譜特征進行監測能夠具有較高的準確度，一直是困擾相關工作人員的一個主要問題。目前的相關研究和數據的分享顯然不夠，研究的對象往往只針對幾種具有較高經濟價值和種植面積的品種，且對應的病蟲害數據不全，不同研究的差異也較大，沒有信服力。

通過室內成像光譜技術，將不同的植物受到不同病蟲害侵擾的情況通過實驗的方式進行數據記錄，找到健康植被與患病害植被之間的光譜特征差異點并進行記錄，便于后來的工作人員快速準確地進行森林病蟲害的監測工作，確保工作成果和效率。

4.3 智能化森林病蟲害監測系統

智能化森林病蟲害監測系統是建立在數據庫建設基礎之上的，利用計算機系統鏈接相關數據庫，對成像光譜儀的監測結果直接進行對比分析，結合數據庫中的資料，進行相應的預警并能夠給出合理的處置對策，這樣不僅僅能夠提高森林病蟲害監測及病蟲害處置的效率，與此同時，還有助于降低相關崗位人才的門檻，解決當前森林病蟲害防治和監測相關人才缺口巨大的問題，一舉多得。

5.結束語

總而言之，對于林業生產來講，病蟲害的發生具有一定的隨機性、突發性，傳播速度快、對植被破壞驚人，一旦發生大規模的病蟲害，對于林業生產的打擊非常致命。雖然當前我國在進行林業生產時對病蟲害的防治手段多樣，但是不論是化學防治、物理防治還是生物防治，都難以實現完全避免病蟲害的發生，在這樣的情況下，精準、實時地監測及快速地反應就顯得尤為重要，而成像光譜技術能夠有效提升監控的精確度，值得推廣使用。