结合高分辨率宽幅面航空摄影的华山松枯死树监测

洪承昊， 徐国青， 彭寿连， 郑成林， 张 维

(1.湖北省林业科学研究院， 湖北 武汉 430075； 2.神农架林区林业科学研究所， 湖北 神农架 442400；3.湖北同诚通用航空有限公司， 湖北 荆州 434000； 4.神农架国家公园管理局， 湖北 神农架 442421)

森林生态资源的保护是林业工作的首要任务，其中国家公园生态地位极其重要[1-2]。神农架国家公园位于湖北西北部，林地占80%以上。神农架国家公园分布有华山松(Pinusarmandii)2万hm2，起着涵养水源、净化空气等重要作用[3-4]，然而近年来由于华山松大小蠹等病虫害造成的华山松枯死状况十分严峻[5-6]，受地势和条件限制，人工调查不能实现全覆盖[7]，而借助遥感卫星影响又受到天气、时相和精度等多方面的限制[8-9]，因此航空摄像是近年来逐渐被应用的一项重要技术手段。航空摄像具有时效性高、分辨率高、人为可控性强和使用成本低等特点，逐渐被越来越多研究学者和管理部门采用进行分析和风险评估[10-13]。国家公园是由国家批准设立并主导管理的具有国家代表性的大面积自然生态保护区域，是我国生态文明建设的重要内容。本次研究通过大面航拍监测神农架国家公园华山松病死树情况，通过连续3年定点航拍，获取精度不低于0.2 m的正射影像图，结合外业人工调查，对判图软件进行不断修正，对图像进行判图，对比航拍相片分析区内华山松发育生长状况，给管理部门提供基础数据。

1 研究区概况

神农架国家公园位于湖北省神农架林区，地处湖北省西北部，为我国西南高山向东部低山丘陵过渡地带，属秦巴—大巴山脉的延伸，平均海拔1800m，神农顶主峰高3106m，区内小气候特征显著，生物多样性丰富。2016年世界遗产委员会第40届会议上，湖北神农架正式列入《世界遗产名录》[14]，被誉为“北纬31°的绿色奇迹”。

2 仪器设备与研究方法

2.1 仪器设备

空中力士P750飞机：属固定翼有人机，由新西兰太平洋航空航天公司制造。载重量为1905kg，升程6000m，标准巡航250km·h-1，P750优点是起飞和着陆性能优异，几乎可以适应任何类型的地形，起飞距离只需要 220 m，降落距离仅需 166 m，非常适宜通用航空的广泛作业需求。

Leica DMC III 航摄仪：Leica DMCⅢ宽幅面航空摄影测量系统是针对航空应用专门打造的全新CMOS 传感器，单片传感器能够覆盖的最大幅宽，旁向 25728 像素，航向 14 592 像素。

软件系统套件：MisionPro和FlightPro飞行计划软件；GPS/IMU处理软件；HxMAP Core套件，针对DMC III 航摄仪设备推出的提供工程管理、质量检查、辐射校正工具和分布式处理功能；Inpho摄影测量处理系统；点云数据处理系统和枯死木智能判图系统。

2.2 研究方法

2.2.1 航拍飞行 2018—2020年，每年在8月—10月对国家公园2万hm2华山松林地进行航拍监测，每年飞行架次不一；通过该航拍航摄仪可达到单片旁向 25728 像素，航向 14592 像素的要求，较其他相机提高25%。覆盖监测范围均达到监测区域要求(表1)。

表1 航拍飞行执行情况Tab.1 The performance of flight execution 年份架次飞行高度/m飞行速度/(km·h-1)航拍面积/km2精度/m2018114 246≤2401 088≤0.2201944 246≤2401 088≤0.2202084 246≤2401 088≤0.2

2.2.2 数据处理 飞行结束后，将原始数据分4个不同波段储存，分别为：Partion1-Blue&Nir、Partion2-Green&Red、Partion3-Pana和Partion4-Panb。通过差分解算得到照片三维坐标和角元素值，再利用HxMap套件进行检校场数据，输出原始影像和初始曝光文件。预处理完成后，选取3年相同的区域生成正射影像。

2.2.3 枯死树判定 根据地面调查，将研究区华山松分为4种状态，即健康、亚健康、新枯死和枯死华山松。判定标准图见图1。健康华山松表现为没有受到病虫害侵害，松针表现为绿色；亚健康华山松表现为已经受到病虫害侵入，松针表现为浅绿或淡黄色;新枯死华山松表现为红色，结合地面调查该类型死亡1～2 a；枯死华山松表现为灰白色，树叶掉光，基本只剩主干，死亡时间在2 a以上[5，15]。

注：A健康;B亚健康;C新枯死;D枯死多年

3 结果与分析

3.1 枯死树总量

通过对神农架国家公园2018—2020年监测，结合人工地面采样调查和智能判图(表2)，显示2018年新枯死华山松最少，仅为1 701株，而2019年突增到2 473株，2020年有所降低，为1912株，表明新枯死树呈现波动增多趋势。

表2 三年间枯死华山松株数Tab.2 The number of dead Pinus armandii in the three years株航拍年份新枯死华山松枯死多年华山松2018年1 70120 2922019年2 47344 9502020年1 91254 217

经过检查和纠正后得出，2018—2020年，枯死多年的华山松呈增长趋势。其中，2018年为20 292株，2019年为44 950株，2020年则达到54 217株。

3.2 枯死树分布

从图2可以看出，横向比较3年间新枯死华山松(黑色点)和枯死多年华山松(白色点)基本都处在同一区域位置，甚至是相邻株或斑块，跳跃范围较小，表明病虫害等是沿着周围植株逐渐传播扩散到邻近植株，枯死植株呈条带状分布格局。

图2 2018—2020年航拍监测结果图Fig.2 Monitoring images from 2018 to 2020

纵向比较3年间，新枯死华山松(黑色点)和枯死多年华山松(白色点)分布格局，枯死树位置相对较为集中，分布区域大致相同，没有明显远距离扩散或呈现明显的新发点或面，但数量增加较为明显，枯死的时间在缩短。扩散范围和区域不大，都在斑块内传播扩散或邻近斑块。

从图3中可以看出，监测结果显示死亡华山松分布海拔相对较高，且都相对集中，感病华山松及枯死华山松基本上分布在海拔1 700 m以上，呈地带性分布。

图3 监测区域数字高程枯死华山松结合图(以2020年为例)Fig.3 Monitoring area of the dead Pinus armandii combined the DEM(take 2020 for example)

4 结论与讨论

(1)航空航天拍摄是大范围、精准调查和实时调查的一项重要技术手段，越来越多地被应用于生态学以及农林病虫害监测、预测预报和灾害评估等研究领域[16-17]。以往研究主要集中在某固定小范围[18-19]，或是已知区域，未有大面积的高精度监测，本研究基于此，通过连续3年航拍监测神农架国家公园的华山松生长和病虫害侵害情况，结果显示国家公园内华山松受到越来越多的病虫害侵入导致死亡，且呈现逐年增大的趋势，因此大面积的监测将有助于区域性综合治理。通过调查发现大部分死亡华山松均分布在海拔1 700 m以上区域，该区域也是自然生态环境较为恶劣的地区，如造成大面积林木死亡，短时间内将难以恢复，森林生态环境将遭到巨大破坏。相较于传统的和小范围点状的调查方法，航拍更能真实直观反映和估算实际情况，对生产实际更有指导意义，避免错漏，可节省不必要的浪费。

(2)基于高分辨率的航拍技术将成为今后发展的一个重要方向，然而在实际操作运用过程中也会面临一些问题。例如监测范围小、天气和小环境是影响拍摄的重要因素，在8月-10月监测华山松最为理想，然而该期间易受到云层、降雨等多方面的影响较大。林业大数据的应用，将会是现代化治理的重要技术基础，然而数据的获取和区分、林种类别划分、乔灌木林的区别、蓄积量和生长量的获取都还存在较大的技术难题，都还需要更为精准的识别[20-21]。其次在后期数据处理方面还较为复杂，例如如何剔除噪声影响、校正大气和地物反射的影响还需要做很多研究。