呂曉君 王君 喻衛(wèi)國 曾博 馮春蓮 姚清 華祥

摘要：為提高林業(yè)有害生物監(jiān)測工作效率，提升監(jiān)測工作的科技含量，特引進無人機進行監(jiān)測試點。通過無人機對病蟲害危害的松林進行低空航拍，然后將航片結合POS數據信息，制作出4 300 hm2的數字正射影像圖（DOM）。隨后利用松樹受害后樹冠顏色改變的特征，對DOM進行目視解譯，再對目標蟲害導致的變色枯死木進行定位標注，統(tǒng)計出作業(yè)區(qū)域內變色樹木數量。

關鍵詞： 無人機監(jiān)測；林業(yè)有害生物；神農架；宜都

中圖分類號：S763.42 文獻標識碼：A 文章編號：1004-3020（2016）04-0030-04

Abstract： In order to improve the efficiency and technology content of forest pests and diseases monitor， we specially introduced unmanned aerial vehicle to carry out pilot monitor. Firstly， Digital orthophoto map were made of low altitude aerial photos of pine trees endangered by pests and diseases，which were photographed by unmanned aerial vehicle， and POS data information. Secondly， the DOM were visually interpreted by the characteristics of pine leaves color change after damage by the pests. At last， the pines in different colors were located and marked and the number of different colors trees were counted in the working area.

Key words： unmanned aerial vehicle monitor；forest pests and diseases；Shenongjia；Yidu

林業(yè)有害生物監(jiān)測工作通常依靠固定監(jiān)測點、臨時踏查等方式的地面調查采集基礎數據，但是由于林地面積大、山區(qū)地形復雜，僅靠人工采集數據，工作量大，效率低，林業(yè)有害生物監(jiān)測的覆蓋面、準確性等都面臨很大挑戰(zhàn)。特別是山高坡陡的地區(qū)，人力難以到達，存在監(jiān)測盲區(qū)。

近年來，無人機航空遙感技術、地理信息技術、智能化的外業(yè)調查及數據處理技術等發(fā)展迅速[1-3]，已經在氣象觀測、民政救災、國土測繪、電力石油巡線等領域獲得廣泛應用，同時在森林防火[4-6]、林業(yè)資源調查[7-8]、農業(yè)病蟲害監(jiān)測[9-11]也有部分應用，且已經顯示出先進性、高效性。但將其用于林業(yè)有害生物的監(jiān)測，尚處于起步階段，廣東、廣西、天津、浙江、河南、山東等省份有專家學者對其進行相關研究報道[12-14]。通過把無人機航空遙感的精度高、實時性強、起降安全方便，和外業(yè)調查信息化及數據處理設備規(guī)范性強的優(yōu)點結合起來，進行林業(yè)有害生物的監(jiān)測管理工作，能夠更高效、全面地掌握林業(yè)有害生物發(fā)生情況，還可以對枯死樹進行精準定位。本文通過無人機檢對湖北省神農架林區(qū)小蠹蟲危害華山松和宜都市松材線蟲危害馬尾松進行遙感監(jiān)測，并將監(jiān)測結果進行總結報道，為湖北省林業(yè)有害生物監(jiān)測工作提供技術支撐和經驗借鑒。

1 作業(yè)地點及對象

作業(yè)地點選在神農架和宜都市。神農架選取小蠹蟲危害的松林，宜都市選取松材線蟲病危害的松林。本次作業(yè)，由于神農架區(qū)域地形和氣候條件惡劣，航拍共實施了4個架次，其中2015年7月31日的飛行為有效架次；宜都區(qū)域的地形和氣候條件相對較好，于2015年11月3日執(zhí)行1個架次飛行作業(yè)。具體作業(yè)區(qū)域如下。

（1）神農架區(qū)域：東經110°18′19″、北緯31°38′51″；東經110°20′13″，北緯31°38′51″、東經110°20′13″、北緯31°29′38″；東經110°18′19″、北緯31°29′38″四點內的區(qū)域。

（2）宜都區(qū)域：東經111°28′48″、北緯30°14′58″；東經111°33′31″、北緯30°14′59″；東經111°33′30″、北緯30°12′50″；東經111°28′47″、北緯30°12′50″四點內的區(qū)域。

2 設備及參數

IRSA-II型無人機（青山綠水通用航空有限公司提供。主要參數為：巡航速度100 km/h、最大載荷4 kg、最大航程180 km、最大飛行速度90 km/h、最大航時2 h、控制半徑30～50 km、飛行高度海拔4 500 m）。

3 技術流程

3.1 前期準備

航線規(guī)劃（一般要求航向重疊度達到70%、旁向重疊度達到35%以上）；申請空域，由于航測區(qū)域可能覆蓋民航航線，飛行前按照國家空域管理的相關規(guī)定，向相關軍區(qū)和民航空管處進行申請和報備；獲取控制資料信息、林相圖等。

3.2 數字影像獲取

天氣晴朗、光照充足、大氣能見度好、風力小于4級（起飛后可抗6級風）的條件下，無人機可以起飛。在相對高度500～1 500 m的高度可獲取測區(qū)高分辨率（地面分辨率優(yōu)于0.2 m）的航拍圖片。

3.3 變色、枯死林木信息提取

把航拍獲得的圖片、相機參數、航跡信息、無人機姿態(tài)信息等交付遙感數據處理人員，結合POS數據信息，利用空中三角測量技術制作1∶2 000分幅的數字正射影像圖（DOM）。然后對DOM進行目視解譯，發(fā)現(xiàn)變色樹木后，快捷的定位變色、枯死樹木的位置，形成矢量數據文件。然后進行人工精細判圖，對目標蟲害導致的變色枯死木進行標注，并對其位置坐標進行了準確定位。

4 作業(yè)成果

4.1 神農架

神農架的飛行作業(yè)信息見表1。按照測繪技術要求對航片進行拼接和勻光勻色等處理，并對本項目的坐標系統(tǒng)進行了轉換。常規(guī)航測產品是經過投影的直角坐標系統(tǒng)，根據本項目后期應用需求，對數字正射影像轉換成WGS84坐標系統(tǒng)下的大地坐標，形成約2 500 hm2的數字正射影像圖（DOM）。

4.2 宜都市

宜都市的飛行作業(yè)信息見表1。按照測繪的技術要求對航片進行拼接和勻光勻色等處理。由于宜都作業(yè)當天空中霧氣較大，為了提高圖像拼接效果，技術人員對原始圖像還進行了除霧處理。圖像拼接完成并加載地理信息后，同樣也進行了坐標系統(tǒng)轉換。最終形成了基于WGS84大地坐標的數字正射影像圖（DOM），面積約為2 100 hm2。

5 圖像判讀

使用數據庫管理ArcGIS軟件、無人機航測數據處理軟件MAPAT和遙感圖像分類ERDAS軟件等，對圖像進行處理：①數據整理。下載并檢查圖像和數據，對不符合后期內業(yè)要求的圖像，進行補充飛行；將單幅遙感圖像與姿態(tài)數據、曝光點坐標、時間這三項數據對應起來，制成數表備用；②影像幾何校正。進行GPS輔助空中三角測量，進而可利用無控制點或少控制點技術，對特征區(qū)域很少的林區(qū)進行較高精度的幾何校正。③影像鑲嵌與裁剪。運用遙感軟件中的圖像拼接功能，將影像拼接成一幅圖像，便于進行后續(xù)的裁剪等處理；圖像裁剪主要運用圖像掩膜技術與被裁剪圖像做交集運算，計算所得圖像就是圖像裁剪結果。④圖像增強。采用一系列措施改善圖像的視覺效果，提高圖像的清晰度、對比度，突出所需的信息，選擇突出便于人或計算機分析某些感興趣的信息，抑制無用信息，以提高圖像的使用價值。其方法包括：對比度增強、空間濾波、色彩轉換等。⑤專題信息提取。在數字正射影像圖上，通過人工目視解譯獲取變色和枯死樹木分布的矢量信息[15-16]。

5.1 神農架

華山松受小蠹蟲危害的影響主要表現(xiàn)為以下幾種特征：受害半年以內：枝梢被害率達20%以上，呈黃色或黃褐色，呈不規(guī)則形狀，多以單株分布；受害1 a以上：全部失葉、枯立木，呈灰白色或褐白色，樹冠成菊花狀，多以單株分布，部分呈片狀分布。

本次判圖即針對以上兩種情形，對枯死木進行標注定位。選擇1∶600的視覺比例尺進行疑似華山松小蠹蟲致病枯死變色樹的人工判讀與標示。判圖后共標注出疑似枯死1 a以上變色樹14 000余處（紅色），標注出疑似枯死半年以內枯死樹1 100余處（黃色），并制作出位置坐標信息統(tǒng)計表（數據量龐大，不詳細列出）。監(jiān)測區(qū)疑似枯死樹點分布效果見圖1。

5.2 宜都市

松材線蟲病所表現(xiàn)出來的外部癥狀是針葉陸續(xù)變?yōu)辄S褐色乃至紅褐色，萎蔫，最后整株枯死。選擇1∶600的視覺比例尺，對疑似松材線蟲病導致的變色枯死樹進行人工判讀與標示，判圖后共標注出疑似目標癥狀變色樹4 900余處（紅色），并制作出位置坐標信息統(tǒng)計表（數據量龐大，不詳細列出）。監(jiān)測區(qū)疑似枯死樹的點分布效果如下。

6 結論與討論

（1）本次無人機監(jiān)測作業(yè)區(qū)域共覆蓋4 600 hm2松林，分別針對小蠹蟲和松材線蟲致死的變色枯死木進行低空遙感監(jiān)測，共飛行5個架次，獲取了近2 000張清晰的航拍圖片，并制作了4 300 hm2的1∶2000分幅、地面分辨率優(yōu)于0.2 m的監(jiān)測區(qū)整體正射影像圖；通過人工精細判圖，定位標注疑似變色枯死樹。

（2） 在無人機監(jiān)測結果基礎上，下一步開展人工地面抽樣調查，得出樣地內目標害蟲致死的林木在所有枯死木中的比例，再計算出整個監(jiān)測區(qū)內目標害蟲致死的林木數量。最后制作出位置坐標信息統(tǒng)計表，為研究害蟲的傳播擴散規(guī)律[17-18]打基礎。

（3）通過該監(jiān)測試點項目，充分體現(xiàn)了無人機低空遙感技術和航空測繪技術在林業(yè)有害生物監(jiān)測領域的應用價值，能對人力難以到達的高山陡坡全覆蓋，快速確定蟲情的危害分布情況并獲得相關圖表信息數據。且效率極高，在1 d內可完成數千公頃的精準監(jiān)測，大大減輕人力勞動強度。

（4）對于地勢起伏較大的地區(qū)，為了獲取理想的航片，可從可見光攝像傳感器件、航線規(guī)劃兩方面著手：一是采取無人機攜帶大面陣航空數字相機、克服地形起伏給航片帶來的畸變；二是根據山地的等高線設計航拍路線，在面積不大的時候采取等高線飛行的方法進行遙感數據獲取；大面積的時候采取攜帶大面陣航空數字相機方法獲取遙感數據。

（5）由于該監(jiān)測方式是利用可見光進行分辨，只能對樹冠顏色發(fā)生改變的受害木進行監(jiān)測，因此，監(jiān)測的對象有局限性。為盡量提高準確度，可從兩方面考慮，一是盡量避免在闊葉樹樹葉變色的季節(jié)的航拍；二是在航拍時，取火燒木、自然死亡木、樹葉本身顏色接近死樹樹冠顏色的樹種各若干，標記每棵樹的經緯度，最后在人工判讀時，按照經緯度找出這些樹在圖中的位置，以這些樹冠顏色為參照，篩選出顏色值一致的樹木，以排除目標害蟲致死的枯死樹顏色類型[19]。

（6）目前，圖像判讀工作只能依靠人工，這是該工作中比較費時環(huán)節(jié)，因此開發(fā)出可自動判讀的軟件，是下一步需要研究的方向。

參 考 文 獻

[1]王青山.簡述無人機在遙感技術中的應用[J].測繪與空間地理信息，2010，33（3）：100101，104.

[2]吳云東，張強，王慧，等.無人直升機低空數字攝影與影像測量技術[J].測繪科學技術學報，2007，24（5）：328331.

[3]汪沛，羅錫文，周志艷，等.基于微小型無人機的遙感信息獲取關鍵技術綜述[J].農業(yè)工程學報，2014，30（18）：112.

[4]馬瑞升，馬舒慶，王利平，等.微型無人駕駛飛機火情監(jiān)測系統(tǒng)及其初步試驗[J].氣象科技，2008，36（1）：100104.

[5]饒裕平，方陸明，柴紅玲.林火視頻監(jiān)控中煙識別方法的探討[J].浙江林業(yè)科技，2009，29（2）：5862.

[6]楊斌，馬瑞升，何立，等.基于顏色特征的遙感圖像中煙的識別方法[J].計算機工程，2009，35（7）：168169.

[7]張園，陶萍，梁世祥，等.無人機遙感在森林資源調查中的應用[J].西南林業(yè)大學學報，2011，31（3）：4953.

[8]李宇昊.無人機在林業(yè)調查中的應用實驗[J].林業(yè)資源管理，2007，8（4）：6973.

[9]喬紅波.麥蚜和白粉病遙感監(jiān)測技術研究[D].北京：中國農業(yè)科學院，2007.

[10]楊邦杰，裴志遠，周清波.我國農情遙感監(jiān)測關鍵技術研究進展[J].農業(yè)工程學報，2002，18（3）：191194

[11]白由路，楊俐蘋，王磊，等.農業(yè)低空遙感技術及其應用前景[J].農業(yè)網絡信息，2010（1）：57.

[12]馮世強.基于GIS/GPS林業(yè)有害生物監(jiān)測數據記錄系統(tǒng)的應用初探[J].山東林業(yè)科技，2012，42（3）：8385.

[13]潘潔，廖振峰，張衡，等.基于高光譜數據與網絡GIS應用的森林病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].世界林業(yè)研究，2015，28（3）：4752.

[14]仸瑞艷，趙杰.電子巡檢技術在森林病蟲害監(jiān)測管理中的應用[J].中國森林病蟲，2014，33（4）：3337.

[15]王松靜.基于光譜分析與圖像處理的模式識別研究[D].浙江：浙江大學，2012.

[16]洪宇，龔建華，胡社榮，等.無人機影像獲取及后續(xù)遙感處理探討[J].遙感技術與應用，2008，23（4）：462466.

[17]陳京元，林親雄，羅治建，等.松褐天牛林間監(jiān)測技術的初步研究[J].華中農業(yè)大學學報，2003，1（22）：2831.

[18]趙錦年，蔣平.松墨天牛引誘劑及引誘作用研究[J].林業(yè)科學研究，2000，13（3）：262267

[19]張勇，馬桃林.數字圖像色彩評價方法的探討[J].武漢測繪科技大學學報，2000（6）：547550.（責任編輯：鄭京津）