航空电子勾绘技术在林业有害生物监测中的应用

张 祺， 刘跃进， 黄向东

(湖南省森林病虫害防治检疫总站，湖南 长沙 410007)

航空电子勾绘技术在林业有害生物监测中的应用

张 祺， 刘跃进， 黄向东

(湖南省森林病虫害防治检疫总站，湖南 长沙 410007)

航空电子勾绘(D — ASM)是指采用遥感技术，利用飞机、绘图软件等平台，在空中将森林健康状况人工描绘在地图上的一项先进监测技术。本文介绍了航空电子勾绘技术的应用背景、技术原理及技术路线，通过在地面和空中的技术应用测试，提出了应用技术存在的问题，为今后技术改进和推广应用提供借鉴。

航空电子勾绘技术；测试；监测；应用；林业有害生物

1 应用背景

早在20世纪20～30年代，美国、加拿大等国就已经开始探索采用空中监测手段对森林健康状况进行调查。1919年，Gordon Hewitt在不列颠哥伦比亚省的蚊子繁殖区上空飞行后提出了使用飞机对森林昆虫进行调查。Miller在1925年运用开放式飞机对加利福尼亚内华达山脉的森林昆虫进行了监测。1930年，美国昆虫局在黄石国家公园利用一架森林服务飞机对爆发成灾的危害树皮的一种鞘翅目昆虫进行了空中监测。1931年，波特兰森林昆虫博物馆的Keen和华盛顿州消防协会的消防队长Cowan，在对华盛顿西南部一种铁杉尺蠖(Hemlocklooper)爆发情况勾绘过程中监测记录到了西北部两个州的森林昆虫爆发情况[1]。1947年，昆虫和植物检疫局、美国农业部、华盛顿州和俄勒冈州的联合协会、Weyerhaeuser公司等联合制定了年度空中监测系统。资深昆虫学者Buckhorn和林务官员J.Wear于1955年撰写了《森林昆虫空中监测组织与实施》[1]，第一次介绍了空中勾绘监测，该成果对航空监测技术的发展影响深远。航空监测技术50多年来一直被认为是大面积森林健康监测中高效、低成本的监测技术[2]。随着计算机和GPS技术的发展，航空电子勾绘监测已经成为航空监测的主导技术。1997年，美国农业部林务局和部分州政府联合成立了航空监测中心机构，重点研究统一的航空电子勾绘技术标准，以便更多的地区分享该技术成果。目前，美国已经出版了一些标准性的推广应用技术成果[3]，并发展成为世界上航空电子勾绘监测技术水平较高的国家。

在我国部分林区由于山高路陡林密，地面工作人员难以进入林内实施有害生物监测工作。目前，我国森林资源的监测技术手段尚处于较落后状态，加快以 GPS和GIS先进技术为支撑的林业有害生物监测体系，建设符合我国现代林业建设的发展要求。通过航空电子勾绘监测技术的综合集成应用，可以实现林业有害生物监测信息的快速采集和处理，实现地面监测网络难以覆盖或者覆盖困难的区域监测，也为林业有害生物灾害治理决策提供强有力的基础信息资料和决策支持。因此，航空电子勾绘技术的应用，与地面监测工作相结合，可大大提高全国林业有害生物监测的准确度，节省人力、物力和时间，达到降低监测成本的目标。为此，国家林业局造林绿化管理司与美国林务局州及私有林管理司(State and private Forest of US Department of Agriculture Forest service) 和遥感监测应用中心(Remote Sensing Applications Center of US Department of Agriculture Forest service)合作，将目前最先进的航空电子勾绘应用技术作为中美林业合作项目之一，引进中国。考虑到湖南省已经具备直升飞机和电子林相图两项航空电子勾绘技术应用的基本条件，在国家林业局的支持下，2007年确定将该项技术推广项目的实施任务交湖南省林业厅森防总站承担。

2 技术应用原理及技术路线

2.1技术原理

航空电子勾绘(D — ASM)是指采用遥感技术，利用飞机、绘图软件平台在空中将森林健康状况有目的性的人工描绘在地图上的技术。它是将技术人员、图形实时勾绘和科学数据收集相结合形成的操作模式，具有较强的主观性。监测技术人员在空中根据所观测到的森林健康变化和受危害情况，在地图上尽可能准确的描绘出受危害区域的大小、形状、地理位置，对不同的寄主、病因、症状和危害程度如受危害树的枯死株数估计进行记录。其中枯死林木株数估计，主要是针对树木枯死表现出明显的变色[4]以及变色枯死木成片区域大小等特征，通过目测或望远镜观察判断估测，主要适用于零星分散枯死松木的监测。该技术是一项集航空技术、GlS、GPS为一体的新型综合技术，它以3S技术为基础，通过图形勾绘软件平台对3S技术进行了更好的结合和提升，突出优势表现在信息获取与处理的高速、实时以及应用的高精度、可定量化等方面，也为具体监测人员提供更多的操作主动性，达到了集信息获取、信息处理、信息应用于一身的目的。

2.2基本构件

飞机一架，具有卫星定位(GPS) 功能的触摸屏式平板电脑一台，手写笔一支，直流和交流电源适配器及各种电源连接线一套，GPS接收器一台，绘图软件系统一套，电子背景图一套，图形处理软件系统一套。

2.3技术路线

将监测区域的电子地图数据(林相图或地形图)作为背景图导入绘图软件系统，进入绘图软件编辑界面，设置病虫害种类、危害程度以及常用数字等勾绘参数按钮。监测勾绘技术人员在空中直接观察受危害林分，借助GPS的导航定位功能，进入绘图软件系统的编辑勾绘界面，根据飞机携带的GPS在电子地图上的实时位置，用手写笔在电子背景图上勾绘记录林木灾害的分布、位置、程度以及病虫害种类等相关信息。勾绘完成后，将保存的勾绘数据通过图形处理软件系统进行编辑、修改、完善，最后导出林业有害生物监测信息数据，为林业有害生物防控工作提供决策依据(技术应用路线见图1)。

图1 技术应用路线图

3 设备及技术应用测试

3.1测试设备

汽车，R44直升飞机，手写笔，具有蓝牙功能的触摸屏式平板电脑(Motion Computing LE1600)，绘图软件(GeoLink Software w/internal software key操作界面见图2)，arcview GIS3.2a图形处理软件，长沙县、南岳区、石鼓区1∶10000电子栅格林相图，GPS接收器(Trimble GPS Pathfinder XB receiver)。

图2 绘图软件操作界面图

3.2测试方法

3.2.1 地面测试 选用长沙县星沙镇作为测试点，技术人员乘坐汽车进行测试，汽车行使速度40～60km/h。打开绘图软件的勾绘界面，通过选择图中明显地标物与实地地标物的位置对比，测试GPS接收器在地面接收信号的精确程度；在汽车行进中，测试电子勾绘设备运行状况。

3.2.2 空中测试 选用衡阳市南岳区和石鼓区作为测试点，技术人员乘坐飞机在监测区域上空进行测试，距离地面100～500m，飞行速度120～140km/h。南岳区：绕行一周，飞行时间35min；石鼓区：呈带状模式飞行，飞行时间90min。对地面枯死松木等明显标志物进行点或面的勾绘标记。

3.3测试结果

3.3.1 地面测试 参照地面明显地标和标志物，如汽车通过的桥梁、河流、公路等，GPS接收器在地图上的信号定位与汽车实际位置基本吻合，浮动范围在1m以内。(勾绘效果见图3)。

图3 长沙县星沙镇地面测试GPS航迹和勾绘效果导出图

3.3.2 空中测试 南岳区空中测试，在空中绘图操作系统运行流畅，航迹清晰，无间断，背景图与GPS接收数据信号配合紧密。石鼓区空中测试，GPS信号接收有滞后现象，即GPS反映的飞机位置与实际飞行位置滞后，飞行航迹实时显现有间断，但勾绘数据导出后航迹数据并未丢失。勾绘精确度不稳定，在图中勾绘枯死松木等明显标志物得出勾绘点的经纬度位置与实地位置对比，参照同等比例尺的地图，抽样查找实际枯死松木的位置，测量勾绘标记点经纬度位置与实地枯死松木位置的直线距离，得出勾绘偏差距离大小不等，最大距离60.9m，最小距离3.0m。(勾绘结果见图4，表1，表2)。

图4 石鼓区空中测试GPS航迹和航空勾绘标记点效果图

表1 石鼓区枯死松木航空勾绘标记抽样点原始数据(Lat经度;Lon纬度)NoShapeCodeLatLonDateTime1Point434005-126.95842469112.597141352009090915∶10∶102Point434005-126.97163681112.599171602009090915∶10∶343Point434005-126.95818799112.582847602009090915∶10∶574Point434005-126.99179301112.514112082009090915∶14∶455Point434005-126.99812329112.602244412009090915∶30∶586Point434005-126.98476767112.577333842009090915∶40∶237Point434005-326.99003959112.612599762009090915∶41∶088Point434005-126.98345939112.616687672009090915∶41∶419Point434005-126.97862124112.630284082009090915∶44∶4410Point434005-126.97241307112.603034732009090915∶45∶3511Point434005-226.96066416112.527755022009090915∶59∶2412Point434005-126.95815498112.524676182009090915∶59∶3813Point434005-126.95478871112.547414602009090916∶00∶4914Point434005-126.95238283112.558096812009090916∶01∶0115Point434005-126.95858070112.564769942009090916∶01∶1316Point434005-226.95732495112.569884792009090916∶01∶2617Point434005-126.94871978112.596807202009090916∶02∶0818Point434005-126.96232455112.605409362009090916∶02∶3419Point434005-126.95393287112.597410452009090916∶02∶40

表2 石鼓区抽样枯死松木实际经纬度位置及与勾绘标记点直线偏差距离统计表(Lat经度;Lon纬度)NoLatLon偏差距离(m)126.95842468112.597141314.1226.97163678112.599171105.9326.95818794112.582847107.1426.99179300112.514112053.1526.99812316112.6022443613.9626.98476741112.5773335936.1726.99003956112.612599763.0826.98345911112.6166874635.0926.97862180112.6302843060.91026.97241259112.6030347348.01126.96066411112.5277551614.91226.95815491112.524676249.21326.95478848112.5474160026.81426.95238280112.558096738.21526.95857980112.5647701321.01626.95732498112.569884845.91726.94871970112.5968062012.91826.96232451112.605409364.01926.95393277112.5974106825.1

3.4结果分析

地面测试和南岳区空中测试结果表明GPS接收信号精确度较高，勾绘设备及软件在空中和地面均能够正常运行。

石鼓区测试结果分析：电脑内存不足，长时间记录飞行勾绘数据，导致实时储存缓慢；Geolink绘图软件系统不稳定；绘图软件参数设置不当，有待进一步测试。

空中测试精确度不稳定的原因分析：勾绘技术人员缺乏相关培训，空中勾绘经验不足，对标志物在地图上的位置与实地位置的对应估测把握不准；勾绘时飞机飞行高度和速度不同会对勾绘人员勾绘标志物的位置估测产生一定的影响。

4 讨论

4.1技术优势

监测信息的获取及处理高速、实时，能够及时掌握林业生物灾害发生情况；技术具备信息数据定量化和处理数字化应用功能，有助于精确度的改善和提高；在大面积监测中节省人力、物力、财力；可以在地面监测人员因山高、林密、路陡等原因难以进入的区域实施监测。

4.2存在的问题

对勾绘监测技术人员要求高，监测勾绘的精确度受监测人员的主观性影响较大，需要对技术人员进行专业培训；航空电子勾绘系统误差有待于进一步针对不同区域、不同速度、不同高度、不同技术人员等相关参数条件进行综合对比分析；该项技术的应用实施受飞机条件的限制，对飞机应用的依赖性较强；绘图软件系统是由美国设计，技术推广应用需要对设备以及软件系统的参数设置进行改进，软件操作系统也需要全面汉化处理。

4.3应用前景

随着我国现代林业的发展，林业有害生物防治工作会逐步向防治的社会化、市场化方向发展。林业有害生物监测是林业有害生物防控工作的重要手段，随着地面人工监测成本的逐年增加，航空电子勾绘技术将会有更广泛的应用前景。目前，我国民用飞机应用技术不断发展[5]，各地机场和停机点正在不断建设完善，航空勾绘相关软件产品和硬件设备的不断创新完善，这都将为航空电子勾绘技术的应用提供更为便利的条件和更广阔的发展平台。笔者认为要想今后更好的在全国范围内推广应用航空电子勾绘监测技术，发挥其重要的应用价值，必须结合我国林业有害生物监测工作实际，对引进的航空电子勾绘技术设备进一步测试、完善，汉化处理，制定完善的应用技术规程。航空电子勾绘技术设备的引进和推广应用，必将对我国林业有害生物监测事业的发展具有十分重要的意义。

[1] Wear,John F.and W.J.Buckhorn. Organization and Conduct of Forest Insect Aerial Surveys in Oregon and Washington[M].OR,1955.

[2] Timothy J.McConnell,Erik W.Johnson， Barbara Burns. A Guide to Conducting Aerial Sketchmapping Surveys[M].FHTET00-01，2000.

[3] Ministry of Forests. Aerial Overview Surveys,Forest Insec-ts and Diseases Training Program,Participant’s Guide,version1.1[M].British Columbia Forest Service,1997.

[4] 石进,马盛安，蒋丽雅，等. 航空遥感技术监测松材线虫病的应用[J].中国森林病虫，2006，25(1)：18-20.

[5] 黄向东,张映炳. R-44直升机和DTM-4喷洒设备技术参数测定和使用效果[J].湖南林业科技，2008，35(6)：63-65.

(责任编辑：谭著明)

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