尹華陽，湯宗斌，董廣平

（1.安徽省林業(yè)科學(xué)研究院，合肥 230031；2.合肥市森林病蟲害防治檢疫站，合肥 230031）

松材線蟲病，又稱松樹萎蔫病，是由松材線蟲寄生在松屬樹種體內(nèi)導(dǎo)致樹木迅速死亡的一種特大毀滅性病害，屬國際重要檢疫對象。該病具有適生范圍廣、寄主種類多、發(fā)病速度快、松樹死亡率高、防治困難等特點(diǎn)[1]。我國自1982 年在江蘇南京紫金山中山陵首次發(fā)現(xiàn)該病以來[2]，迅速擴(kuò)展多個(gè)省市，導(dǎo)致大量馬尾松枯死，造成了極大的生態(tài)破壞和經(jīng)濟(jì)損失，防治工作十分迫切和嚴(yán)峻。在眾多松材線蟲病防控技術(shù)中[3-5]，及時(shí)及早發(fā)現(xiàn)枯死松樹進(jìn)行針對性防治具有十分重要的作用。由于松林多處于山高、路陡、林密地區(qū)，人工地面調(diào)查難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)疫情且耗費(fèi)大量人力財(cái)力，而衛(wèi)星遙感雖范圍大，但是分辨率低，難以獲得高精度的影像[6]。近年來，無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速[7-9]，利用無人機(jī)靈活機(jī)動(dòng)且可以拍攝高分辨率圖片等特點(diǎn)監(jiān)測枯死松樹，可以極大降低松材線蟲病監(jiān)測工作難度，提高工作效率，顯示出較大的優(yōu)越性[10-12]。但目前該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中監(jiān)測枯死松樹的準(zhǔn)確性卻鮮有報(bào)道。因此，本研究應(yīng)用無人機(jī)調(diào)查監(jiān)測枯死松樹，同時(shí)結(jié)合人工地面抽檢調(diào)查的方式進(jìn)行驗(yàn)證，對比研究無人機(jī)監(jiān)測枯死松樹的準(zhǔn)確性，探究產(chǎn)生誤差的原因，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用無人機(jī)監(jiān)測枯死松樹提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

選擇具有一定數(shù)目枯死松樹，且地理環(huán)境滿足無人機(jī)適宜的飛行條件，同時(shí)也適宜人工地面調(diào)查的林地作為試驗(yàn)地點(diǎn)。在合肥市森林病蟲害防治檢疫站和廬江縣林業(yè)局的大力支持下，我們選擇了廬江縣人民醫(yī)院東側(cè)的東顧山地區(qū)作為試驗(yàn)地。該地地處江淮丘陵地帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，寒暑明顯。林分主要為馬尾松純林和松闊混交林，坡度較緩(10°～15°)，適于人工地面抽樣調(diào)查。選好試驗(yàn)地后在地圖上標(biāo)注實(shí)施范圍，便于無人機(jī)監(jiān)測。試驗(yàn)地總面積為66.67 hm2。

2 材料和方法

2.1 無人機(jī)監(jiān)測

無人機(jī)監(jiān)測調(diào)查工作委托湖南林科達(dá)信息科技有限公司實(shí)施。利用無人機(jī)對實(shí)施地區(qū)范圍進(jìn)行影像采集，同時(shí)結(jié)合其自主研發(fā)的電子勾繪系統(tǒng)軟件智能勾繪枯死松樹位置，記錄坐標(biāo)點(diǎn)及株數(shù)。根據(jù)無人機(jī)續(xù)航時(shí)間合理安排監(jiān)測區(qū)域，做到安全、不遺漏。最終對整個(gè)實(shí)施地區(qū)的枯死松樹進(jìn)行坐標(biāo)和數(shù)量匯總。

2.1.1 監(jiān)測方法及裝備

無人機(jī)監(jiān)測采用飛行范圍內(nèi)連續(xù)拍攝正射影像的方式進(jìn)行，通過軟件對正射影像進(jìn)行后期拼接，合成為一整張?jiān)囼?yàn)地區(qū)正射影像，智能勾繪軟件以枯死松樹顏色變化為主要特征對正射影像上的枯死松樹進(jìn)行識別勾繪。調(diào)查無人機(jī)采用大疆精靈4 系列多旋翼機(jī)配合作業(yè)，機(jī)型搭載2 000 萬像素?cái)z像頭，獲取正射圖比例為1∶500，飛行高度為150 m，旁向及航向重疊度為75%。

2.1.2 調(diào)查步驟

首先，收集松林資源分布、行政界線區(qū)劃、地形數(shù)據(jù)、主要枯死松樹分布區(qū)域等資料，規(guī)劃無人機(jī)調(diào)查作業(yè)范圍。其次，利用無人機(jī)在規(guī)劃的調(diào)查區(qū)域內(nèi)進(jìn)行全覆蓋航拍，通過空中和地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航跡的規(guī)劃和監(jiān)控、影像的自動(dòng)拍攝和傳輸、信息數(shù)據(jù)預(yù)處理等，生成分辨率高于10 cm 的正射影像圖。最后，由專業(yè)技術(shù)人員通過枯死松樹勾繪系統(tǒng)在調(diào)查區(qū)域的正射影像圖上勾繪出疑似枯死松樹分布點(diǎn)，并輸出地理坐標(biāo)信息。

調(diào)查技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)調(diào)查技術(shù)路線

2.2 人工地面調(diào)查

對無人機(jī)監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行人工地面抽樣調(diào)查，抽查枯死松樹數(shù)目需占無人機(jī)識別總數(shù)目10%以上。將人工調(diào)查的枯死松樹位置在地圖上進(jìn)行標(biāo)注，然后對照無人機(jī)監(jiān)測標(biāo)注的枯死松樹分布圖，分別記錄無人機(jī)監(jiān)測到的枯死松樹株數(shù)和沒有監(jiān)測到的株數(shù)。對沒有監(jiān)測到枯死松樹的原因進(jìn)行逐一分析。

2.3 無人機(jī)監(jiān)測枯死松樹監(jiān)測效果分析

對比無人機(jī)監(jiān)測和人工地面抽樣調(diào)查結(jié)果，計(jì)算監(jiān)測效果。

式中：Da- 監(jiān)測效果，單位為%；Db- 人工地面抽樣調(diào)查的枯死松樹，單位為株；Dc- 無人機(jī)沒有監(jiān)測到的枯死松樹，單位為株。

3 結(jié)果與分析

3.1 無人機(jī)監(jiān)測結(jié)果

無人機(jī)飛行作業(yè)共計(jì)2 個(gè)架次，作業(yè)時(shí)長1.5 h，航拍正射面積127.47 hm2，其中覆蓋林地面積66.67 hm2，正射影像見圖2。通過枯死松樹勾繪系統(tǒng)共識別疑似枯死松樹863 株，見圖3。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)枯死松樹分布范圍較大，有松林的小班均有分布。馬尾松純林中枯死松樹分布較為集中，而松闊混交林中枯死松樹多呈零星散點(diǎn)分布。

3.2 人工地面調(diào)查結(jié)果

在試驗(yàn)地范圍內(nèi)人工隨機(jī)抽查100 株枯死松樹。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，100 株枯死松樹中有95 株與無人機(jī)調(diào)查識別的枯死松樹坐標(biāo)位置吻合，有5 株枯死松樹未記錄在無人機(jī)監(jiān)測到的枯死松樹數(shù)據(jù)內(nèi)。由公式計(jì)算可知，無人機(jī)監(jiān)測枯死松樹效果為95%。

標(biāo)記5 株無人機(jī)未能監(jiān)測到的枯死松樹坐標(biāo)位置并分析原因：有1 株為松針完全落完的枯死松樹，這種情況的枯死松樹因松針基本脫落，未能觸發(fā)勾繪軟件識別顏色變化的必要條件，因而被遺漏；有3 株屬于樹高較低的被壓木，這種枯死松樹雖變色嚴(yán)重，但在無人機(jī)拍攝正射影像時(shí)被更高大且冠幅較大的健康松樹遮擋，在正射影像上不能體現(xiàn)顏色的變化，從而被勾繪軟件忽略；有1 株屬于并連枯死樹，即幾株枯死松樹過分接近，樹枝錯(cuò)落交叉，在無人機(jī)拍攝的正射影像分辨率不足，被勾繪軟件識別成一株枯死松樹。未能監(jiān)測到的枯死松樹坐標(biāo)，見表1。

4 討論

本項(xiàng)目采用無人機(jī)結(jié)合人工地面抽樣調(diào)查的方式，對廬江縣東顧山66.67 hm2松材線蟲病疫點(diǎn)的枯死松樹進(jìn)行了監(jiān)測。通過無人機(jī)對項(xiàng)目實(shí)施地進(jìn)行影像采集并勾繪分析，共標(biāo)記枯死松樹863株；人工地面隨機(jī)調(diào)查100 株枯死松樹，發(fā)現(xiàn)有95株與無人機(jī)標(biāo)記的完全吻合，有5 株無人機(jī)未能標(biāo)記到；經(jīng)計(jì)算，無人機(jī)監(jiān)測枯死松樹效果為95%，基本符合預(yù)期。對無人機(jī)未能標(biāo)記的枯死松樹進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，未能標(biāo)記的枯死松樹具有松針落完、被壓木和并連枯死樹等特點(diǎn)。同時(shí)，研究中還發(fā)現(xiàn)天氣情況、拍攝影像分別率、計(jì)算機(jī)輔助勾繪識別系統(tǒng)等因素對無人機(jī)監(jiān)測枯死松樹的效果有較大影響，實(shí)施監(jiān)測前需進(jìn)行合理規(guī)劃。

圖2 無人機(jī)正射影像

圖3 無人機(jī)調(diào)查枯死松樹分布示意

表1 無人機(jī)未能監(jiān)測到的枯死松樹

總體而言，采用無人機(jī)進(jìn)行枯死松樹監(jiān)測的準(zhǔn)確度較高，綜合考慮成本、效率等方面因素，無人機(jī)比傳統(tǒng)監(jiān)測方法有較大優(yōu)勢。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用無人機(jī)監(jiān)測枯死松樹的準(zhǔn)確度及適用性將進(jìn)一步提高，這項(xiàng)監(jiān)測手段必將成為松材線蟲病防控體系中的重要組成部分，具有巨大的社會效益和生態(tài)效益。