基于无人机AI识别枯死松树的研究

谢毓芬，任博文，刘少波，陈 鹏，郭 晖

（陕西省林业科学院，陕西 西安 710082）

一直以来，都是通过人工方式调查松树枯死状况，发现疫情之后，组织工作人员进入疫区通过踏查方式进行统计，不仅耗时耗力，而且无法统计人工无法达到的区域，导致调查结果不准确、防治不及时等。基于传统人工调查方式成效低、难度大且难以满足对松材线虫病的有效监控，以无人机AI识别技术为准的新方法应用而生，成为当今林业生产的重要措施。

1 枯死松树识别重要性

松材线虫为林业重要害虫之一，主要侵染松树，产生松材线虫病，危害巨大，会导致严重的生态及经济损失，被称为林业“第一号危险害虫”，还存在防治难、传播快的特点，其一旦发生，很容易导致大面积松树死亡。松材线虫侵入树木后，外部症状的显著特点是：针叶失水，褪绿，继而变褐，而后整株枯死，针叶全呈红黄色。因此如何高效、准确监测松材线虫病致死松树的情况十分重要，也是业界专业人士研究的重难点所在。之前人们一直采用传统的人工方式调查枯死松树，这种方法耗时耗力，调查成本高，而且准确度不高，需要研究一种新技术来识别枯死松树和预防松材线虫病。

随着现代科技的进步，无人机技术在诸多领域得到广泛应用，利用无人机监控技术检测林业有害生物成为无人机研究中的重要部分。这种方式与传统的人工作业相比，效率更高、准确度高、成本低、监控面积大，大大弥补了人工作业中存在的种种弊端，不仅省时省力，也极大保障了监控人员的生命安全。

2 无人机AI识别枯死松树技术要点

自1982年国内首次发现松材线虫病以来，其迅速扩展至多个省市，导致大量松树枯死，造成严重的生态环境破坏、经济损失和环境问题，防治工作十分迫切。但多年来松材线虫病的防治难度依然很大，只有及时、准确、尽早地发现枯松松树，才能更好地进行防治。但是由于松林大多处于高山、峭壁、林密的地区，人工调查工作相当困难且难以及时发现疫情，而卫星遥感技术虽然监控范围大，但成本高，距离远，分辨率较低，难以准确获取高精度的数据。近几年来，伴随着无人机技术的迅速发展，利用无人机灵活、高效拍摄枯死松树，大大降低了松材线虫病的发生率，提高了工作效率。

2.1 无人机在林业监控中的应用

目前无人机技术在林业生产中的应用越来越广泛，常见应用范围有以下几方面：①利用无人机航拍技术能准确、科学测量森林蓄积量，无论是树木高度、冠幅还是蓄积量的估算，精度都高达80%以上；②利用无人机初步实现了植被分类，根据计算机图像识别过程和无人机图形，获取科学、高效的自动识别分类技术框架，从而提高工作效率；③利用无人机技术能及时对森林火灾地区进行监控，检测各种可能发生火情的状况，对森林可燃物进行动态跟踪，并及时估算出火情造成的损失；④利用无人机技术可协查森林资源状况，了解森林实地情况，及时准确判断各种树木死亡以及成长状况。

2.2 无人机监控技术要点

在无人机AI识别枯死松树的时候，通过无人机对实施地区范围进行影像采集，结合电子勾绘系统软件勾绘枯死松树的位置，记录相应的坐标以及数量。然后根据无人机续航时间合理安排监控区域，做到安全、科学且不遗漏监控，最终对整个实施地区的枯松松树的坐标和数量进行汇总。

2.3 无人机检测方法以及配置

无人机AI识别是利用无人机飞行范围连续拍摄正射影像，运用软件对正射影像进行拼接，合称为一个完整地区的正射影像，再利用智能勾绘软件，以枯死松树地区的颜色变化为基础对正射影像上的松树枯松情况进行勾绘。为了保证识别精准度，目前大多都采用多旋翼机，搭载两千万像素的摄像头，飞行高度通常都控制在150 m，此时获取正射影像比图的比例为1∶500，方向及航向的重叠度控制在75%以内。

2.4 调查措施

首先，分析了松林资源的分布状况、行政界线区分规划、地形数据、枯死松树的分布区域等详细资料，通过这些资料科学、合理地规划无人机调查作业范围。其次，利用无人机在规划调查前对区域进行全方位、高精准度覆盖航拍，运用空中和地面监控系统处理拍摄返回的信息，统计出重点监控和拍摄范围，并且利用自动拍摄、传输、数据处理软件对这些拍摄信息进行分辨，生成分辨率高于10 cm的正射影像图。最后，专业技术人员利用枯死松树勾绘系统在调查区域的正射影像图上勾绘出疑似枯死的松树，然后再次规划专门的拍摄航线，并输出准确的地理坐标信息和枯死松树信息。具体调查路线如图1所示。

图1 无调查技术路线

2.5 人工地面调查

对无人机监测区域进行人工地面抽样调查，抽查枯死松树数量需占无人机识别总数量的10%以上，将人工调查的枯死松树位置在地图上进行标注，然后对照无人机监测标注的枯死松树分布图，分别记录无人机监测到的枯死松树株数和没有监测到的株数，对没有监测到枯死松树的原因进行逐一分析。

3 枯死松树的自动识别

通过分析，枯死松树分布范围较广。纯松林中枯死松树分布较为集中，阔混交林中枯死松树多呈零星散点分布。此时，可以采用MATLAB软件对枯死松树进行自动识别，这种软件是专门用于可视化与程序设计的软件，也是无人机监控枯死松树的主要自动识别处理软件。在工作中首先用软件将带有枯死松木的航拍图在RGB、HSV、LAB色彩空间中进行识别，三个色彩空间所拥有的颜色区域无论是表现力、均匀性都不同，此时枯死的颜色在三个空间中的表现也不尽相同，其原因是三种空间代表枯死树木的颜色，绿色与红色通道不一致，需要对每个色彩空间中掌握的绿色、红色通道进行设定，设定科学的三种空间枯死树木的阈值，使用算法带入所设定的阈值，把设定好的阈值代表的颜色有机提取出来，从而让枯死松树自动识别密度。

4 结束语

总体而言，采用无人机进行枯死松树监测的准确度较高，综合考虑成本、效率等方面因素，无人机比传统监测方法有较大优势。随着科学技术的发展，应用无人机监测枯死松树的准确度及适用性将进一步提高，这项监测手段必将成为松材线虫病防控体系中的重要组成部分，具有巨大的社会效益和生态效益。