无人机监测林业有害生物初探

吕晓君 王君 喻卫国 曾博 冯春莲 姚清 华祥

摘要：为提高林业有害生物监测工作效率，提升监测工作的科技含量，特引进无人机进行监测试点。通过无人机对病虫害危害的松林进行低空航拍，然后将航片结合POS数据信息，制作出4 300 hm2的数字正射影像图（DOM）。随后利用松树受害后树冠颜色改变的特征，对DOM进行目视解译，再对目标虫害导致的变色枯死木进行定位标注，统计出作业区域内变色树木数量。

关键词： 无人机监测；林业有害生物；神农架；宜都

中图分类号：S763.42 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2016）04-0030-04

Abstract： In order to improve the efficiency and technology content of forest pests and diseases monitor， we specially introduced unmanned aerial vehicle to carry out pilot monitor. Firstly， Digital orthophoto map were made of low altitude aerial photos of pine trees endangered by pests and diseases，which were photographed by unmanned aerial vehicle， and POS data information. Secondly， the DOM were visually interpreted by the characteristics of pine leaves color change after damage by the pests. At last， the pines in different colors were located and marked and the number of different colors trees were counted in the working area.

Key words： unmanned aerial vehicle monitor；forest pests and diseases；Shenongjia；Yidu

林业有害生物监测工作通常依靠固定监测点、临时踏查等方式的地面调查采集基础数据，但是由于林地面积大、山区地形复杂，仅靠人工采集数据，工作量大，效率低，林业有害生物监测的覆盖面、准确性等都面临很大挑战。特别是山高坡陡的地区，人力难以到达，存在监测盲区。

近年来，无人机航空遥感技术、地理信息技术、智能化的外业调查及数据处理技术等发展迅速[1-3]，已经在气象观测、民政救灾、国土测绘、电力石油巡线等领域获得广泛应用，同时在森林防火[4-6]、林业资源调查[7-8]、农业病虫害监测[9-11]也有部分应用，且已经显示出先进性、高效性。但将其用于林业有害生物的监测，尚处于起步阶段，广东、广西、天津、浙江、河南、山东等省份有专家学者对其进行相关研究报道[12-14]。通过把无人机航空遥感的精度高、实时性强、起降安全方便，和外业调查信息化及数据处理设备规范性强的优点结合起来，进行林业有害生物的监测管理工作，能够更高效、全面地掌握林业有害生物发生情况，还可以对枯死树进行精准定位。本文通过无人机检对湖北省神农架林区小蠹虫危害华山松和宜都市松材线虫危害马尾松进行遥感监测，并将监测结果进行总结报道，为湖北省林业有害生物监测工作提供技术支撑和经验借鉴。

1 作业地点及对象

作业地点选在神农架和宜都市。神农架选取小蠹虫危害的松林，宜都市选取松材线虫病危害的松林。本次作业，由于神农架区域地形和气候条件恶劣，航拍共实施了4个架次，其中2015年7月31日的飞行为有效架次；宜都区域的地形和气候条件相对较好，于2015年11月3日执行1个架次飞行作业。具体作业区域如下。

（1）神农架区域：东经110°18′19″、北纬31°38′51″；东经110°20′13″，北纬31°38′51″、东经110°20′13″、北纬31°29′38″；东经110°18′19″、北纬31°29′38″四点内的区域。

（2）宜都区域：东经111°28′48″、北纬30°14′58″；东经111°33′31″、北纬30°14′59″；东经111°33′30″、北纬30°12′50″；东经111°28′47″、北纬30°12′50″四点内的区域。

2 设备及参数

IRSA-II型无人机（青山绿水通用航空有限公司提供。主要参数为：巡航速度100 km/h、最大载荷4 kg、最大航程180 km、最大飞行速度90 km/h、最大航时2 h、控制半径30～50 km、飞行高度海拔4 500 m）。

3 技术流程

3.1 前期准备

航线规划（一般要求航向重叠度达到70%、旁向重叠度达到35%以上）；申请空域，由于航测区域可能覆盖民航航线，飞行前按照国家空域管理的相关规定，向相关军区和民航空管处进行申请和报备；获取控制资料信息、林相图等。

3.2 数字影像获取

天气晴朗、光照充足、大气能见度好、风力小于4级（起飞后可抗6级风）的条件下，无人机可以起飞。在相对高度500～1 500 m的高度可获取测区高分辨率（地面分辨率优于0.2 m）的航拍图片。

3.3 变色、枯死林木信息提取

把航拍获得的图片、相机参数、航迹信息、无人机姿态信息等交付遥感数据处理人员，结合POS数据信息，利用空中三角测量技术制作1∶2 000分幅的数字正射影像图（DOM）。然后对DOM进行目视解译，发现变色树木后，快捷的定位变色、枯死树木的位置，形成矢量数据文件。然后进行人工精细判图，对目标虫害导致的变色枯死木进行标注，并对其位置坐标进行了准确定位。

4 作业成果

4.1 神农架

神农架的飞行作业信息见表1。按照测绘技术要求对航片进行拼接和匀光匀色等处理，并对本项目的坐标系统进行了转换。常规航测产品是经过投影的直角坐标系统，根据本项目后期应用需求，对数字正射影像转换成WGS84坐标系统下的大地坐标，形成约2 500 hm2的数字正射影像图（DOM）。

4.2 宜都市

宜都市的飞行作业信息见表1。按照测绘的技术要求对航片进行拼接和匀光匀色等处理。由于宜都作业当天空中雾气较大，为了提高图像拼接效果，技术人员对原始图像还进行了除雾处理。图像拼接完成并加载地理信息后，同样也进行了坐标系统转换。最终形成了基于WGS84大地坐标的数字正射影像图（DOM），面积约为2 100 hm2。

5 图像判读

使用数据库管理ArcGIS软件、无人机航测数据处理软件MAPAT和遥感图像分类ERDAS软件等，对图像进行处理：①数据整理。下载并检查图像和数据，对不符合后期内业要求的图像，进行补充飞行；将单幅遥感图像与姿态数据、曝光点坐标、时间这三项数据对应起来，制成数表备用；②影像几何校正。进行GPS辅助空中三角测量，进而可利用无控制点或少控制点技术，对特征区域很少的林区进行较高精度的几何校正。③影像镶嵌与裁剪。运用遥感软件中的图像拼接功能，将影像拼接成一幅图像，便于进行后续的裁剪等处理；图像裁剪主要运用图像掩膜技术与被裁剪图像做交集运算，计算所得图像就是图像裁剪结果。④图像增强。采用一系列措施改善图像的视觉效果，提高图像的清晰度、对比度，突出所需的信息，选择突出便于人或计算机分析某些感兴趣的信息，抑制无用信息，以提高图像的使用价值。其方法包括：对比度增强、空间滤波、色彩转换等。⑤专题信息提取。在数字正射影像图上，通过人工目视解译获取变色和枯死树木分布的矢量信息[15-16]。

5.1 神农架

华山松受小蠹虫危害的影响主要表现为以下几种特征：受害半年以内：枝梢被害率达20%以上，呈黄色或黄褐色，呈不规则形状，多以单株分布；受害1 a以上：全部失叶、枯立木，呈灰白色或褐白色，树冠成菊花状，多以单株分布，部分呈片状分布。

本次判图即针对以上两种情形，对枯死木进行标注定位。选择1∶600的视觉比例尺进行疑似华山松小蠹虫致病枯死变色树的人工判读与标示。判图后共标注出疑似枯死1 a以上变色树14 000余处（红色），标注出疑似枯死半年以内枯死树1 100余处（黄色），并制作出位置坐标信息统计表（数据量庞大，不详细列出）。监测区疑似枯死树点分布效果见图1。

5.2 宜都市

松材线虫病所表现出来的外部症状是针叶陆续变为黄褐色乃至红褐色，萎蔫，最后整株枯死。选择1∶600的视觉比例尺，对疑似松材线虫病导致的变色枯死树进行人工判读与标示，判图后共标注出疑似目标症状变色树4 900余处（红色），并制作出位置坐标信息统计表（数据量庞大，不详细列出）。监测区疑似枯死树的点分布效果如下。

6 结论与讨论

（1）本次无人机监测作业区域共覆盖4 600 hm2松林，分别针对小蠹虫和松材线虫致死的变色枯死木进行低空遥感监测，共飞行5个架次，获取了近2 000张清晰的航拍图片，并制作了4 300 hm2的1∶2000分幅、地面分辨率优于0.2 m的监测区整体正射影像图；通过人工精细判图，定位标注疑似变色枯死树。

（2） 在无人机监测结果基础上，下一步开展人工地面抽样调查，得出样地内目标害虫致死的林木在所有枯死木中的比例，再计算出整个监测区内目标害虫致死的林木数量。最后制作出位置坐标信息统计表，为研究害虫的传播扩散规律[17-18]打基础。

（3）通过该监测试点项目，充分体现了无人机低空遥感技术和航空测绘技术在林业有害生物监测领域的应用价值，能对人力难以到达的高山陡坡全覆盖，快速确定虫情的危害分布情况并获得相关图表信息数据。且效率极高，在1 d内可完成数千公顷的精准监测，大大减轻人力劳动强度。

（4）对于地势起伏较大的地区，为了获取理想的航片，可从可见光摄像传感器件、航线规划两方面着手：一是采取无人机携带大面阵航空数字相机、克服地形起伏给航片带来的畸变；二是根据山地的等高线设计航拍路线，在面积不大的时候采取等高线飞行的方法进行遥感数据获取；大面积的时候采取携带大面阵航空数字相机方法获取遥感数据。

（5）由于该监测方式是利用可见光进行分辨，只能对树冠颜色发生改变的受害木进行监测，因此，监测的对象有局限性。为尽量提高准确度，可从两方面考虑，一是尽量避免在阔叶树树叶变色的季节的航拍；二是在航拍时，取火烧木、自然死亡木、树叶本身颜色接近死树树冠颜色的树种各若干，标记每棵树的经纬度，最后在人工判读时，按照经纬度找出这些树在图中的位置，以这些树冠颜色为参照，筛选出颜色值一致的树木，以排除目标害虫致死的枯死树颜色类型[19]。

（6）目前，图像判读工作只能依靠人工，这是该工作中比较费时环节，因此开发出可自动判读的软件，是下一步需要研究的方向。

参 考 文 献

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