成像光谱遥感在森林病虫害监测中的应用研究

文 明 郭吉朋 金钱荣

（云南森林自然中心，云南 昆明 650224）

病虫害是林业生产的天敌，据不完全统计，我国每年因病虫害导致的林业生产经济损失超过50亿元人民币，而随着林业生产产品的不断丰富，产值不断增加，病虫害所带来的直接、间接经济损失将不可估量，因此，需要尽一切手段对森林病虫害进行防范，当发生病虫害时，则要做到第一时间处置，将影响控制到最低，这就需要准确、及时的监测手段。随着相关学科技术的发展和进步，遥感技术在森林病虫害监测工作中发挥出越来越重要的作用。自20世纪中后期，遥感技术开始被应用到森林病虫害的监测当中，而随着技术的突破，成像光谱遥感技术在森林病虫害监测工作中发挥出了非常重要的作用。

1.成像光谱遥感监测森林病虫害的原理

利用遥感技术监测森林病虫害，其基本原理，是发生病虫害的植株外观会发生变化。部分病虫害会导致植株落叶、枯萎，严重时可能导致树木的主干坏死，另一部分病虫害，对植株造成的影响由内而外，叶片内部结构率先会发生变化。还有一部分病虫害会在叶面留下一定的残留物、影响叶片的叶绿体含量等等。遥感技术能够利用光谱反射成像，实现对植株的监控，并针对差异进行报警。

成像光谱技术是近年来日趋成熟的新遥感技术，相比于上一代的多光谱遥感技术，成像光谱技术具有更多的波段及更高的光谱分辨率及空间分辨率。在实际的森林病虫害监测工作中，很多种类的病虫害在初期可能只存在于个别植株，且产生的影响小，传统的多光谱遥感技术对这类植株的细微变化掌控力度差，分类精度和反演精度低，导致比较依赖人工查验，不仅增加了人工的工作量，还可能导致监测出现偏差，部分病虫害因此没有得到及时地处置，造成了更加严重的经济损失。

2.成像光谱遥感技术在森林病虫害监测中的应用

2.1 星载成像光谱仪

星载成像光谱仪即利用卫星作为载体，实现大空间尺度森林病虫害监测。目前常见的应用于星载的成像光谱仪，主要包括MODIS光谱仪以及Hyperion光谱仪，这两种光谱仪皆为中分辨率成像光谱仪。

MODIS光谱仪有36个波段，空间分辨率能达到250米，卫星搭载后，可以实现对固态地球、生物圈、海洋、大气、地表环境等的动态监测，因此，针对大面积的森林监测具有较为不错的效果。MODIS光谱仪针对大面积的森林病虫害进行监测，不过该种监测模式由于空间尺度过大，对于细微处的病虫害掌握和监测效果不佳，应用于受灾严重地区监测则比较敏感，准确度能顾达到85%以上。

Hyperion光谱仪则是世界上第一个应用于民用卫星的成像光谱仪，具有一定的时代意义，其空间分辨率最大可达30米，虽然在监控范围方面不如MODIS光谱仪，但是应用在大面积的森林病虫害监测仍旧非常有效。一般来讲，利用Hyperion光谱仪能够实现多个大型监控区域的森林病虫害进行监控，并利用相关指数将病虫害的严重程度进行对比区分，便于统筹调配人力进行病虫害的处理，提高病虫害的治理效果和效率。同时便于进行数据的收集和分析，对于科研方面也会起到巨大的帮助。

2.2 机载成像光谱仪

机载成像光谱仪即利用飞机作为光谱仪的载体，实现对森林病虫害的监控。在实际应用当中，从第一台机载光谱仪问世至今，已经过去了几十年，在这数十年的发展过程中，机载光谱仪的监测水平得到了极大程度的提升。通过调整飞行高度并匹配不同型号的机载成像光谱仪，其监测空间分辨率能够在1纳米到10米之间自由切换，完全能够适应绝大多数的森林病虫害监测应用场景，分类精度超过70%，部分应用场景中，分类精度能够超过90%。

而随着时代的发展和进步，机载成像光谱仪的应用被赋予了新的生命，这主要得益于无人机技术的大力发展。就现阶段来讲，由于无人机本身操作简单、飞行和使用成本低、不受航道限制、灵活自由等诸多优点，在低飞行高度、小范围森林病虫害的监测工作中，能够准确地探查病虫害的发生位置及爆发程度，为森林病虫害的防控提供了重要的依据，总体监测精度超过80%，而随着无人机技术的不断推进，相信机载成像光谱仪也会成为森林病虫害监测的重要发展趋势之一。

2.3 地面成像光谱仪

地面成像光谱仪是星载光谱仪及机载光谱仪的重要补充，尤其是随着相关技术的不断发展和进步，当前的地面成像光谱仪已经发展成为一种具备便携能力的仪器，能够充分应对森林管理工作中较为复杂、恶劣的工作条件，实现单人操作，快速、准确地了解森林制备的各种信息、虽然地面成像光谱仪的空间分辨率较小，不适用于大尺度区域森林病虫害的监测，但是其成像分辨率高，能够精准提取植被信息，做到植株的准确识别和分类，植株的准确生化反应等，这不仅对于森林病虫害的监测具有重要意义，还对于林业管理、规划、重点野生植物的保护及研究等具有重要意义。

但是，由于目前地面成像光谱仪受限于空间分辨率，虽然能够精确了解植株的实际情况，但是不能进行大面积监测，而且依赖人工操作，相关工作人员的工作条件大、工作任务重、工作难度高，因此，目前地面成像光谱仪多被应用于果园、草场、植物园、园林景观等的病虫害及长势监测，在森林病虫害的监测工作中，目前一般是针对重点区域监测，如发现病虫害的周边区域、发现零星病虫害的区域等，从应用的方便程度和整体的数据精度来看，地面成像光谱仪的应用前景十分广阔，在未来将会具有更多的应用场景。

2.4 室内成像光谱仪

室内成像光谱仪主要应用于实验室对植株形态、结构、特征的解析和观测，具有精度高的特点，当植株出现某种新型病虫害时，将患病害植株移栽到实验室，利用室内成像光谱仪进行分析，能够确定不同病害阶段的植物特征，进而便于对病虫害进行深入了解，其研究意义大于监测意义，是当前的成像光谱遥感技术中，精度最高的一种。

3.成像光谱遥感技术在森林病虫害监测工作中的应用方法

3.1 提取生化参数

在对森林病虫害进行监测的过程中，为了提高监测的精度，应该针对监测区域进行一定的监测试验，来提取部分生化参数，作为该种植株特定病虫害的重要监测参考指标。例如，感染松材线虫病的马尾松叶片叶绿素含量下降，而正常的叶绿素含量的马尾松与叶绿素含量下降的患病马尾松，在某一波段下特征存在显著差异，这样就可以通过设置特定的波段或者波段组合，实现对马尾松林的松材线虫病实时动态监控了。

3.2 提取光谱特征参数

植被光谱特征参数，是用来描述植被反射光谱成像的一个重要指标，由于植被的不同生化反应状态，其反射的光谱特征也存在一定的差异，寻找健康植被和患病植被的各种光谱特征中差异较为显著的光谱特征参数，便于对植被的生长状态进行区分和监测。

常用的森林病虫害监测光谱特征正常，主要包括植被指数、红边指数以及归一化植被指数。

植被指数是对地表植被生长状态的一种简单、有效的度量，不同植被的不同生长状态，其植被指数存在差异，因此利用成像光谱仪的成像特征参数，就能实现植被的分类和生长状况的动态监控。当前被定义并广泛应用的植被指数有40种左右，想要针对某一植被的实际病虫害情况进行监测，还需要通过相关文献以及大量的试验确认多种植被指数的使用。

红边指数则一般是针对700-780纳米波段光线来讲，在该波段下，叶绿素处于强吸收红光并散射近红外光的过渡阶段，因此在反射图谱中形成类似边界的红光，被称为红边，红边指数主要指的是红边的位置以及斜率，其中红边位置最为常用，通过对健康植被的红边位置进行提取后，对比监测对象的红边位置，若红边位置向长波方向移动，则证明该植被的叶绿素含量较高，长势良好，这种现象被称为‘红移’，相反，当植被出现病虫害，叶绿素含量下降，叶片残缺不全甚至枯萎，都会导致红边向短波方向移动，被称为‘蓝移’。可见，利用红边指数能够实现对植被长势的动态监测，进而发现植物可能出现问题，但是一般不能确认是何种病虫害导致，需要进一步进行监测和观察。

归一化植物指数是近红外通道和红光通道反射率的差值与和值间的比值，该值主要应用于对植被生长的早期和中期的长势进行监控，借助红蓝通道与近红外通道组合使用，能够有效消除大气对成像光谱技术的影响，对于星载成像光谱仪与高空机载成像光谱仪的应用具有重要的价值。

3.3 建模反演

建模反演实际上是利用成像光谱技术获取的光谱特征建立研究对象与光谱特征之间的模型函数关系，通过函数关系的建立，进而推演出研究对象现阶段的生长状态及空间分布情况，一般来讲，建模反演的模型常用一元回归模型，多元线性回归模型或者非线性模型等。就当前的建模反演技术，已经能够在较大的空间尺度下，分析某种植被的不同长势和分布情况，并且能够根据模型推演出长势不良植被的原因，进而精准地了解病虫害的发生情况。

4.成像光谱技术未来在森林病虫害监测工作中的发展趋势

4.1 不同尺度监测手段的综合应用

如上文所言，星载成像光谱仪与高空机载成像光谱仪的空间分辨率高，监测尺度大，但是精度不足，往往只能对较为严重的病虫害灾情进行监测。而低空无人机载成像光谱仪以及地面成像光谱仪空间分辨率较小，对于操作人员依赖性强，但是监测的精度较高，能够帮助监测人员进行病虫害的分类和定位。在未来，应该将大尺度和小尺度的监测方式进行结合，利用小尺度监测模式收集到更加精确的光谱特征，再利用建模反演将小尺度光谱特征应用到大尺度大面积的森林病虫害监测工作中去，实现二者的有机结合。

4.2 建立相关数据库

相关数据库的建立是非常繁琐复杂的，需要巨大的工作量作为支撑，但是该项工作绝对是利在千秋的具有划时代意义的工作。就目前而言，不同的植被种类、面对不同的病虫害，所表现的光谱特征存在一定的差异，在进行监测时，选取何种光谱特征进行监测能够具有较高的准确度，一直是困扰相关工作人员的一个主要问题。目前的相关研究和数据的分享显然不够，研究的对象往往只针对几种具有较高经济价值和种植面积的品种，且对应的病虫害数据不全，不同研究的差异也较大，没有信服力。

通过室内成像光谱技术，将不同的植物受到不同病虫害侵扰的情况通过实验的方式进行数据记录，找到健康植被与患病害植被之间的光谱特征差异点并进行记录，便于后来的工作人员快速准确地进行森林病虫害的监测工作，确保工作成果和效率。

4.3 智能化森林病虫害监测系统

智能化森林病虫害监测系统是建立在数据库建设基础之上的，利用计算机系统链接相关数据库，对成像光谱仪的监测结果直接进行对比分析，结合数据库中的资料，进行相应的预警并能够给出合理的处置对策，这样不仅仅能够提高森林病虫害监测及病虫害处置的效率，与此同时，还有助于降低相关岗位人才的门槛，解决当前森林病虫害防治和监测相关人才缺口巨大的问题，一举多得。

5.结束语

总而言之，对于林业生产来讲，病虫害的发生具有一定的随机性、突发性，传播速度快、对植被破坏惊人，一旦发生大规模的病虫害，对于林业生产的打击非常致命。虽然当前我国在进行林业生产时对病虫害的防治手段多样，但是不论是化学防治、物理防治还是生物防治，都难以实现完全避免病虫害的发生，在这样的情况下，精准、实时地监测及快速地反应就显得尤为重要，而成像光谱技术能够有效提升监控的精确度，值得推广使用。