无人机搭载多光谱相机监测松材线虫病的研究

黄宝华

（烟台市不动产登记中心，山东烟台 264003）

目前，航空航天遥感图像主要运用于国内外森林病虫害的监测[1-2]，高空卫星受空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率和外界天气等因素影响，无法实时获取影像数据，监测松材线虫（Bursaphelenchus xylophilus）病的效果不理想[3]。有人机航空遥感由于费用高和空域管理等条件限制，不能作为日常的森林病虫害监测手段，只能在重大灾情发生时作为卫星遥感的补充。无人机遥感技术具有低成本、低损、可重复使用、高时效和高分辨率等优势，具有广阔的应用前景[4-6]。

1 材料与方法

1.1 航拍区域

航拍区域为山东省烟台市牟平区松材线虫病疫点，属人工黑松（Pinus thunbergii）林，范围为西北角（121°7'33.82''E，37°7'18.23''N）、东北角（121° 7'42.78''E ，37° 7'18.31''N）、东南角（121°7'44.08''E ，37°7'54.14''N）和西南角（121°7'54.28''E，37°7'34.43''N），面积约为1.2 km2。为避免干旱致死和变色树木对松材线虫病致死松树数据统计的干扰，采样时间为9月24日。

1.2 主要仪器设备

MS600 型通用多光谱相机，主要包括相机主机、下行光传感器和GPS 模块；像素1280×960，地面像元分辨率（GSD）7.5 cm/pix。MS600相机可实现最多6 个通道光谱图像数据的同步获取和17 种波长滤光片的配置。本研究采用蓝色（450 nm）、绿色（555 nm）、红色（660 nm）、红边（710 nm）、近红外（840 nm）和近红外（940 nm）6 个波段数据来提取松树线虫病的信息。利用波长325 ～1075 nm范围的ASD Field-SpecHandHeld 2分光辐射谱仪测定黑松光谱。利用ViewSpec Pro后续处理光谱软件分析光谱。

1.3 试验方法

测定研究区域内健康黑松、黑松感染松材线虫病后出现初期症状和典型症状的光谱和特定内含物（含水量、叶绿素a、b和类胡萝卜素含量）的数据，分析感病黑松的光谱和特定内含物变化信息。利用无人机获取研究区域的黑松多光谱影像数据，根据上述分析结果采用不同方法在影像上提取感病黑松初期症状和典型症状信息。

1.3.1 一阶导数黑松感病信息提取

光谱微分技术通过对反射光谱的数学微分计算提取光谱参数。该技术能部分消除大气效应和植被环境背景（土壤、阴影等）的影响，反映植物的本质特征[7]。植被指数被认为是反映波形形态变化的反射光谱导数，其与植被的叶绿素、水和氮等生物化学元素吸收波形密切相关，计算所得数据可用于植被生物化学信息的分析。光谱微分公式为：

式中，λi为波长，ρ'（λi）为波长λi处的一阶微分光谱，Δλ为相邻两波段间的波长。

1.3.2 叶绿素吸收比比值指数

利用不同叶绿素含量的叶片550 和700 nm 的反射率比恒定的特点，将其与670 nm 的吸收相结合，构造叶绿素吸收比比值指数（CARI）。CARI 能有效地减少冠层非光合作用引起的光合有效辐射变化造成的影响，但很容易受背景土壤反射率的影响，背景反射率的变化会影响550 ～700 nm 波长反射率的一阶导数。背景反射率对（R700-R550）的影响大于对（R700-R760）的影响，使用比值R700/R670抵消背景对（R700-R550）的影响，构建了改进型叶绿素吸收比比值指数（TCARI）。表示为：

其中，R700为700 nm 反射率，R670为670 nm 反射率，R550为550 nm反射率。

1.4 数据获取与测定

利用分光辐射谱仪测定研究区域内健康、具有初期症状和典型症状黑松各10个样本的光谱信息，每个样本测定10组数据，取平均值作为该黑松的光谱反射率。从对应位置采集小段样品进行含水量、类胡萝卜素和叶绿素含量的测定。在实验室用电子天平称取样本鲜重（精确至0.1 g），然后将样本放入烘箱中105 ℃杀青15 min，再将烘箱温度调到80 ℃烘干至恒重，计算含水量。叶绿素（丙酮）在652（混合）、663和645 nm 有最大吸收峰，叶绿素（95%乙醇）在665 和649 nm有最大吸收峰，类胡萝卜素在470 nm有最大吸收峰，此时在分光光度计下测定吸光度，求得叶绿素和类胡萝卜素的含量。利用无人机搭载的MS600型通用多光谱相机获取地面多光谱影像数据。

2 结果与分析

2.1 黑松症状与特定内含物含量关系分析

黑松感染松材线虫病后，针叶颜色出现明显的渐变过程，由绿色逐渐变成无光泽的黄色，再变成红或褐色，呈干枯状，直至整株松树死亡；整个过程中针叶萎蔫但不脱落，据此将林间黑松分为健康、初期症状和典型症状3类采集标本（图1）。

测定9个样本的含水量、叶绿素a、b和类胡萝卜素含量，其中1、2和3号样本为健康，4、5和6号样本为初期症状，7、8和9号样本为典型症状（表1）。

图1 健康、初期症状、典型症状黑松的表象特征Fig.1 Symptoms of health,initial symptoms and typical symptoms of P.thunbergii

表1 样本含水量、叶绿素a、b和类胡萝卜素含量Tab.1 Water content,contents of chlorophyll a and b and carotenoids of samples

黑松含水量与感病程度呈线性关系（R2=0.890 5），在健康状态和出现初期症状时波动不明显，由63.40%降至54.80%，在出现典型症状时大幅降低（17.44%）。叶绿素含量和含水量呈相同趋势（R2=0.713 2），在健康状态和出现初期症状时变化不明显，由12.23%降至6.28%，在出现典型症状时大幅降低（3.01%）。其中，叶绿素a 含量的相关性（R2=0.732 8）大于叶绿素b含量（R2=0.581 1）。类胡萝卜素含量与感病程度呈不规则关系，相关性很小（R2=0.189 6）。含水量和叶绿素含量可作为黑松感病的监测指标，尤其是在典型症状期的灾情评估时。

2.2 黑松症状及其光谱特征分析

健康黑松具有典型植被光谱特征，由于其叶冠叶绿素含量多，蓝、红外波段吸收率高，近红外波段反射率高，红边位置明显；出现初期症状时，由于针叶枯黄，蓝、红光波段吸收率下降，绿光、红外波段反射率也下降，并呈现明显的红边向长波方向位移态势；出现典型症状的黑松，由于缺乏水分和叶绿素，针叶颜色发生变化，近红外光区峰值明显下降，甚至消失，整个反射光谱曲线较平缓（图2）。根据不同光谱曲线可以确定黑松林感病程度。

植物光谱响应曲线中的红边转折点定义在光谱反射曲线一阶导数达最大值的720 nm 附近，表现结果是健康黑松在720 nm 处的一阶导数值比感病黑松的一阶导数值高（图3）。这是因为当黑松感染松材线虫病后，叶片会出现颜色改变或外观改变等，叶片的反射光谱也随之明显改变。黑松红边位置与其健康度的对应值分别为0.187 4、0.209 0 和0.221 0，呈增大趋势。

图2 黑松不同状态下的光谱Fig.2 Spectrum of P.thunbergii under different conditions

图3 感病黑松和健康黑松光谱一阶导数Fig.3 First derivative of spectrum of infected and healthy P.thunbergii

2.3 监测结果与分析

采用人工目视解译方法对红边（660 nm）、绿边（555 nm）和蓝边（450 nm）合成的RGB 真彩色影像进行勾画，其中健康黑松为绿色、出现初期症状的黑松为黄色，典型症状的黑松为红色或褐色，部分阴影根据周边情况进行判别划分。共解译出感病黑松133株，其中初期症状52株，典型症状81株。

2.3.1 提取方法分析

通过健康、初期症状和典型症状黑松的TCARI可以看出，3类黑松的TCARI值有重叠，因此根据TCRAI值区分感病黑松和健康黑松误差较大，但它们的一阶导数具有明显的层次感，且利用一阶导数可以很好地抑制背景信息，能够很好地区分不同状态的黑松信息（图4）。因此，一阶导数影像相对于TCARI 影像，能更好地反映黑松感染松材线虫病的情况（图5）。

2.3.2 枯死松树统计数据

通过多光谱影像数据一阶导数可以看出，710 nm的一阶导数影像可获得最好的黑松感病信息，其中健康、初期症状和典型症状黑松的一阶导数均值分别为0.033 6、0.093 4和0.196 4，光谱一阶导数值随着感病程度的增加而增加；一阶导数标准差分别为0.008 3、0.019 1和0.037 8，基本在各自均值附近，因此可采用一阶导数影像提取黑松感病信息（表2）。

图4 TCARI和一阶导数Fig.4 TCARI and first derivative

图5 感病黑松一阶导数、TCARI图像Fig.5 First derivative of infected P.thunbergii and TCARI

表2 黑松一阶导数和TCARI信息统计量Tab.2 First derivative and TCARI information statistics of P.thunbergii

通过上述分析，设置一阶导数值0.05 ～0.15 为初期症状黑松，0.15 ～0.32 为典型症状黑松，共提取图斑757 个，经过合并得到133 株感病黑松。现场对133 株感病黑松进行核查（图6），找到全部感病立木，由于该区域基本为人工黑松林，其余阔叶树木较少，因此外业确定感病黑松检测准确率为100%。

图6 感病黑松提取结果Fig.6 Extraction results of infected P.thunbergii

3 结论与讨论

松材线虫病是松属树种的一种毁灭性病害，它的侵染能引起寄主植株多种生理生化指标发生改变，植物光谱特征随之发生变化[7]。本研究利用无人机搭载多光谱相机，采集和分析黑松健康、感病初期症状、后期典型症状的树冠层的光谱数据和特定内含物参数（含水量、叶绿素a和b、类胡萝卜素含量），为建立大面积快速、准确的松材线虫病疫点遥感监测预警系统奠定基础。明确了黑松感染松材线虫病后的症状与含水量和叶绿素含量呈明显线性相关，与类胡萝卜素含量相关性较小。黑松感病后出现初期症状时，蓝、红光波段吸收率下降，绿光、红外波段反射率也下降，并呈现红边位移态势；黑松感病后期出现典型症状时，相关数值明显下降，甚至消失，整个反射光谱曲线较平缓。健康黑松在720 nm 处的一阶导数值比感病黑松的一阶导数值大。相对于叶绿素吸收比比值指数，一阶导数能更好地提取感病黑松信息。

本研究存在一些待解决问题，一是通过遥感影像无法区分病死原因；二是部分感病致死的黑松多株相连，导致感病树木个数统计错误；三是由于阴影的存在导致图像不连片，提取感病黑松株数精度降低。下一步可结合地面采样和适合的分辨率影像数据来提高感病黑松数量提取精度。