浅谈无人机监测松材线虫病的应用实践

施悦谋

(广州市流溪河国家森林公园管理中心，广东 广州 510960)

松材线虫病是危害性极高的森林病害，有松树“癌症”之称。自1982年被发现传入我国以来，松材线虫病先后入侵全国18个省，尤以江苏、安徽、广东和浙江的疫情最为严重，造成森林资源和生态环境的极大破坏，直接经济损失达数千亿元。由于松材线虫病研究与防治存在致病机理不清、传播阻断难度大、有效防治手段缺乏等问题，目前加强预警监测是防治松材线虫病的重要措施与手段。随着无人机与遥感影像的技术发展，地理信息系统的完善，目前国内学者们利用无人机巡航和ENVI遥感数据处理软件对松材线虫病进行精度研究[1]，利用eCognition遥感图像处理软件进行自动监测分析[2]，利用Pix4 Dmapper对拍摄影像进行镶嵌和匹配等做了大量研究，但由于相关专业图像处理软件受限于投入成本和林场管理者的文化水平，致使在林场日常管理中难以广泛普及。

广州市流溪河国家森林公园是经林业部批准建立的首批国家十大森林公园之一，总面积8 932.31 hm2。森林植被以南亚热带阔叶林为主，其结构复杂，种类多样，主要森林类型有松林、杉木林、相思等，其中松林的面积314.7 hm2，占林场森林面积3.52%。近年来，该地区通过无人机遥感技术监测松材线虫病的方法是代替护林员巡查，经精确定位发病松树位置，再安排工作人员进行砍伐除治，取得一定的成效。本研究旨在介绍相关无人机技术和遥感影像处理方法，从而实现松材线虫病致死疫木的快速定位，进而指导林间除治工作，为使用无人机和遥感影像处理技术进行松材线虫病的监测与防治提供实践参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

广州市流溪河国家森林公园地处北纬23°32′～23°50′，东经113°45′～113°54′，为低山地形，山脉主要为东北、西北走向。东部地势峻峭，山体较为密集，坡度多在35°～45°，局部高达80°。年平均气温为20.3 ℃左右，极端高温为39.2 ℃，极端低温为-1.5 ℃，最高气温出现在7月，而最低气温出现在1月。年降雨量在2 143.8 mm以上，主要降水季节集中在5—8月，相对湿度在80%以上。数据获取点为松树纯林及以松树为优势树种的林地，主要位于水库周边岛屿(图1)。本研究数据采集面积约675 m×475 m。

图1 采用Altizure地面站软件规划航线参数

1.2 无人机航拍

结合秋季松材线虫病的病死木普查，于2019年10月16日、24日和11月4日，3次采用大疆GS-1200型六旋翼无人机搭配禅思Z3型号相机拍摄高分辨率的影像。该相机传感器类型是CMOS、22～77 mm等效焦距、1 240万有效像素。采用Altizure地面站软件规划航线，选择自动航拍模式，飞行高度设计为300 m，设定航向重叠率75%，旁向重叠率75%，最大飞行速度10 m·s-1，最短拍照间隔2 s，并进行2次重复采集。

1.3 遥感影像的软件选择

本研究选用的遥感图像处理软件包括Photoscan、Photoshop和ArcMap。这些工具拥有普及性强、操作便捷等优点，并能分别完成遥感影像的输入/输出、定位、合并与镶嵌，以及与GIS整合等功能。

2 结果与分析

2.1 松材线虫病的诊断原理

根据历年防治管理经验，每年松材线虫病的发病时间主要集中在5—12月，其中研究区域的7和11月为发病的高峰期，大多数染病植株在1～3个月内变成枯死木，少数植株会延迟至第2年4—6月枯死。此时松材线虫病正处于严重病害或病害晚期、死亡阶段[3]，针叶颜色由绿色渐渐变成灰绿色，并逐渐变黄，最后整个树冠变成红褐色，植株死亡，但针叶并不脱落。通过无人机拍摄的遥感影像，肉眼可以最直观地对航拍数据的颜色进行观测，并具有简单提取的特性。但由于人们对颜色的感知具有相对主观性，因此，需要在数据处理过程中利用客观的标准对图像颜色的特征进行提取，包括亮度、灰色变化、色彩饱和度或纹理特征等规律特性等[4]。本研究采用颜色亮度、饱和度的规律特性进行遥感影像的特征提取，以方便肉眼识别枯死松树位置。

2.2 无人机遥感技术监测松材线虫病的结果

2019年10月16日，在300 m飞行高度下共采集影像100张，航行时间约20 min。在室内对遥感影像和地理位置数据导出处理，处理时间约60 min。首先，通过Photoscan工作流程菜单栏，点击添加照片导入无人机所采集的全部影像，然后按照工作流程菜单中的步骤，依次对齐照片、建立密集点云、生成网格、生成纹理、Build Tiled Model、Build DEM、Build Orthomosaic，最后导出tiff格式扫描航片。

经Photoshop软件对导出的航片利用RGB影像中的红色波段进行饱和度(A)加深(图2)，根据加深的斑块，通过目测甄别，标记并编号15个疑似病死松树。随后，将带编号的航片导入ArcMap地理信息系统，记录各疑似病死松树位置所对应的经纬度坐标(表1)，从而实现松材线虫病致死松树的精准定位。2019年10月24日至11月4日，根据疑似枯死木定位数据，利用手持式导航仪完成林间清理工作，期间2次利用无人机航拍，验证疑似病死木的清理情况(图3)。

图2 对航片进行RGB红色波段的饱和度加深

表1 疑似病死松树的经纬度坐标

2.3 研究地松材线虫病的监测结果

自2006年首次发现松材线虫病，广州市流溪河国家森林公园管理中心历经一般防治和综合防治措施等阶段。2018年在广州市局的支持和广州市防检办的技术指导下，在坚持“预防为主、科学治理”原则下，管理中心首次利用无人机不定期地对辖区内的松材线虫病的发生和分布情况进行监测，每次无人机巡航拍摄时间约为20 min，室内航片处理时间合计为60 min，大大缩减监测巡查时间。此外，结合人工踏查、设置虫情测报灯和固定标准地等监测手段，全区域覆盖、定期监测辖区内的松材线虫发生情况。根据监测结果，研究区域结合地理位置、松林分布和功能等级分为三种类型组织实施松材线虫病防治，有力保障松材线虫的防治成果，获得“广州市松材线虫病综合防治示范点”称号。

左图为10月16日标记的1～15为疑似病死松树；中图为10月24日死树清理及新增16号死树标记；右图为死树清理完毕图。图3 死树标记处理的航拍结果

3 小结与建议

随着无人机、遥感和地理信息等技术进一步发展，综合利用遥感影像学和地理信息系统，引入无人机巡航，加强空中监测与地面监测，加强定期疫情分析，能建立更为完备的松材线虫病灾害监测预警模式。但在森林资源管理的过程中，由于无人机航拍操作、专业图像处理软件的投入大，培训时间长等原因，导致林场管理者望而却步，因此，通过介绍无人机监测松材线虫病的实践应用，能为林场管理者提供防治作业参考。此外，在实际监测过程中，管理人员只有在充分了解松材线虫病的发病机理及生态影响因子变化等情况，才能有效利用新技术，实现松材线虫病的动态监测与防治工作。