黃建輝，黃云鵬，范繁榮，曾傳賓，紀(jì)成據(jù)

(福建三明林業(yè)學(xué)校，福建 三明 365001)

1 引言

松材線蟲病，是由松材線蟲寄生在松樹體內(nèi)所引起的一種毀滅性病害。松樹受松材線蟲病侵染后，樹脂分泌減少，針葉紅褐色萎蔫，最后整株枯死，松樹一旦感病最快40多天即可枯死。在我國該病主要由松墨天牛傳播擴(kuò)散，致病力強(qiáng)，寄主死亡速度快；傳播快，且常常猝不及防；一旦發(fā)生，治理難度大，被國家列為重點(diǎn)檢疫對象。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自1982年以來，30多年已累計(jì)枯死松樹超過5000萬株，因治理皆伐和擇伐的松樹面積已達(dá)40萬畝，導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失超過120億元，間接經(jīng)濟(jì)損失超過360億元。它不僅給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，也破壞了自然景觀及生態(tài)環(huán)境，對中國豐富的松林資源構(gòu)成嚴(yán)重威脅，而且限制了我國相關(guān)產(chǎn)品出口，影響我國產(chǎn)品出口競爭力，有效阻止松材線蟲病的發(fā)生、蔓延意義重大。

福建省是全國南方重點(diǎn)集體林區(qū)，也是我國南方地區(qū)重要的生態(tài)屏障，山多林多是福建的一大特色和優(yōu)勢。全省林地面積1.39億畝、占土地總面積76.28%，素有“八山一水一分田”之稱。省內(nèi)松材線蟲病危害甚重如果不采取果斷措施加以遏制，全省占現(xiàn)有林面積42%的松林將遭到毀滅性破壞。

小型固定翼無人機(jī)具有機(jī)動靈活、使用成本低、續(xù)航能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于福建山區(qū)對松材線性蟲病的災(zāi)情監(jiān)測、防治效果評估。無人機(jī)按照設(shè)定的飛行航線飛行，通過機(jī)載高分辨率相機(jī)或多光譜相機(jī)采集影像數(shù)據(jù)，再經(jīng)過后期數(shù)據(jù)建模，可精確發(fā)現(xiàn)并定位松材線蟲病發(fā)病松樹，為進(jìn)一步治理病害、防止病害范圍擴(kuò)大，降低損失，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有效方法。該項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過前期的研發(fā)積累、試驗(yàn)區(qū)的測試，經(jīng)進(jìn)一步完善后可推廣應(yīng)用，能有效解決林業(yè)生態(tài)保護(hù)中的痛點(diǎn)問題。本文以福建省三明市格氏栲自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，闡述本文提出的監(jiān)測方法[1～3]。

2 監(jiān)測方法總體方案設(shè)計(jì)

無人機(jī)的松材線性蟲病監(jiān)測方法，總體上首先利用無人機(jī)在林區(qū)規(guī)劃出飛行航線，無人機(jī)攜帶高分辨率相機(jī)進(jìn)行航測，采集高分辨率數(shù)據(jù)，而后將高分辨率的原始圖像和無人機(jī)的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)疊加，導(dǎo)入到數(shù)據(jù)處理軟件生產(chǎn)正攝影像圖；在生成的正攝影像圖的基礎(chǔ)上，利用RGB色域分割圖像算法實(shí)現(xiàn)病樹的自動識別；最后，將識別的數(shù)據(jù)經(jīng)人工驗(yàn)證后，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上疊加林班圖輸出統(tǒng)計(jì)報(bào)告。開發(fā)對應(yīng)的智能終端APP,護(hù)林員可依據(jù)APP定位、導(dǎo)航到病樹位置。該方法在福建省三明市格氏栲自然保護(hù)區(qū)實(shí)施并驗(yàn)證[4]。

3 監(jiān)測方法具體實(shí)現(xiàn)

3.1 無人機(jī)航測

本文采用固定翼無人機(jī)，無人機(jī)采用飛控SG-100系統(tǒng)，搭載高分辨率相機(jī)和多種傳感器，結(jié)合地面站控制功能，利用北斗、GPS等技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動飛行、數(shù)據(jù)采集。

SG-100采用基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位高性能MCU，附帶浮點(diǎn)運(yùn)算單元FPU，主頻達(dá)168MHz，片上搭載2MB Flash、256KB RAM，板上另載有一個(gè)32位IO數(shù)據(jù)協(xié)處理器。AHRS傳感器采用應(yīng)美盛MPU9250九軸傳感器，MS5611 MEAS氣壓計(jì)，L3GD20陀螺儀，LSM303D加速度計(jì)。所有引出端口均帶有電氣過載保護(hù)。

固定翼無人機(jī)的性能指標(biāo)為：翼展2000 mm、機(jī)身長度1300 mm、機(jī)身高度400 mm、翼面積53.2 dm2，機(jī)身重量4 kg。具有以下特性：機(jī)艙空間大，專設(shè)傘倉，相機(jī)倉等設(shè)備搭載平臺，飛行靈活穩(wěn)定；飛機(jī)模塊化設(shè)計(jì)，拆裝體積小，質(zhì)量輕，攜帶方便；EPO發(fā)泡材料、強(qiáng)度高，抗沖擊。如圖1所示。

圖1 固定翼機(jī)身

為了實(shí)現(xiàn)山區(qū)無須人工采集控制點(diǎn)情況下提高成圖精度，應(yīng)用高精度定位導(dǎo)航模塊，集成了通過電臺鏈路通訊的實(shí)時(shí)RTK功能和記載記錄的后處理PPK，雙重保障數(shù)據(jù)采集后能夠和真實(shí)坐標(biāo)一一對應(yīng)。高精度定位模塊(RTK)，見圖2。

圖2 高精度定位模塊(RTK)

3.2 數(shù)據(jù)建模

建模軟件基于影像自動生成正射影像模型。本文采用的數(shù)據(jù)處理軟件是中量智匯公司開發(fā)的PPSG軟件，該軟件無需復(fù)雜參數(shù)設(shè)置，軟件內(nèi)自動相機(jī)檢校，可以對任意照片進(jìn)行處理，無需添加控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無人值守、完全自動化模型重建。針對松材線性蟲病樹的顏色、光譜特性提升數(shù)據(jù)處理能力，可提高軟件的適用性能。圖3為此次測試的正攝影像圖。

圖3 正攝影像圖

3.3 病樹自動識別

受侵染松材針葉顯紅褐色，含水量降低，呈萎蔫狀。在RGB色域下對圖像進(jìn)行檢索，正射視圖上檢測出受侵染松材邊緣范圍，確定樹木坐標(biāo)。RGB色域的分界，見圖4；受侵染松材邊緣的確定，見圖5。

圖4 RGB色域分界算法

圖5 受侵染松材邊緣

3.4 監(jiān)測GIS軟件

監(jiān)測GIS軟件主要實(shí)現(xiàn)病樹的標(biāo)注、編輯、存儲、統(tǒng)計(jì)。基于.NET Framework 4.6.2 框架與ArcGis Engine開發(fā)，加載無人機(jī)拍攝處理得到的正攝tif圖像，加載林班圖層，可新建圖層進(jìn)行病蟲害樹木在地圖上標(biāo)記、編輯、存儲、統(tǒng)計(jì)，并發(fā)送到服務(wù)器供移動端APP使用。

軟件主要包括：地圖數(shù)據(jù)顯示、病蟲害數(shù)樹木標(biāo)記、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)存儲與任務(wù)傳輸4個(gè)部分。 地圖數(shù)據(jù)顯示，主要加載tif柵格數(shù)據(jù)與shape文件顯示林業(yè)區(qū)域地圖、林班分布與標(biāo)記的病蟲害樹木地點(diǎn)分布。病蟲害樹木的標(biāo)記，根據(jù)tif圖顯示樹木顏色差異，進(jìn)行點(diǎn)添加標(biāo)注，存為shape文件，再根據(jù)林班圖層的多邊形(林班)與標(biāo)注點(diǎn)的空間包含關(guān)系，添加林班編號字段，其效果圖見圖6。根據(jù)需求將標(biāo)注點(diǎn)存為excel表格或者存入數(shù)據(jù)庫，更新到服務(wù)器。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)主要統(tǒng)計(jì)各林班的病蟲害樹木個(gè)數(shù)等信息。任務(wù)發(fā)送主要選擇要處理的病蟲害樹木，發(fā)送其ID與經(jīng)緯度到服務(wù)器，經(jīng)由服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)app端，給相關(guān)人員進(jìn)行病害樹木處理任務(wù)。

圖6 疊加標(biāo)記點(diǎn)及林班信息的數(shù)據(jù)

3.5 APP軟件開發(fā)

移動端APP軟件的主要功能是為了護(hù)林員在山中定位自身和病樹的位置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能，界面見圖7[5]。

圖7 APP開發(fā)成果

4 數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證

本文提出的方法在福建省三明市格氏栲自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證，用該方法統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)見圖8。

圖8 各林班病樹數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，該方法的監(jiān)測結(jié)果達(dá)到了100%的精度。

5 結(jié)語

應(yīng)用無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在林區(qū)開展松材線性蟲病監(jiān)測，提高了松材線性蟲病的監(jiān)測效率，在實(shí)驗(yàn)區(qū)開展松材線性蟲病監(jiān)測，進(jìn)行松材線性蟲病的樹體單點(diǎn)定位、識別、標(biāo)記及監(jiān)測，為松材線性蟲病的病樹監(jiān)測、防治提供技術(shù)依據(jù)，防止了松材線性蟲病疫區(qū)范圍擴(kuò)大，降低了損失，促進(jìn)了林業(yè)可持續(xù)發(fā)展。