多光譜無人機在林業有害生物監測中的應用探討

章武英，趙 強

（1.甘肅林業職業技術學院，甘肅 天水 741020；2.甘肅省天水市麥積區林業和草原局，甘肅 天水 741020）

在傳統的林業有害生物防治模式中，主要是通過建立人工監測點，并進行定期地巡查。但是在2018年機構改革之后，由于林地面積較大，且缺乏專業技術人員，這些因素加大林業有害生物防治機構工作人員的工作量和工作難度，從而使監測結果的準確度大大下降。松材線蟲病是世界上全森林生態系統中最嚴重的病害之一，又叫作松樹的“癌癥”。我國19個省（區、市）731個縣級行政區發生疫情，面積超過180萬公頃，致死松樹數十億株，發生區域已突破年均溫10℃的理論生理環境，同時危害松樹種類和威脅我國松林資源的安全。松材線蟲病具有蔓延速度快、影響面積廣、治理窗口期有限等特點，嚴重制約著松材線蟲病害的快速治理，低成本、高精度、高效率的監管巡查方式是松林監管的迫切需求。隨著無人機制造技術的迅速升級，加速無人機在森林有害生物防控工作中的推廣與應用。在森林面積較大、分散度較高的情況下，當樹木上出現有害生物時，如果僅依靠人工進行防控，防控工作就會變得很困難。而使用無人機進行藥物噴灑則會極大地提升林地工作效率，同時也能通過無人機每天巡邏，及時發現害蟲的同時防止害蟲的擴散。

1 傳統林業有害生物調查與監測方法分析

1.1 直接觀察法

選擇一定樹齡的單一樹種為研究對象，對其發生的危害程度、發生數量等進行了直接觀測。在對生物群落進行考察時，第一，對快速運動的大型昆蟲進行了細致地觀察。第二，注意緩慢移動的小昆蟲的狀態和物種。為了更好地認識該地區的蟲害，應在昆蟲形態和種類的基礎上，詳細地記載被測植物的生育階段，并詳細地記載被測植物的方位和位置，以便更好地認識該地區的蟲害。

1.2 振落法

可以采用振落的方式，在植株的垂直投影區域內，將一塊白色的樣品布放在地上，用手掌輕拍樹干，將害蟲落在白樣布上，最終對白樣布上的害蟲進行統計并記錄，但該調查方法不適合跳躍的昆蟲和飛行的昆蟲。

1.3 誘捕法

誘捕方法是采用一種行之有效的手段對害蟲進行捕獲，并對所捕獲的害蟲進行調查，這種方法費用低廉、使用方便、專業度高、捕殺效率高等優點，在森林病蟲害的監控中，較為常用的是性激素誘殺和照明誘殺，并且收效十分顯著。所謂“光誘”，就是指在特定的光線下，對昆蟲進行誘捕。大多數的昆蟲在達到成熟期后，可以將具有特殊氣味的痕量化學物質釋放到身體外，從而吸引同類的不同種類的昆蟲前去交配。制成引誘物后，可以把引誘物放入特制的引誘物中，最終可計算出被捕獲害蟲的具體數量。

1.4 掃網法

掃網方法比較適用于對寄生在灌叢中的葉子下的蟲子進行搜索，將網孔放入植株葉片之間，以S型橫掃，并進行種群計數。

1.5 隨機抽樣法

對被調查的樣本進行編號，按照順序進行隨機抽樣調查，最終可以按照抽樣的結果進行統計。

1.6 順序抽樣法

根據樣方的總體尺寸，按次序進行取樣，取樣方法有，棋盤取樣、平行取樣、五點取樣、對角線采樣等。隨機采樣法簡單、方便、節約時間，但不能準確地計算出樣本間的差值。5點取樣規則，即根據某一種植物的數目、面積和長度，選擇5個樣點進行取樣。棋盤采樣法更適合于密度較大的昆蟲和植株。對按常規營建、人工種植、蟲害分布均勻的樹種，采用平行采樣方法更為適宜。

2 無人機在林業有害生物監測中的應用優勢與意義

2.1 靈活和機動性

無人機作業最大的特點就是靈活機動，目前使用的無人機多為四旋翼無人機，這種無人機起降方便，不需要特殊的起飛裝備和場地。且無人機的速度很快，不僅可以在一片區域內巡邏，還可以從空中俯瞰整片區域。目前可在無人機上安裝高清攝像設備，拍攝到清晰圖像，管理者就能準確地分析出森林中的害蟲和害蟲的種類，從而提前做出應對措施。才能確保樹木的健康生長。

2.2 可減少成本支出

傳統的林業防治工作主要依靠人工，當林地面積大、分布分散時，僅靠人工巡查往往會耽誤很多時間。此外，人工觀測通常僅能觀測到樹的較低部分，不能有效地觀測到較高部分的葉片，具有一定的盲區。這種方法不但會耗費大量人力，而且對森林害蟲的監測也不夠全面。對林木害蟲的控制也會喪失先機。而無人機則可以做到這一點，而且還可以通過無人機來進行農藥的噴灑，加快防控的速度。

2.3 可實現查防一體化目標

無人機可以選備的設備很多，包括攝像設備、數據和信息傳輸系統、農藥噴灑設備等，這些設備都很齊全，使用起來也很方便，可以有效地減少天氣、地形和交通狀況等對森林病蟲害的不利影響，同時還能增強數據的完整性和圖像的清晰度。此外，若有攜帶噴霧裝置的無人駕駛飛機，在偵測到蟲情并確定后，可即時實施噴霧控制。

3 航空遙感監測原理與方法

3.1 航空遙感監測原理

松樹感染松材線蟲病之后，松樹的針葉內部組織結構、含水量以及葉綠素含量等都會產生相應的變化，典型癥狀就是葉片會轉變為黃褐色，嚴重后轉變為紅褐色，最后完全枯萎死亡。按照松樹的冠層表征特點，健康的為綠色、染病初期黃色或紅褐色、全部染病的為紅褐色、枯死為偏灰色。這一現象在遙感多光譜特征中的體現較為明顯。無人機多光譜遙感監測技術就是運用這個原理進行松材線蟲疫木監測，通過遙感圖像信息采集設備采集松樹針葉的變化信息，并對其進行對應分析和分類識別，進而掌握松樹的健康狀況。

3.2 輔助資料收集

首先在“地理空間數據云”平臺下載研究區域所在的高分遙感數據進行正射校正、融合及鑲嵌等處理，獲取后續勘測、規劃及設計所用的基礎影像數據，其次還需要收集森林資源二類調查數據、研究區域所在的行政區劃圖以及地形圖等相關資料。

3.3 飛行內業準備

根據近15天的天氣預報安排飛行時間，確定一個工作時段，按照林場小班所在的工作范圍及坐標，將需要的空域資料提前提交給航空管理部門。根據試飛要求，將小型試飛場進行分區。為了確保在高低不平的地面上進行數據融合，所以在航程中，每一個航程的高差都要控制在30%以下。擬在400～600米的高空，基于相機參數和0.1～0.2米空間分辨率，要求航向重疊度80%，側向重疊度70%，以確保遙感圖像的重疊度，提高數據的獲取效率，并完成無人機的航跡測繪。通過對無人機航跡的現場調查，確定最近的一塊平地，并在該平地上設置起飛點。還要檢查飛行器和傳感器設備，主要包括遙控器、電池及移動設備的電量是否充足、相機是否能正常工作等。另外，在所劃定的區域，還對小班進行實地踏勘，以便對比數據。

3.4 航空遙感數據的采集

可見光遙感、多光譜遙感、高光譜遙感在林業應用中較為普遍。多光譜遙感除可見光的紅綠藍波段外，還包括紅外、微波等波譜范圍，所獲的圖像在各個波段能生成為一幅灰度圖像。按照遙感任務需求，首先在地面控制系統中進行航跡規劃，并依據地形、光照等情況設定航線、航速、航高，以及遙感傳感器的采集方式、速度等參數，并將參數載入到無人機系統和遙感傳感器系統，進行拍攝采集，最后將拍攝的圖像數據進行存儲或傳輸，用于后續圖像分析。

3.5 內業數據處理

利用Pix4D軟件對數據實施配準、拼接與輻射定標，生成DOM和DSM影像數據?；谶b感影像處理系統提取變色立木（松材線蟲病疫樹）的位置信息，長光禹辰的Ysense map軟件系統可以通過死木識別和定位模塊實現對疑似病木的自動識別，對實驗區的死木數據進行自動提取和統計，得到疑似病木的地理位置，并根據病木的光譜圖，實現對病木的光譜圖的識別。然后在ArcGIS軟件中制作出松材線蟲病疫樹木的編號及位置等屬性信息矢量圖形。

3.6 外業核查

對無人機獲取影像數據中的松材線蟲病疫樹的坐標和屬性，到樣區實地進行外業核查與驗證，查看無人機監測疫木的數量與實際核查數量之間的相近度。通過人工踏勘，對其所在小班的疑似疫病木數量進行統計，驗證無人機遙感技術的準確性，計算確認率（確認率為人工踏查數與無人機遙感監測數之比）。許銳、劉洪劍等在“無人機多光譜遙感技術在松材線蟲病疫區疑似疫木普查監測中的應用”一文中提到3次驗證的準確率都超過80%。

3.7 結果生成

以行政區劃圖為地理底圖，按作業樣區制作合適比例尺的枯死松樹分布圖，以枯死松樹小班為地理地圖制作枯死松鼠小班分布圖，并且基于小班和枯死松樹的位置，通過運算提取枯死樹木的編號、經度和緯度、小班和林班號、小班面積等屬性數據制作出明細表和統計數據。

4 問題與展望

目前，采用的手工實地考察方式效率低，驗證率低，費用高；存在著作業耗時較長、視覺死角較大等缺點。利用多波段遙感監測森林凋落物的空間分布具有效率高、覆蓋范圍廣、數據精度高的特點。尤其是在疑似疫樹種的普查和監控中，能夠有效地補充常規監控方法的不足，提高監控的工作效率，大幅減少監控的時間。綜合準確地調查數據，可為未來在高發病地區砍伐病原植物奠定基礎。死亡木材的數目是一個不斷變化的過程，并將隨著一段時間的延長而逐漸增多。這一現象的發生，很有可能是由于在所觀察到的初期，一些松林尚未出現凋零跡象，而隨著一段時間之后，這些松林就會變得虛弱，最后變成黃色而死去。

基于無人機可見光、多光譜、高光譜的低空遙感監測技術逐漸成熟，光譜特征上的差異可以用于松材線蟲病的動態監測，很多公司也致力于研究松材線蟲病疫木的識別技術研究，比如長光禹辰的多光譜數據應用軟件Ysense map中選擇450、555、660、720、750和840納米6個波段作為實驗對象，觀察光譜在不同波長下的反射率，經過觀察結果表示，在660納米波長下，健壯樹木和輕微病害樹木、嚴重病害樹木和病死樹木的差異明顯。

監測調查是林業有害生物制定防控計劃工作的重要基礎，也是影響到林業蟲害防治效果的重要因素。一般來講監測的結果越是詳細和真實，其制定的防治方案也就越為科學，防治的結果也會越來越明顯。并且在林業病蟲害防治期間，專業技術人員需要結合監測結果選擇防控方法和用藥的種類與數量，提升防治方案的靈活性與準確性。而利用無人機技術對林業病蟲害實現全面動態監測，可擴大監測的具體范圍，特別是在一些地勢較為復雜和人工難以監測到的盲區有著十分明顯的效果。

無人機監測技術在對林業有害物種類加以確定之后，還能夠對其發展趨勢進行判斷，分別去準確定位變色樹、異常林和枯死木，分析發生林業病蟲害的主要原因，對有害生物發生的規律加以總結，推測未來一段時間內是否會再次發生，避免林木損失等。同時林業有害生物的防控機構還可根據微信公眾號、報刊、電視等媒體對無人機技術在林業有害生物防治工作中的重要應用，對無人機傳輸回來的影像和信息加以公布，明確林業有害生物及時防控的重要性和重視程度，適當去增加巡查的頻率，將有害生物大面積暴發的問題扼殺在搖籃中，減少林業生產的損失。

綜上所述，傳統的林業監測與防控效率都十分低下，單純依靠人力難以實現快速、高效的林業病蟲害林木監測。本文經過初步的研究內容，表示利用無人機多光譜遙感技術可以及時發現被監測區域死亡松樹的動態變化情況，有利于松線蟲病的及早發現與防治，這對于其他林木的病蟲害防治和監測而言也是一種重要的技術手段參考。希望在無人機多光譜遙感技術的支持下，能夠避免林業病害區域擴大，減少經濟損失，實現林業產業的健康、可持續發展。