多光谱无人机在林业有害生物监测中的应用探讨

章武英，赵 强

（1.甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020；2.甘肃省天水市麦积区林业和草原局，甘肃 天水 741020）

在传统的林业有害生物防治模式中，主要是通过建立人工监测点，并进行定期地巡查。但是在2018年机构改革之后，由于林地面积较大，且缺乏专业技术人员，这些因素加大林业有害生物防治机构工作人员的工作量和工作难度，从而使监测结果的准确度大大下降。松材线虫病是世界上全森林生态系统中最严重的病害之一，又叫作松树的“癌症”。我国19个省（区、市）731个县级行政区发生疫情，面积超过180万公顷，致死松树数十亿株，发生区域已突破年均温10℃的理论生理环境，同时危害松树种类和威胁我国松林资源的安全。松材线虫病具有蔓延速度快、影响面积广、治理窗口期有限等特点，严重制约着松材线虫病害的快速治理，低成本、高精度、高效率的监管巡查方式是松林监管的迫切需求。随着无人机制造技术的迅速升级，加速无人机在森林有害生物防控工作中的推广与应用。在森林面积较大、分散度较高的情况下，当树木上出现有害生物时，如果仅依靠人工进行防控，防控工作就会变得很困难。而使用无人机进行药物喷洒则会极大地提升林地工作效率，同时也能通过无人机每天巡逻，及时发现害虫的同时防止害虫的扩散。

1 传统林业有害生物调查与监测方法分析

1.1 直接观察法

选择一定树龄的单一树种为研究对象，对其发生的危害程度、发生数量等进行了直接观测。在对生物群落进行考察时，第一，对快速运动的大型昆虫进行了细致地观察。第二，注意缓慢移动的小昆虫的状态和物种。为了更好地认识该地区的虫害，应在昆虫形态和种类的基础上，详细地记载被测植物的生育阶段，并详细地记载被测植物的方位和位置，以便更好地认识该地区的虫害。

1.2 振落法

可以采用振落的方式，在植株的垂直投影区域内，将一块白色的样品布放在地上，用手掌轻拍树干，将害虫落在白样布上，最终对白样布上的害虫进行统计并记录，但该调查方法不适合跳跃的昆虫和飞行的昆虫。

1.3 诱捕法

诱捕方法是采用一种行之有效的手段对害虫进行捕获，并对所捕获的害虫进行调查，这种方法费用低廉、使用方便、专业度高、捕杀效率高等优点，在森林病虫害的监控中，较为常用的是性激素诱杀和照明诱杀，并且收效十分显著。所谓“光诱”，就是指在特定的光线下，对昆虫进行诱捕。大多数的昆虫在达到成熟期后，可以将具有特殊气味的痕量化学物质释放到身体外，从而吸引同类的不同种类的昆虫前去交配。制成引诱物后，可以把引诱物放入特制的引诱物中，最终可计算出被捕获害虫的具体数量。

1.4 扫网法

扫网方法比较适用于对寄生在灌丛中的叶子下的虫子进行搜索，将网孔放入植株叶片之间，以S型横扫，并进行种群计数。

1.5 随机抽样法

对被调查的样本进行编号，按照顺序进行随机抽样调查，最终可以按照抽样的结果进行统计。

1.6 顺序抽样法

根据样方的总体尺寸，按次序进行取样，取样方法有，棋盘取样、平行取样、五点取样、对角线采样等。随机采样法简单、方便、节约时间，但不能准确地计算出样本间的差值。5点取样规则，即根据某一种植物的数目、面积和长度，选择5个样点进行取样。棋盘采样法更适合于密度较大的昆虫和植株。对按常规营建、人工种植、虫害分布均匀的树种，采用平行采样方法更为适宜。

2 无人机在林业有害生物监测中的应用优势与意义

2.1 灵活和机动性

无人机作业最大的特点就是灵活机动，目前使用的无人机多为四旋翼无人机，这种无人机起降方便，不需要特殊的起飞装备和场地。且无人机的速度很快，不仅可以在一片区域内巡逻，还可以从空中俯瞰整片区域。目前可在无人机上安装高清摄像设备，拍摄到清晰图像，管理者就能准确地分析出森林中的害虫和害虫的种类，从而提前做出应对措施。才能确保树木的健康生长。

2.2 可减少成本支出

传统的林业防治工作主要依靠人工，当林地面积大、分布分散时，仅靠人工巡查往往会耽误很多时间。此外，人工观测通常仅能观测到树的较低部分，不能有效地观测到较高部分的叶片，具有一定的盲区。这种方法不但会耗费大量人力，而且对森林害虫的监测也不够全面。对林木害虫的控制也会丧失先机。而无人机则可以做到这一点，而且还可以通过无人机来进行农药的喷洒，加快防控的速度。

2.3 可实现查防一体化目标

无人机可以选备的设备很多，包括摄像设备、数据和信息传输系统、农药喷洒设备等，这些设备都很齐全，使用起来也很方便，可以有效地减少天气、地形和交通状况等对森林病虫害的不利影响，同时还能增强数据的完整性和图像的清晰度。此外，若有携带喷雾装置的无人驾驶飞机，在侦测到虫情并确定后，可即时实施喷雾控制。

3 航空遥感监测原理与方法

3.1 航空遥感监测原理

松树感染松材线虫病之后，松树的针叶内部组织结构、含水量以及叶绿素含量等都会产生相应的变化，典型症状就是叶片会转变为黄褐色，严重后转变为红褐色，最后完全枯萎死亡。按照松树的冠层表征特点，健康的为绿色、染病初期黄色或红褐色、全部染病的为红褐色、枯死为偏灰色。这一现象在遥感多光谱特征中的体现较为明显。无人机多光谱遥感监测技术就是运用这个原理进行松材线虫疫木监测，通过遥感图像信息采集设备采集松树针叶的变化信息，并对其进行对应分析和分类识别，进而掌握松树的健康状况。

3.2 辅助资料收集

首先在“地理空间数据云”平台下载研究区域所在的高分遥感数据进行正射校正、融合及镶嵌等处理，获取后续勘测、规划及设计所用的基础影像数据，其次还需要收集森林资源二类调查数据、研究区域所在的行政区划图以及地形图等相关资料。

3.3 飞行内业准备

根据近15天的天气预报安排飞行时间，确定一个工作时段，按照林场小班所在的工作范围及坐标，将需要的空域资料提前提交给航空管理部门。根据试飞要求，将小型试飞场进行分区。为了确保在高低不平的地面上进行数据融合，所以在航程中，每一个航程的高差都要控制在30%以下。拟在400～600米的高空，基于相机参数和0.1～0.2米空间分辨率，要求航向重叠度80%，侧向重叠度70%，以确保遥感图像的重叠度，提高数据的获取效率，并完成无人机的航迹测绘。通过对无人机航迹的现场调查，确定最近的一块平地，并在该平地上设置起飞点。还要检查飞行器和传感器设备，主要包括遥控器、电池及移动设备的电量是否充足、相机是否能正常工作等。另外，在所划定的区域，还对小班进行实地踏勘，以便对比数据。

3.4 航空遥感数据的采集

可见光遥感、多光谱遥感、高光谱遥感在林业应用中较为普遍。多光谱遥感除可见光的红绿蓝波段外，还包括红外、微波等波谱范围，所获的图像在各个波段能生成为一幅灰度图像。按照遥感任务需求，首先在地面控制系统中进行航迹规划，并依据地形、光照等情况设定航线、航速、航高，以及遥感传感器的采集方式、速度等参数，并将参数载入到无人机系统和遥感传感器系统，进行拍摄采集，最后将拍摄的图像数据进行存储或传输，用于后续图像分析。

3.5 内业数据处理

利用Pix4D软件对数据实施配准、拼接与辐射定标，生成DOM和DSM影像数据。基于遥感影像处理系统提取变色立木（松材线虫病疫树）的位置信息，长光禹辰的Ysense map软件系统可以通过死木识别和定位模块实现对疑似病木的自动识别，对实验区的死木数据进行自动提取和统计，得到疑似病木的地理位置，并根据病木的光谱图，实现对病木的光谱图的识别。然后在ArcGIS软件中制作出松材线虫病疫树木的编号及位置等属性信息矢量图形。

3.6 外业核查

对无人机获取影像数据中的松材线虫病疫树的坐标和属性，到样区实地进行外业核查与验证，查看无人机监测疫木的数量与实际核查数量之间的相近度。通过人工踏勘，对其所在小班的疑似疫病木数量进行统计，验证无人机遥感技术的准确性，计算确认率（确认率为人工踏查数与无人机遥感监测数之比）。许锐、刘洪剑等在“无人机多光谱遥感技术在松材线虫病疫区疑似疫木普查监测中的应用”一文中提到3次验证的准确率都超过80%。

3.7 结果生成

以行政区划图为地理底图，按作业样区制作合适比例尺的枯死松树分布图，以枯死松树小班为地理地图制作枯死松鼠小班分布图，并且基于小班和枯死松树的位置，通过运算提取枯死树木的编号、经度和纬度、小班和林班号、小班面积等属性数据制作出明细表和统计数据。

4 问题与展望

目前，采用的手工实地考察方式效率低，验证率低，费用高；存在着作业耗时较长、视觉死角较大等缺点。利用多波段遥感监测森林凋落物的空间分布具有效率高、覆盖范围广、数据精度高的特点。尤其是在疑似疫树种的普查和监控中，能够有效地补充常规监控方法的不足，提高监控的工作效率，大幅减少监控的时间。综合准确地调查数据，可为未来在高发病地区砍伐病原植物奠定基础。死亡木材的数目是一个不断变化的过程，并将随着一段时间的延长而逐渐增多。这一现象的发生，很有可能是由于在所观察到的初期，一些松林尚未出现凋零迹象，而随着一段时间之后，这些松林就会变得虚弱，最后变成黄色而死去。

基于无人机可见光、多光谱、高光谱的低空遥感监测技术逐渐成熟，光谱特征上的差异可以用于松材线虫病的动态监测，很多公司也致力于研究松材线虫病疫木的识别技术研究，比如长光禹辰的多光谱数据应用软件Ysense map中选择450、555、660、720、750和840纳米6个波段作为实验对象，观察光谱在不同波长下的反射率，经过观察结果表示，在660纳米波长下，健壮树木和轻微病害树木、严重病害树木和病死树木的差异明显。

监测调查是林业有害生物制定防控计划工作的重要基础，也是影响到林业虫害防治效果的重要因素。一般来讲监测的结果越是详细和真实，其制定的防治方案也就越为科学，防治的结果也会越来越明显。并且在林业病虫害防治期间，专业技术人员需要结合监测结果选择防控方法和用药的种类与数量，提升防治方案的灵活性与准确性。而利用无人机技术对林业病虫害实现全面动态监测，可扩大监测的具体范围，特别是在一些地势较为复杂和人工难以监测到的盲区有着十分明显的效果。

无人机监测技术在对林业有害物种类加以确定之后，还能够对其发展趋势进行判断，分别去准确定位变色树、异常林和枯死木，分析发生林业病虫害的主要原因，对有害生物发生的规律加以总结，推测未来一段时间内是否会再次发生，避免林木损失等。同时林业有害生物的防控机构还可根据微信公众号、报刊、电视等媒体对无人机技术在林业有害生物防治工作中的重要应用，对无人机传输回来的影像和信息加以公布，明确林业有害生物及时防控的重要性和重视程度，适当去增加巡查的频率，将有害生物大面积暴发的问题扼杀在摇篮中，减少林业生产的损失。

综上所述，传统的林业监测与防控效率都十分低下，单纯依靠人力难以实现快速、高效的林业病虫害林木监测。本文经过初步的研究内容，表示利用无人机多光谱遥感技术可以及时发现被监测区域死亡松树的动态变化情况，有利于松线虫病的及早发现与防治，这对于其他林木的病虫害防治和监测而言也是一种重要的技术手段参考。希望在无人机多光谱遥感技术的支持下，能够避免林业病害区域扩大，减少经济损失，实现林业产业的健康、可持续发展。