謝毓芬，任博文，劉少波，陳 鵬，郭 暉

（陜西省林業(yè)科學(xué)院，陜西 西安 710082）

一直以來，都是通過人工方式調(diào)查松樹枯死狀況，發(fā)現(xiàn)疫情之后，組織工作人員進(jìn)入疫區(qū)通過踏查方式進(jìn)行統(tǒng)計，不僅耗時耗力，而且無法統(tǒng)計人工無法達(dá)到的區(qū)域，導(dǎo)致調(diào)查結(jié)果不準(zhǔn)確、防治不及時等?；趥鹘y(tǒng)人工調(diào)查方式成效低、難度大且難以滿足對松材線蟲病的有效監(jiān)控，以無人機AI識別技術(shù)為準(zhǔn)的新方法應(yīng)用而生，成為當(dāng)今林業(yè)生產(chǎn)的重要措施。

1 枯死松樹識別重要性

松材線蟲為林業(yè)重要害蟲之一，主要侵染松樹，產(chǎn)生松材線蟲病，危害巨大，會導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)及經(jīng)濟損失，被稱為林業(yè)“第一號危險害蟲”，還存在防治難、傳播快的特點，其一旦發(fā)生，很容易導(dǎo)致大面積松樹死亡。松材線蟲侵入樹木后，外部癥狀的顯著特點是：針葉失水，褪綠，繼而變褐，而后整株枯死，針葉全呈紅黃色。因此如何高效、準(zhǔn)確監(jiān)測松材線蟲病致死松樹的情況十分重要，也是業(yè)界專業(yè)人士研究的重難點所在。之前人們一直采用傳統(tǒng)的人工方式調(diào)查枯死松樹，這種方法耗時耗力，調(diào)查成本高，而且準(zhǔn)確度不高，需要研究一種新技術(shù)來識別枯死松樹和預(yù)防松材線蟲病。

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，無人機技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，利用無人機監(jiān)控技術(shù)檢測林業(yè)有害生物成為無人機研究中的重要部分。這種方式與傳統(tǒng)的人工作業(yè)相比，效率更高、準(zhǔn)確度高、成本低、監(jiān)控面積大，大大彌補了人工作業(yè)中存在的種種弊端，不僅省時省力，也極大保障了監(jiān)控人員的生命安全。

2 無人機AI識別枯死松樹技術(shù)要點

自1982年國內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)松材線蟲病以來，其迅速擴展至多個省市，導(dǎo)致大量松樹枯死，造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞、經(jīng)濟損失和環(huán)境問題，防治工作十分迫切。但多年來松材線蟲病的防治難度依然很大，只有及時、準(zhǔn)確、盡早地發(fā)現(xiàn)枯松松樹，才能更好地進(jìn)行防治。但是由于松林大多處于高山、峭壁、林密的地區(qū)，人工調(diào)查工作相當(dāng)困難且難以及時發(fā)現(xiàn)疫情，而衛(wèi)星遙感技術(shù)雖然監(jiān)控范圍大，但成本高，距離遠(yuǎn)，分辨率較低，難以準(zhǔn)確獲取高精度的數(shù)據(jù)。近幾年來，伴隨著無人機技術(shù)的迅速發(fā)展，利用無人機靈活、高效拍攝枯死松樹，大大降低了松材線蟲病的發(fā)生率，提高了工作效率。

2.1 無人機在林業(yè)監(jiān)控中的應(yīng)用

目前無人機技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，常見應(yīng)用范圍有以下幾方面：①利用無人機航拍技術(shù)能準(zhǔn)確、科學(xué)測量森林蓄積量，無論是樹木高度、冠幅還是蓄積量的估算，精度都高達(dá)80%以上；②利用無人機初步實現(xiàn)了植被分類，根據(jù)計算機圖像識別過程和無人機圖形，獲取科學(xué)、高效的自動識別分類技術(shù)框架，從而提高工作效率；③利用無人機技術(shù)能及時對森林火災(zāi)地區(qū)進(jìn)行監(jiān)控，檢測各種可能發(fā)生火情的狀況，對森林可燃物進(jìn)行動態(tài)跟蹤，并及時估算出火情造成的損失；④利用無人機技術(shù)可協(xié)查森林資源狀況，了解森林實地情況，及時準(zhǔn)確判斷各種樹木死亡以及成長狀況。

2.2 無人機監(jiān)控技術(shù)要點

在無人機AI識別枯死松樹的時候，通過無人機對實施地區(qū)范圍進(jìn)行影像采集，結(jié)合電子勾繪系統(tǒng)軟件勾繪枯死松樹的位置，記錄相應(yīng)的坐標(biāo)以及數(shù)量。然后根據(jù)無人機續(xù)航時間合理安排監(jiān)控區(qū)域，做到安全、科學(xué)且不遺漏監(jiān)控，最終對整個實施地區(qū)的枯松松樹的坐標(biāo)和數(shù)量進(jìn)行匯總。

2.3 無人機檢測方法以及配置

無人機AI識別是利用無人機飛行范圍連續(xù)拍攝正射影像，運用軟件對正射影像進(jìn)行拼接，合稱為一個完整地區(qū)的正射影像，再利用智能勾繪軟件，以枯死松樹地區(qū)的顏色變化為基礎(chǔ)對正射影像上的松樹枯松情況進(jìn)行勾繪。為了保證識別精準(zhǔn)度，目前大多都采用多旋翼機，搭載兩千萬像素的攝像頭，飛行高度通常都控制在150 m，此時獲取正射影像比圖的比例為1∶500，方向及航向的重疊度控制在75%以內(nèi)。

2.4 調(diào)查措施

首先，分析了松林資源的分布狀況、行政界線區(qū)分規(guī)劃、地形數(shù)據(jù)、枯死松樹的分布區(qū)域等詳細(xì)資料，通過這些資料科學(xué)、合理地規(guī)劃無人機調(diào)查作業(yè)范圍。其次，利用無人機在規(guī)劃調(diào)查前對區(qū)域進(jìn)行全方位、高精準(zhǔn)度覆蓋航拍，運用空中和地面監(jiān)控系統(tǒng)處理拍攝返回的信息，統(tǒng)計出重點監(jiān)控和拍攝范圍，并且利用自動拍攝、傳輸、數(shù)據(jù)處理軟件對這些拍攝信息進(jìn)行分辨，生成分辨率高于10 cm的正射影像圖。最后，專業(yè)技術(shù)人員利用枯死松樹勾繪系統(tǒng)在調(diào)查區(qū)域的正射影像圖上勾繪出疑似枯死的松樹，然后再次規(guī)劃專門的拍攝航線，并輸出準(zhǔn)確的地理坐標(biāo)信息和枯死松樹信息。具體調(diào)查路線如圖1所示。

圖1 無調(diào)查技術(shù)路線

2.5 人工地面調(diào)查

對無人機監(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)量需占無人機識別總數(shù)量的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，然后對照無人機監(jiān)測標(biāo)注的枯死松樹分布圖，分別記錄無人機監(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。

3 枯死松樹的自動識別

通過分析，枯死松樹分布范圍較廣。純松林中枯死松樹分布較為集中，闊混交林中枯死松樹多呈零星散點分布。此時，可以采用MATLAB軟件對枯死松樹進(jìn)行自動識別，這種軟件是專門用于可視化與程序設(shè)計的軟件，也是無人機監(jiān)控枯死松樹的主要自動識別處理軟件。在工作中首先用軟件將帶有枯死松木的航拍圖在RGB、HSV、LAB色彩空間中進(jìn)行識別，三個色彩空間所擁有的顏色區(qū)域無論是表現(xiàn)力、均勻性都不同，此時枯死的顏色在三個空間中的表現(xiàn)也不盡相同，其原因是三種空間代表枯死樹木的顏色，綠色與紅色通道不一致，需要對每個色彩空間中掌握的綠色、紅色通道進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定科學(xué)的三種空間枯死樹木的閾值，使用算法帶入所設(shè)定的閾值，把設(shè)定好的閾值代表的顏色有機提取出來，從而讓枯死松樹自動識別密度。

4 結(jié)束語

總體而言，采用無人機進(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。