福建省林业有害生物灾害航空监测作业设计与效果评估系统

林 强

(福建省林业有害生物防治检疫局，福建 福州 350003)

福建省林业有害生物灾害航空监测作业设计与效果评估系统

林 强

(福建省林业有害生物防治检疫局，福建 福州 350003)

基于RS、GPS、GIS技术，研发了作业区规划、航线自动设计、作业效果评估等生产实用技术方案及软件系统；集成了一套与轻型飞机相匹配的航空录像监测技术，实现航空作业的科学化和规范化，极大地提高了工效，降低了成本.

林业有害生物; GIS; GPS; 航线设计; 效果评估

福建是林业有害生物灾害频发省份之一[1-3].采用人工地面调查方法，难以及时、准确地发现灾害并加以控制，从而贻误了最佳的防治时机.采用先进的监测技术，全面提升对灾害的监测预警能力，才能有效控制林业有害生物灾害的扩散和蔓延.而航空监测技术的应用，可大幅提高灾害监测的时效性与准确性[4-5].本研究基于对此类灾害监测的实际需要，利用RS、GPS、GIS技术，集成了一套与轻型飞机相匹配的航空监测技术，同时研发了一套用于灾害监测的作业区规划设计、航线自动设计、作业效果评估等生产实用技术，旨在提升灾害监测效率、降低成本，以及实现管理的科学化和规范化.

1 材料与方法

1.1 航空监测硬件设备

航空监测主要由数据获取系统、数据处理系统、地面核查系统三部分构成，其中硬件设备主要在数据获取系统，这部分的相关硬件主要有“海燕650C”轻型飞机(空机重量530 kg，最大载重370 kg)、数据摄像机、监视器、图像捕捉卡、导航GPS接收机、定位GPS接收机、飞行姿态仪、时间码合成器、解码器、高性能计算机、直流和交流电源适配器、电源接线盒等.同时将各类硬件设备的供电系统、使用程序等实施了改造与集成，以提高原设备应用的稳定性和实用性.

1.2 技术原理与流程

当植物叶片形态结构与内部组织结构发生非正常变化(如失叶、叶片变形、叶绿素含量变化以及叶片上产生残留物等)时，其光谱反射率会表现出异常；根据出现的异常情况，在数字图像上会有点状或片状的影像;通过对影像的分类处理与分析，可实现对灾害点或灾害区的监测.

图1 系统工作流程Fig.1 System workflow

航空监测技术流程一般分为3个步骤：首先，为了能准确覆盖整个作业区域，需要针对目标作业区进行航线设计；其次是进行航空录像监测；最后，将飞行的航迹数据与目标区域进行叠加，进行飞行效果评估，并根据是否有遗漏区域的评估结果决定是否需要进行补充作业.上述各模块采用Visual C++6.0软件和开源软件LibGeoTiff研发，具体工作流程见图1.

2 结果与分析

2.1 基于电子地图的作业区规划

本模块主要是利用数字栅格地图，通过人工交互的方式设定作业区域范围，系统将自动读取各个顶点的直角坐标，生成闭合的作业区多边形；并在指定作业方位角和起始位置后输出文本文件供航线设计使用.作业区规划模块采用Visual C++6.0开发，界面如图2所示.

上述过程的核心是读取图像文件.TIFF (Tag Image file format) 图像文件是图形图像处理中常用的格式之一，但是纯TIFF 格式的图像文件是难以存储图像所在的坐标系、比例尺等地理编码信息，因此在本文中采用GeoTIFF格式.GeoTIFF作为TIFF 的一种扩展,在TIFF 的基础上定义了一些地理标签(GeoTag)，使图像数据和地理数据存储在同一图像文件中.本文采用开源软件LibGeoTiff实现GeoTIFF文件的读写操作.在使用该库时，通过XTIFFOpen()函数打开1个TIFF文件，利用GTIFNew()函数来创建1个GeoTIFF文件句柄，利用GTIFKeyGet()/GTIFKeySet()函数读写每一个地理标签的键值(GeoKey)，利用XTIFFClose()函数用来关闭TIFF文件.

图2 基于电子地图的作业区规划Fig.2 Work area planning based on digital map

2.2 航线自动设计

航线设计主要是为飞行作业设计等间距的航线，以便能准确覆盖整个作业区域，并且不会有过多的重叠或遗漏.图3为在Visual C++6.0平台上开发的航线自动设计界面图.在应用该模块设计航线时，首先要输入规划好的多边形作业区各顶点的坐标(可以是经纬度坐标，也可以是北京54直角坐标或WGS84直角坐标)；其次，还要输入航线之间的间距(m)；此外，在航线的开始还要预留一定的准备距离(m).航线的类型通常有多种，一般可以根据地形等条件进行选择，但尽量优选往返作业方式；航向可以沿着与最大边平行的方向，也可以沿着指定的角度.航线的转角方向(向左或向右)也必须确定.向左转角时飞行作业是从右下角开始，向右转角时飞行作业是从左上角开始.设置好了上述参数，系统就可根据矢量算法自动设计出覆盖整个区域的所有航线，设计好的航线可以通过本模块直接上传到飞机上的GPS中，供飞行作业导航使用(图4).

图3 航线设计模块参数输入界面Fig.3 Interface of route design图4 航线设计结果Fig.4 Result of route design

2.3 飞行作业评估

在飞行作业过程，需要掌握航空监测实际作业效果.如果航空监测基本上覆盖了整个作业区域，就达到了监测的目的；如果遗漏的区域比较大，灾害的监测就不够全面，就需要进行补充作业.

图5 飞行作业评估Fig.5 Flight operations evaluation

图6 基于林相图的灾害区分布图Fig.6 Disaster distribution map

在GPS记录的航迹数据的基础上，利用地理信息系统，采用矢量空间运算的方法开发了飞行作业评估模块.该模块与作业区规划模块集成在一起，统一采用Visual C++6.0平台开发，界面如图5所示.在图5中，系统对实际的飞行航迹做缓冲区分析，得出飞行作业有效范围(灰色条带区域)，并在电子地图上叠加显示出来.在GIS技术的辅助下，重叠区域(紫色)和遗漏区域(绿色)能够一目了然地辨别出来，用户能够得到空间可视化的直观评估结果.上述过程的核心是对缓冲区分析的结果进行多边形求交.为了实现该算法，本文采用my_polygon、my_vertex_list以及my_vertex 3个结构体分别来存储多边形、多边形边界以及顶点.

在上述数据结构的基础上，定义了my_polygon_clip(my_polygon *subject_polygon, gpc_polygon *clip_polygon, gpc_polygon *result)多边形求交算法，3个参数分别代表原多边形、目标多边形和结果多边形.通过结果多边形确定航迹缓冲区的重叠区域和遗漏区域，并采用不同颜色表示.

2.4 灾害区(点)的地面核查复位精度评估

从航空监测录像中取出相关帧的图像，经过解译和定位，可以在数字林相图上生成片状的灾害区域(图6)和点状的灾害点，也可以输出面状区域内点的位置，以供处理，其数据格式为标准文本文件；还可以直接输出点状文件的位置坐标值(表1)，用于后续的坐标转换与地面调查.

表1 变色立木分布位置数据Table 1 Location of discoloration tree

表1为沙县境内航测的19个灾害点(变色立木)分布位置，通过对19个灾害点的地面核查，在监测区域内找到了对应的19株被害木，并明确了枯死立木的原因，即病虫害、干旱、过度采脂等.结果表明，GPS显示的导航距离位置都小于50 m，基本满足林业灾害点的监测需求.灾害区的地面核查方法与灾害点相同.

在松材线虫病等少数森林病虫造成的点状灾害监测时，在灾害点的判读上，会受到一些林木叶色周期性变化的干扰.尤其混交林中，一些阔叶树的叶子随季节的变化其叶绿素的形成、枯萎或消失呈周期性变化.当叶绿素的变化与受害树木表现出的典型症状(红色)一致时，对松材线虫病等单株立木灾害的判读会产生较大干扰，但这些干扰可以通过物候研究和综合分析予以剔除，因此，混交林灾害的最佳航测时间是在秋季树叶变色前.但在纯林区域，监测时间不受制约.

3 讨论

(1)本研究基于“3S“技术，集成一套应用轻型飞机航空录象监测技术，研发了作业设计与效果评估系统，实现作业区规划与飞行航线的自动设计、GPS数据坐标系统实时转换与GIS的无缝连接，为飞行作业快速评估提供技术支撑.

(2)通过GPS导航，对灾害点(区)实施地面核查，结果表明，航测显示的灾害点与实际灾害点的位置偏离小于50 m，基本满足林业生产对灾害监测的需求.

(3)遥感监测结果显示的是森林的健康状况或灾害情况，不可能获取准确的虫情或病情(即灾害的原因)等信息，因此，航空遥感技术服务于森林病虫灾害的监测与管理并不意味着取消全部的地面调查工作，它应与地面调查相辅相成，才能在实际生产中发挥出应有的作用.

(4)森林病虫害轻型飞机航空监测技术具有实时、精确、高效等众多优势，但其全面推广应用往往要触及某些传统的管理方式，包括对人力资源的要求也非常高，因此，必须进一步加强森林病虫灾害信息管理的规范化工作，并制定统一的标准，才能确保新技术在更大的范围内推广应用.

致谢：感谢中国科学院遥感应用研究所常原飞博士在GIS方面提供的技术支持.

[1] 朱学平,何东进,洪伟,等.福建主要森林灾害统计特征及其对林业的影响分析[J].福建农林大学学报:自然科学版,2011,39(2):23-27

[2] 黄炳荣.福建省重大森林病虫灾害及应急管理对策[J].福建林业科技,2007,34(4):181-184.

[3] 王玲萍.福建省森林病虫普查情况及防控对策[J].林业勘察设计(福建),2007(1):70-73.

[4] 武红敢,吴坚,王福贵，等.全球定位系统(GPS)在林业导航中的试验研究[J].林业科学,1999,35(4):122-124.

[5] 武红敢,薛振南,石进.森林病虫灾害的航空录像监测技术[J].遥感技术与应用,2004,19(1):10-14.

(责任编辑:叶济蓉)

Route design and impact assessment system for forestpest aviation monitoring in Fujian Province

LIN Qiang

(Provincial Station of Forest Pest Control and Quarantine of Fujian, Fuzhou, Fujian 350003, China)

In order to improve the efficiency of forest pest aviation monitoring, a set of technical solutions were put forward including flight operations area planning, route design, effectiveness assessment based on RS, GPS and GIS technologies, and corresponding software system was also designed. It was suggested that the modernization and standardization of aviation monitoring greatly increased work efficiency, and production costs were also reduced.

forest pest; GIS; GPS; route design; impact assessment

2014-02-25

2014-11-15

国家林业局林业公益性行业科研专项资助项目(201304401)；福建省科技厅重点资助项目(2003N039).

林强(1962-)，男，高级工程师.研究方向：森林保护学.Email:fjcbk@126.com.

S431.9

A

1671-5470(2015)02-0165-04

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2015.02.010