探究森林病虫害无人机遥感实时监测技术

陈 鹏 谢毓芬* 刘少波 郭 晖 何小红

（陕西省林业科学院，陕西 西安710082）

如今，生态环境质量正在不断下降，人们愈发意识到保护森林资源的重要性，若想从各个角度对森林内部存在的病虫害进行监督必须利用先进的技术手段，例如空间技术。遥感技术自应用以来一直受到人们关注，通过长期实践发现，无人机遥感实时技术在森林资源保护方面具有非常重要的作用，且拥有深远的潜力。目前在应用卫星技术的影响下，该技术正向更高端的领域发展，为森林病虫害监测日后工作开展奠定坚实的基础，而该项技术在应用过程中发挥的作用已经得到有关部门的高度关注。

1 无人机遥感实时技术监测病虫害的原理及其发展史

1.1 病虫害监测的遥感基础。无人机遥感技术在应用过程中主要根据受灾林群光谱变化情况对病虫害基本情况进行判定，植物生长过程中会借助反射光谱曲线体现出来，而因受到植物种类，基本结构，含水量等多种外在因素的影响，各个林群光谱具有不同的特性。若植物受到病虫害侵袭，内部含有的叶绿素会逐渐流失，由此可以看出若光波段吸收减弱，增强反射，内部细胞状态会因此发生变化甚至内部结构会被破坏。若细胞之间距离过大、散射增强则会引起森林整体格局发生变化。鉴于此，该技术在运用过程中可以借助植被光谱遥感将上述内容提到的元素转化为具体参数，以此来对森林资源受害情况进行监测，通过GIS和GPS等多项技术对某一区域虫害状况进行研究。图1 为森林病虫害防治信息系统。

图1 森林病虫害防治信息系统

1.2 森林虫害无人机遥感实时监测技术的发展史。无人机遥感技术在监测森林病虫害过程中主要经历了以下几个阶段：（1）起步期。自20 世纪，遥感技术已经用于监测森林病虫害，借助航空摄影手段对森林受害情况进行观察，随着航空遥感和雷达技术的出现，遥感技术基本性能正在不断提升。（2）开拓期。21 世纪中期，航天遥感技术逐渐用于监测现有资源发展状况，在应用初期因空间分辨率较低，且受天气因素影响，故而在检测森林病虫害方面没有取得理想效果。随着地球资源卫星成功发射，我国逐步加强对遥感监测技术应用状况的研究，并且观察森林生长特征，在卫星技术的支持下，空间分辨率得到提升，拍摄的图像更加清晰。（3）发展期。自航空录像技术与GPS连接在一起，人们可以借助航空拍摄的图像记录地面坐标，飞行速度，航向等基本信息。该技术在应用过程中能够将森林资源状况反映出来，且效果令人非常满意，并且技术人员可以根据监测结果来制定具体的防范措施，正因如此许多国家致力于遥感技术研究，以便能够获得更多的信息资源。

2 森林虫害无人机遥感实时监测技术主要监测内容

2.1 森林失叶与林冠动态。病虫害会导致叶子脱离林木本体，是影响森林生态系统的重要因素之一。故而对这种现象进行检测如今已经成为森林受损检测的主要方向。而合理使用遥感数据则可以对这类情况进行检测。无人机遥感技术借助卫星提供的功能可以大范围对受害森林资源进行评估，而这对我国森林资源发展具有非常重要的意义和作用。随着计算机技术逐渐成熟，失叶遥感监测未来发展空间愈发广阔。林冠动态发生变化主要是受到失叶现象的影响，并且这已经成为一项非常重要的研究内容，其地位得到有关专家的认可。许多研究项目利用卫星提供的数据对受害森林资源林冠变化情况进行监测，例如MSS数据。自20 世纪中期，人们已经利用遥感技术对林冠变化进行检测，其中航空摄影可以收集导致林冠发生变化的数据资源。

2.2 森林缺素症。若森林在发展过程中受到病虫害的侵袭，内部各种营养元素之间的比例定然会发生变化，例如叶绿素，水，氮等。植被自身含有的色素与光合能力之间存在某种联系，这已经成为衡量植物长势的一个重要标准，故而可以利用无人机遥感实时监测技术对已经受到病虫害侵袭的林木进行监控。比如因植物内部发生病变而导致叶绿素含量减少的病症被有关人士称为“缺绿症”。

2.3 森林植被指标。森林内部生物量，植被覆盖面积，植株自身高度是构成森林植被指标的主要因素，而当病虫害发生时，这些指标会因此发生变化，故而要加强对病虫害的监测研究。在所有因素当中生物量和叶面积是森林生态系统中最为重要的两个关键参数，是保证物质以及能量可以正常循环的重要保障基础。生物量代表森林生长过程中内部植被物质累积能力，与病虫害有较为密切的联系。植被覆盖面积和植物高度是森林资源发展状况最为直接的体现形式，是决定病虫害生存的主要因素，且林木高度是构成生物量重要基础部分。故而可以使用无人机飞行过程中收集的土壤数据，数字影响等多种资料建立衡量森林健康的评价体系，可以判断各类林群健康状况。

2.4 病虫害生境因子。病虫害的产生主要与森林内部生态环境基本情况有直接关系，受外在因素影响较大，例如气候、水文、土质结构等。生境因子主要指气温变化情况，降雨总量和具体分布，湿度等。若想进一步了解病虫害基本情况和生境因子之间的关系，则必须对上述各种因素进行深入研究，以此来建立生态环境与病虫害发展状况之间的关系模型，从而了解灾害发生几率和规模，从而提前做好防治措施。

2.5 森林病虫害的预测预警。预测预警不仅是防灾减灾工作的关键，同时也是其保障措施，结合林区发展状况建立具有系统性质的管理体系对整体状况进行预测预警，可以有预防病虫带来的危害，收集林区基本信息，对其资源进行处理，评估灾害造成的损失，是无人机遥感实时监测技术未来主要的发展方向。同时，现在我国18 个省已经成立省级网络森林医院（图2），有效的提高了森林病虫害预警工作水平。

图2 吉安县网络森林医院

3 无人机遥感实时监测技术检测病虫害的主要方法

3.1 图像处理方法。（1）多光谱图像分类。该方法主要用于检测森林资源中因病虫害而引起的林冠变化，例如受云杉色卷蛾侵袭，云杉针叶表面会变得更红，且树叶会脱离本体；除此之外，在该病虫的影响下，冷杉顶部落叶会逐渐脱落，之后逐渐向下失叶，最终树木死亡或者枝干部分变成棕色。根据各自光谱之间存在的差异特征，使用多光谱影响可以对病虫活动情况进行监测。（2）影像差值。无人机遥感实时监测技术在对森林病虫害进行检测时可以通过该方法来获得相关数据信息，并且其精准度要高于单一影像分类。若森林内部出现大量病虫，失叶并不是最为显著的特征。当光谱发生变化时，技术人员可以通过影响差值对失叶情况进行监测，了解资源健康状况，且效果良好。随着科学技术不断进步，时代发展变化，图像增强等技术愈发显得过于传统，究其原因主要是在不同时期和环境中，太阳所处高度及角度，外部天气条件会对监测结果造成一定影响。

3.2 植被指数及比值方法。植被指数是对地表植被状况简单、有效和经验的度量，无论是灾情预报或评价，其依据都是建立在遥感植被指数与叶生物量的关系上，遭受病虫害必然导致叶生物量的变化从而反映在植被指数的变化上。因此，可以通过计算植被指数的变化来计算叶生物量的变化进一步监测森林病虫害的发生发展情况。

比值指数T MS／T M 4 及T M 4／T M 3 是监测和评估我国森林病虫害的有效参数。TM5／TM4 适合于低叶面积指数的森林病虫害监测，而TM4／TM3 更适合高叶面积植被指数的遥感监测，TM7／TM4 还可用来有效估算马尾松林的野生物量。其研究表明短波红外与近红外的比值综合反映了相互关联且密不可分的三个植被参数：生物量、灾害、水分含量。

3.3 光谱分析技术。（1）植物生理状态的“红边”光学参数分析。从红外波段叶绿素吸收区的反射率低点到近红外波段叶片散射的反射率高点这个过渡区被称之为“红边”区。时间因素及植物病变都将影响植物的生长发育，从而使植物光谱强度和光谱特征发生改变，引起红边、蓝边斜率的变化和位置的偏移。许多研究表明，植被光谱“红边”对植被生长状况反映敏感。因此，通过对红边特性的研究就可以对植被的健康状况进行监测。（2）最大吸收深度分析。叶绿素实际实收情况是体现植物健康状态主要形式之一，若植物在生长过程中内部结构发生病变现象，叶绿素会逐步降低，光谱红边位置会因此而移动。与红边相连的红吸收谷即叶绿素最大吸收峰明显变浅，植被所受损害程度愈大。其光谱吸收谷愈浅，因而利用光谱的最大吸收深度，也可定量分析植株或冠层的波谱变异特征。

3.4 参数成图技术。参数成图方法是借助统计回归建立一些波段值或其变换形式与生物物理参数的半经验关系预测模型，从而计算高光谱遥感图像上每个像元的单参数预测值，再采用聚类或密度分割方法将单参数预测图分成不同等级，即为参数分布图，作为森林受害信息的提取和病虫害研究的辅助手段。

4 应用展望无人机遥感技术在林业病害监测方面的发展

目前，虽然我国已经将无人机遥感技术实时监测技术用于监测林业病虫害基本情况，但是因我国在这方面起步较晚，故而仍旧处于初级阶段。若想在日后应用当中进一步提升其实用性能，监测人员可以对以下几项内容进行深入研究。

4.1 提高无人机的作业效率延长飞行时间。该技术在应用过程当中，大部分无人机飞行时间有限，无法长时间对森林整体状况进行检测，其飞行时间基本在三十分钟左右，而这种现象是制约无人机飞行距离的主要因素。故而要加强无人机研究力度，利用科学技术手段来提高无人机电池容量，延长飞行时间，增强无人机飞行过程中信号强度，确保其工作效率不会因外在因素的影响而下降。

4.2 优化无人机的操作程序。目前无人机在飞行过程中，其旋翼和固定翼存在许多技术性问题，故而在工作当中需要经验较为丰富的操作人员来完成一系列工作任务，正因如此，无人机在林区飞行时难以对其整体状况进行监测，无法大范围作业。优化无人机操作流程，降低使用标准不仅是提高工作质量的关键，更是运用无人机遥感实时监测技术检测林区病虫害的基础条件。

4.3 提高传感器的拍摄精度。以往无人机在飞行过程中其重量方面存在一定缺陷，飞行过程中无法掌握平衡性，因此无法承载规模较大的传感元件。无人机遥感实时监测技术在运用过程中必须借助传感元件收集信息数据，目前传统数码相机主要安装在质量较轻的无人机中，因其像素较低，无法保证飞行过程中拍摄精准度。故而要提高轻型无人机载重能力，加强研发力度，以此来保证飞行过程中拍摄精准度，只有这样才能够提升无人机在林区飞行时的工作效率，减少人力资源投入。

综上所述可以看出，无人机遥感实时监测技术在运用过程中不仅可以进行对森林资源进行大范围检测，且精确度会随之提高，利用高光谱，高分辨率等多种方式对病虫进行监测，但该技术在运用过程中必须对投入的经济成本进行控制。在处理收集的信息时，该技术能够将实际自然灾害以图像的形式展现出来。抵消来自外在因素对森林资源造成的影响，并且无人机在飞行过程中会利用地面当中存在的各种资源信息来提高遥控检测准确程度，鉴于此在实践当中要将光谱数据与影响数据相结合。