基于無(wú)人機(jī)多光譜遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)松材線蟲(chóng)病的實(shí)驗(yàn)研究

1、引言

松材線蟲(chóng)病，即松樹(shù)萎蔫病，是全球松林生態(tài)系統(tǒng)中最具危險(xiǎn)性和毀滅性的病害之一，傳播性和破壞性極強(qiáng)，能導(dǎo)致松樹(shù)在感染后６０—９０ｄ內(nèi)枯死，傳播蔓延迅速，3—５年就能造成大面積毀林的惡性災(zāi)害，又被稱為松樹(shù)癌癥、無(wú)煙的森林火災(zāi)。病害監(jiān)測(cè)是目前松材線蟲(chóng)防控的有效手段，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)主要采用人工現(xiàn)場(chǎng)巡查的方法，但大部分松林分布于地勢(shì)陡峭的山區(qū)，傳統(tǒng)人工現(xiàn)場(chǎng)巡查大多區(qū)域無(wú)法到達(dá)，盲點(diǎn)多，效率低，普查效果差。隨著無(wú)人機(jī)和遙感技術(shù)的快速發(fā)展，利用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)病蟲(chóng)害已經(jīng)逐步形成一種趨勢(shì)。利用遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)病蟲(chóng)害彌補(bǔ)人工現(xiàn)場(chǎng)巡查的不足，借助無(wú)人機(jī)平臺(tái)可以快速獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的可見(jiàn)光、多光譜、高光譜等多種遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)業(yè)解譯分析實(shí)現(xiàn)定性和定量的松林健康評(píng)價(jià)，因此無(wú)人機(jī)遙感在林業(yè)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)方面具有重要意義。

2、研究區(qū)域

研究區(qū)域位于青島城陽(yáng)區(qū)毛公山松林區(qū)域。林區(qū)均為５－１０年的次生松樹(shù)林，且已發(fā)生了輕度到中度的松材線蟲(chóng)病災(zāi)害。本研究以多旋翼無(wú)人機(jī)為遙感平臺(tái)，搭載多光譜成像儀，開(kāi)展對(duì)病死松樹(shù)和染病松樹(shù)的精確識(shí)別和提取的監(jiān)測(cè)方法研究。

開(kāi)展面向病蟲(chóng)害治理和森林管理的松材線蟲(chóng)病高效遙感監(jiān)測(cè)，需要解決兩個(gè)基本問(wèn)題：其一，如何精確地提取和定位病死樹(shù)木個(gè)體；其二，如何精確分類染病樹(shù)木。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和文獻(xiàn)調(diào)研，松材線蟲(chóng)病的傳播是以天牛等甲殼類昆蟲(chóng)為主要宿主，依靠甲蟲(chóng)的飛行而進(jìn)行線蟲(chóng)病害的傳播。因此，松材線蟲(chóng)病的病發(fā)具有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，離散分布；第二，病死樹(shù)木周邊大概率存在染病樹(shù)木。根據(jù)上述松材線蟲(chóng)病監(jiān)測(cè)問(wèn)題和發(fā)病特點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)并開(kāi)展了本文的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和遙感監(jiān)測(cè)研究工作。

3、數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查是開(kāi)展基于遙感手段的松材線蟲(chóng)病分類和信息提取的核心環(huán)節(jié)之一。目的是為無(wú)人機(jī)遙感圖像的分類提供現(xiàn)場(chǎng)分類模型真實(shí)樣本和分類結(jié)果的檢驗(yàn)樣本?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的主要內(nèi)容包括對(duì)病死松樹(shù)和染病松樹(shù)的精確定位和地物光譜的測(cè)量，其中地物光譜測(cè)量所使用的是手持式地物光譜儀，其光譜波段范圍為約４００—１０００ｎｍ，與無(wú)人機(jī)載高光譜和多光譜傳感器的波段光譜范圍一致?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中對(duì)于病死和染病樹(shù)木的定位采用差分ＧＮＳＳ位置測(cè)量技術(shù)，林地內(nèi)定位精度優(yōu)于小于０．５ｍ，而在本研究的監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)，單株松樹(shù)的寬幅直徑均大于１．５ｍ，故該定位精度滿足對(duì)每一株病死和染病松樹(shù)的高精度監(jiān)測(cè)需求。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查共獲取包括健康松樹(shù)、染病松樹(shù)、病死松樹(shù)、其他樹(shù)木、雜草地、道路、房屋、巖石和水體在內(nèi)的樣本點(diǎn)共１３２個(gè)，其中８８?jìng)€(gè)用于分類模型建立，４４個(gè)用于分類結(jié)果驗(yàn)證。

4、結(jié)果與分析

4.1不同健康狀態(tài)松樹(shù)的光譜特征分析

光譜特征分析是開(kāi)展基于光譜遙感監(jiān)測(cè)研究的基礎(chǔ)和必要環(huán)節(jié)。本文首先利用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合無(wú)人機(jī)載多光譜和高光譜遙感成像數(shù)據(jù)，開(kāi)展光譜特征分析。如圖1 所示的是在研究區(qū)獲得的健康、染病和病死松樹(shù)的現(xiàn)場(chǎng)照片、無(wú)人機(jī)遙感照片以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的地物光譜和無(wú)人機(jī)多光譜的像元光譜的比較示意圖。圖中現(xiàn)場(chǎng)照片、遙感圖像和現(xiàn)場(chǎng)光譜均獲取自相同的樹(shù)木，同時(shí)遙感圖像使用的是多光譜遙感圖像的偽真彩色合成結(jié)果。

圖1 健康、病死和染病松樹(shù)的照片、遙感圖像和光譜分析

由圖1可得到以下３個(gè)特點(diǎn)：第一，在無(wú)人機(jī)遙感圖中，病死樹(shù)木在色彩和紋理表現(xiàn)上與健康松樹(shù)樹(shù)木有較大差別，但染病樹(shù)木與健康樹(shù)木的圖像差別較小，這也是傳統(tǒng)的可見(jiàn)光三波段監(jiān)測(cè)圖像難以做到對(duì)染病樹(shù)木和健康樹(shù)木準(zhǔn)確區(qū)分的原因；第二，現(xiàn)場(chǎng)地物光譜和遙感光譜之間具有較好的相似性，這證明本研究所選取的多光譜傳感器和對(duì)于多光譜數(shù)據(jù)的處理都達(dá)到了較為理想的效果，同時(shí)也證明了所選擇的無(wú)人機(jī)平臺(tái)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性；第三，從植被光譜角度來(lái)看，健康松樹(shù)具有明顯的植被光譜特征，即在綠光波段和近紅外波段都有明顯的高反射率特征，而且紅邊區(qū)域光譜曲線的斜率較大，同時(shí)紅光波段的吸收率較高，這都表明了健康松樹(shù)冠層具有較高的葉綠素含量水平。病死樹(shù)木缺少上述３個(gè)植物的光譜特征；而染病樹(shù)木上述３個(gè)特征則表現(xiàn)得不明顯。

4．２無(wú)人機(jī)多光譜遙感圖像松材線蟲(chóng)病監(jiān)測(cè)結(jié)果 

本文利用覆蓋研究區(qū)的無(wú)人機(jī)多光譜遙感監(jiān)測(cè)圖像，得到了如圖2所示的包括健康松樹(shù)、染病松樹(shù)和病死松樹(shù)在內(nèi)的１０個(gè)類型的分類結(jié)果，總體分類精度達(dá)到了９１．２０％，Ｋａｐｐａ系數(shù)為０．８９６４。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，對(duì)于染病、病死松樹(shù)的識(shí)別精度達(dá)到了９０％以上。利用覆蓋研究區(qū)域無(wú)人機(jī)多光譜遙感圖像的ＳＶＭ分類結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表１。

表 １ 研究區(qū)域無(wú)人機(jī)多光譜遙感圖像的 ＳＶＭ 分類精度統(tǒng)計(jì)表

圖 2 城陽(yáng)監(jiān)測(cè)區(qū)域松林線蟲(chóng)病染病、病死樹(shù)木的無(wú)人機(jī)多光譜遙感分類結(jié)果

根據(jù)圖2（ａ），雖然在個(gè)別的區(qū)域無(wú)人機(jī)飛行拍攝過(guò)程中因云層移動(dòng)影響而導(dǎo)致光照不均勻的情況，而有賴于分類方法的有效性，所獲得的分類結(jié)果較好地規(guī)避了因圖像光譜反射率處理差異而導(dǎo)致的同物異譜現(xiàn)象，得到了較為理想的分類結(jié)果（圖2（ｂ））。根據(jù)圖2的分類結(jié)果圖，研究區(qū)松樹(shù)林的松材線蟲(chóng)病染病情況已較為嚴(yán)重，染病松樹(shù)的分布面積占到集中連片分布松樹(shù)面積的６８．４０％。雖然在本文無(wú)人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)之前，該區(qū)域已經(jīng)進(jìn)行了一次針對(duì)松材線蟲(chóng)病病死樹(shù)木的集中砍伐和清理，但從監(jiān)測(cè)結(jié)果看，僅僅對(duì)病死樹(shù)木進(jìn)行清理是不夠的，需要連帶對(duì)染病樹(shù)木進(jìn)行集中治理，才能達(dá)到松材線蟲(chóng)病害林區(qū)有效治理的目標(biāo)。從監(jiān)測(cè)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，染病樹(shù)木的規(guī)模要顯著大于病死樹(shù)木，原因可能得益于無(wú)人機(jī)圖像拍攝之前對(duì)病死樹(shù)木的集中清理?？梢灶A(yù)期，在短時(shí)間內(nèi)，染病松樹(shù)可能都會(huì)發(fā)展成為病死樹(shù)木，而且這部分染病樹(shù)木對(duì)于鄰近的健康樹(shù)木構(gòu)成較大的威脅。

5、結(jié)束語(yǔ)

利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)，搭載多光譜成像儀，開(kāi)展了研究區(qū)青島市城陽(yáng)區(qū)毛公山松林松材線蟲(chóng)病染病樹(shù)木和病死樹(shù)木的遙感監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有高空間分辨率、高定位精度的優(yōu)勢(shì)，是早期發(fā)病林區(qū)染病和病死樹(shù)木精確監(jiān)測(cè)、識(shí)別和定位的最有效手段之一，對(duì)染病松樹(shù)和病死松樹(shù)的監(jiān)測(cè)精度達(dá)到了９０％；在監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)上，病死和染病松樹(shù)分布面積占到了集中連片分布松樹(shù)面積的６８．４０％，病害對(duì)整個(gè)林區(qū)的影響已經(jīng)非常嚴(yán)重。本文建議在開(kāi)展松材線蟲(chóng)病治理工作中，應(yīng)同步開(kāi)展病死樹(shù)木和染病樹(shù)木的治理工作，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)染病初期松樹(shù)的監(jiān)測(cè)和識(shí)別。本文提供的基于無(wú)人機(jī)多光譜遙感數(shù)據(jù)的高空間分辨率、多光譜的遙感監(jiān)測(cè)手段可為松材線蟲(chóng)病的高效控制和治理提供滿意的解決方案。

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