舒 敏，張德婧，徐倩然，唐雪海

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，安徽合肥 230000)

松材線蟲病又稱松樹萎蔫病，是一種由入侵物種松材線蟲(Bursaphelenchusxylophilus)引起的森林病害，該病毀滅性強(qiáng)，松樹感染后40天即可死亡，3～5年即可毀滅一片松林，因此也被叫做松樹的癌癥[1-2]。松樹患病后，癥狀表現(xiàn)為樹脂分泌減少，蒸騰作用大幅下降，針葉逐漸變成紅褐色或黃褐色，最終樹脂停止分泌，導(dǎo)致植株干枯死亡[3]。松材線蟲是一種常見的松材寄生蟲害，該病害由北美開始傳播，1970年在亞洲流行，1982年傳入我國，并由此帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-5]，同時(shí)也破壞了自然景觀和生態(tài)環(huán)境，對松林資源構(gòu)成嚴(yán)重威脅[6-7]。該病已被我國列入森林植物檢疫對象。松材線蟲主要以松褐天牛為傳播媒介，在松褐天牛取食松樹樹皮補(bǔ)充養(yǎng)分時(shí)侵入松樹的傷口，接著快速且大量地繁殖，繼而導(dǎo)致松材線蟲病的發(fā)生[8]。針對松材線蟲病害，常用生物防治、化學(xué)防治、營林防治等方式進(jìn)行防控，但是，該病致病力強(qiáng)，傳播迅速，一旦發(fā)生將難以治理。因此，加強(qiáng)松材線蟲病的檢疫和監(jiān)測力度是現(xiàn)代林業(yè)工作中急需解決的問題[9]。

松材線蟲病傳播范圍廣、發(fā)病速度快、治理難度大，在全國各地都普遍存在[10-12]。我國海拔1 000 m以下的地區(qū)廣泛存在松材線蟲，而且危害程度隨著地區(qū)海拔的降低而增大。其中危害最為嚴(yán)重的是珠江三角洲和長江中下游地區(qū)，尤以長江中下游地區(qū)的危害更大；危害中等嚴(yán)重的是珠江中游、長江中游和中國中部高海拔及丘陵地區(qū)；而在云貴高原等海拔約1 000 m的地方僅局部發(fā)生，帶來的危害相對較小[13]。南京中山陵首次發(fā)現(xiàn)外來的松材線蟲，隨后陸續(xù)傳播至安徽、山東、浙江等地，并同時(shí)向四周擴(kuò)散。30多年來，已先后蔓延至我國18個(gè)省和588個(gè)縣級(jí)行政區(qū)[14-15]，造成數(shù)以億計(jì)的松樹被感染并隨后枯萎，豐富的松林資源受到了巨大的威脅，由此也帶來了上億元的經(jīng)濟(jì)損失。作為外來物種，松材線蟲表現(xiàn)出高生長速度、強(qiáng)大繁殖能力和快速蔓延能力等特點(diǎn)，其對環(huán)境具有較強(qiáng)的耐受性和適應(yīng)性。一旦入侵，致使自然生態(tài)系統(tǒng)改變，生物地理分布的結(jié)構(gòu)和功能也會(huì)發(fā)生變化，打破當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡，嚴(yán)重破壞生物多樣性[16]。松材線蟲病也正入侵我國多個(gè)風(fēng)景名勝區(qū)及生態(tài)功能區(qū)，對黃山、張家界等風(fēng)景區(qū)的天然松林產(chǎn)生巨大的威脅，將給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)旅游業(yè)帶來難以估量的經(jīng)濟(jì)損失[7]。盡管近年來我國投入了大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行嚴(yán)格的管理和控制，但是目前仍未形成一套成熟有效的防治措施，在發(fā)病早期也未能提前精準(zhǔn)監(jiān)測。

1 松材線蟲病的診斷方法

1.1 傳統(tǒng)方法早期診斷松材線蟲病是清除侵染源和控制傳播途徑至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，可以從林間枯死木、活立木、原木3個(gè)方面來進(jìn)行診斷[17]。

林間枯死木可以通過觀察法進(jìn)行診斷。感病松樹的針葉從基部開始萎蔫，針葉變紅不脫落，直至枯死[10]。松樹感病后樹脂分泌減少或停止[18-19]，樹干截面的木質(zhì)部多有藍(lán)變現(xiàn)象[20-21]。該方法適于普查林間病害，但缺乏準(zhǔn)確性。

活立木的診斷包括流膠法和化學(xué)法。運(yùn)用三級(jí)流膠診斷松材線蟲病具有一定的可靠性，流膠觀察的指標(biāo)需要根據(jù)實(shí)際情況而定?？赏ㄟ^樹脂酸異構(gòu)化和乙醚抽提物量來粗略定性判斷感染情況[22]。

對于可直接觀察的原木，在樹干解析后可以直接判斷。無法直接觀察得出診斷結(jié)果的原木，常用指示劑顯色法[22]進(jìn)一步定性檢驗(yàn)。pH的變化應(yīng)考慮生物學(xué)與生態(tài)學(xué)特性[19]，因此，特異性地選擇指示劑和顯色標(biāo)準(zhǔn)仍需繼續(xù)研究。

1.2 遙感診斷方法傳統(tǒng)方法存在著時(shí)間上的滯后性、空間上的局限性、標(biāo)準(zhǔn)上的歧義性，以及耗費(fèi)巨大的人、物、財(cái)力等不足。遙感手段則具有探測廣、更新快、穿透力強(qiáng)等優(yōu)勢，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)。松樹被松材線蟲感染后，內(nèi)部光合生理參數(shù)發(fā)生改變，由此引發(fā)外部特征顯著癥狀變化，包括明顯的針葉變色和松脂變少，其中，遙感圖像光譜值參數(shù)的差異性可為變色的疫木遙感監(jiān)測提供基礎(chǔ)。疫木的這些變化會(huì)導(dǎo)致其在不同病感階段冠層光譜反射率有明顯差異，設(shè)置不同波段的傳感器能捕捉到相應(yīng)的重要信息[23]。

1.2.1航天遙感。航天遙感是以人造小衛(wèi)星、航天飛機(jī)、火箭、宇宙飛船等航天飛行器為主，分布于大氣層外部的飛行器平臺(tái)[24-25]。衛(wèi)星遙感是當(dāng)前林業(yè)使用最廣泛的數(shù)據(jù)源，國外20世紀(jì)30年代首次開展了森林病蟲害遙感監(jiān)測方面的航空試驗(yàn)，但是，成本昂貴的衛(wèi)星監(jiān)測制約了20世紀(jì)國內(nèi)的發(fā)展速度。隨著我國信息技術(shù)和航天航空技術(shù)的迅猛發(fā)展，變色松樹的監(jiān)測取得進(jìn)一步突破。近年來，多型星載激光遙感在技術(shù)上的突破和應(yīng)用，為國內(nèi)林業(yè)有害生物監(jiān)測提供了有效的數(shù)據(jù)源[26]。星載激光雷達(dá)系統(tǒng)也在監(jiān)測林冠高度變化方面具有示范性意義，并能獲得精確的森林結(jié)構(gòu)信息[27-28]。Kaiser[29]利用陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)研究海岸線和土地覆蓋的變化，將航天遙感的尺度性凸顯出來。染病松樹的內(nèi)部光和生理參數(shù)的變化會(huì)引起相應(yīng)光譜改變，并反應(yīng)在遙感圖像上。但是，大范圍監(jiān)測松材線蟲病害使用的影像分辨率較低，且受氣候、地形地貌等因素影響，精度難以達(dá)到規(guī)定的技術(shù)要求[30]。高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)對于監(jiān)測群樹的病蟲害效果較好，在識(shí)別單株變色松樹方面還存在誤差和難度。因而，難以構(gòu)建多源空間數(shù)據(jù)立體可視圖[31]，航天遙感技術(shù)更適宜宏觀調(diào)控和數(shù)據(jù)收集。

1.2.2航空遙感。航空遙感是一種運(yùn)載工具搭載傳感器模式的多功能綜合性探測技術(shù)，運(yùn)載工具包括飛機(jī)、飛艇、氣球等[32]。目前，無人機(jī)遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用已成為一種趨勢，不僅可在短時(shí)間內(nèi)收集高分辨率數(shù)據(jù)[33]，并且有望與人工智能結(jié)合[34]診斷松材線蟲病害。此手段可以快速、準(zhǔn)確找到感染樹木的空間分布，使前期的普查工作更具時(shí)效性[35]。此外，如何提高染病樹木的定位精度也是一個(gè)需要探索的問題。徐信羅等[36]將無人機(jī)遙感與目標(biāo)檢測算法結(jié)合，提高了受害木的精確定位效果。Syifa等[37]利用采集到的無人機(jī)圖像制作了一份土地覆蓋(land cover，LC)圖，并使用支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network，ANN)2種方法進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)SVM區(qū)分感染樹木精確度高于ANN。胡馨月等[38]利用Mean Shift算法充分挖掘無人機(jī)圖像，有效地獲取單木信息。Nansen等[39]提出，在機(jī)載遙感應(yīng)用中，太陽高度角、云量、大氣成分日變化和季節(jié)性變化等對獲取高質(zhì)量的機(jī)載遙感數(shù)據(jù)存在相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，也對蟲害的識(shí)別精度造成了一定影響。而Essery等[40]也提到了森林冠層下的太陽輻射可能具有較大的空間變化，從而影響科羅拉多州的黑松樹林中樹的位置、高度和冠幅的航空攝影和機(jī)載激光掃描圖像。且無人機(jī)在續(xù)航時(shí)間、載荷大小等方面存在明顯的限制，急需得到校正和優(yōu)化[41]。

1.2.3地面遙感。地面遙感是各種移動(dòng)終端傳感器支撐平臺(tái)的統(tǒng)稱，既能測量各種地物波譜，也能探測和采集地物目標(biāo)信息。隨著我國自主研發(fā)的北斗等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)服務(wù)的應(yīng)用，基于此信號(hào)的移動(dòng)終端設(shè)備更新速度較快。這種實(shí)時(shí)定位的地面遙感廣泛應(yīng)用于林業(yè)數(shù)據(jù)源的獲取與分析中，并為松材線蟲的監(jiān)測提供技術(shù)支持[42]。該方法具有范圍小、活動(dòng)性高的特點(diǎn)，在松材線蟲的診斷中常作為人工輔助手段進(jìn)行精細(xì)化實(shí)地定位核查。

2 松材線蟲病多源遙感監(jiān)測體系構(gòu)建

松材線蟲感染區(qū)疫木的監(jiān)測包括星載普查、機(jī)載詳查、地面核查3部分，可根據(jù)調(diào)查目的選擇相應(yīng)的調(diào)查方法，通過選擇不同的數(shù)據(jù)源匹配相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，有利于提高分類精度[43]。Wei等[44]利用多源遙感數(shù)據(jù)探索多維城市化對非洲PM2.5濃度的驅(qū)動(dòng)影響，取得了一定的成效。因此，研發(fā)聯(lián)動(dòng)性的平臺(tái)體系，并使之具體化，就顯得尤為重要。

2.1 天空地一體化為保障我國松林生態(tài)安全，徐培林等[45]提出“天空地一體化立體監(jiān)測技術(shù)”方案，即結(jié)合航天遙感、航空遙感和地面遙感技術(shù)對松林進(jìn)行病蟲害監(jiān)測作業(yè)，提高監(jiān)測效率。但是，由于松材線蟲病傳染性高、入侵性廣、根治性難，具有顯著的復(fù)雜性；同時(shí)，單一的衛(wèi)星遙感監(jiān)測本身具有局限性，影像紋理信息沒有被充分挖掘。此外，遙感數(shù)據(jù)受到云層的影響極大，因此，衛(wèi)星遙感監(jiān)測松材線蟲依舊面臨很大的挑戰(zhàn)。在無人機(jī)遙感監(jiān)測方面，劉金滄等[46]以小型無人機(jī)航拍獲取可見光RGB影像，識(shí)別出相應(yīng)的感染松樹，可操作性強(qiáng)。但是，目前多數(shù)疫木的影像解讀工作仍然是人工目視判讀方法，其對判讀方面要求很高，且摻雜主觀性，難以達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。這些不可避免地延遲了疫木的除治，錯(cuò)過最佳治理時(shí)期，增加疫情惡化程度。因此，利用多種數(shù)據(jù)源，各取所長，優(yōu)缺互補(bǔ)，才能達(dá)到最佳的預(yù)警預(yù)報(bào)、防治減災(zāi)效果。

2.2 點(diǎn)線面多角度近年來，隨著遙感平臺(tái)的發(fā)展及載荷技術(shù)的優(yōu)化，多平臺(tái)、寬維度、廣模式的綜合應(yīng)用呼之欲出。Chen等[47]在野外調(diào)查基礎(chǔ)上，通過MODIS衛(wèi)星獲得遙感圖像數(shù)值，將其與遙感數(shù)學(xué)模型結(jié)合，采用了從點(diǎn)對點(diǎn)延伸至點(diǎn)對多的方式。首先，利用衛(wèi)星遙感實(shí)施大范圍的疫區(qū)變色松樹的廣泛普查，并通過數(shù)據(jù)處理分級(jí)圖像，指導(dǎo)無人機(jī)作業(yè)局部范圍；其次，基于無人機(jī)進(jìn)行單位化精細(xì)核查，使用單株松木變色的智能識(shí)別；最后人工實(shí)地確查清理，建立松材線蟲遙感監(jiān)測模式化流程，進(jìn)行松木疫區(qū)全覆蓋監(jiān)測，實(shí)施精準(zhǔn)化預(yù)警預(yù)報(bào)，最大程度做好疫情防控，減小損失和保護(hù)生態(tài)。通過一體化遙感系統(tǒng)，可觀測、獲取物種和生態(tài)的綜合信息，有機(jī)結(jié)合生態(tài)模型，刻畫多樣時(shí)空圖像，提高監(jiān)測的信息化水平[48]。在圖像處理中，已大量采用分水嶺算法劃分區(qū)域的圖像，從而更好地在復(fù)雜地物下提取相關(guān)信息[49]。林業(yè)和遙感由兩個(gè)不同領(lǐng)域細(xì)化聯(lián)結(jié)到一起，用現(xiàn)代化遙感監(jiān)測武裝傳統(tǒng)式蟲害防控，從點(diǎn)延伸到線，進(jìn)而推廣到面。

2.3 預(yù)聯(lián)防相結(jié)合實(shí)施有效防控可從搭建模擬化推演平臺(tái)著手，提前將可能會(huì)導(dǎo)致松材線蟲病感染的因素進(jìn)行預(yù)演化介入分析。如引入坡度、坡向、坡位、郁閉度、立地質(zhì)量等環(huán)境因子作為遙感監(jiān)測對象，通過回歸分析建立估測模型，并設(shè)為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域[50]。在后期采取動(dòng)態(tài)監(jiān)測，定期進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，實(shí)時(shí)比對排查信息。經(jīng)歷周期性訓(xùn)練和模擬可逐步提高系統(tǒng)的定位和預(yù)測能力，同時(shí)達(dá)到防患于未然以及縮減大規(guī)模排查成本的目的。

3 展望

該研究從遙感平臺(tái)的角度討論了目前遙感技術(shù)在松材線蟲病診斷和監(jiān)測中的應(yīng)用。航天遙感感測面積大，多用于監(jiān)測大面積樹群；航空遙感的圖像分辨率高，有較大的靈活性，在普查工作中發(fā)揮重要作用；地面遙感活動(dòng)性高，但范圍小，多作為輔助手段對松林進(jìn)行精細(xì)化核查。3種方法各有優(yōu)勢，因此該研究強(qiáng)調(diào)了天空地一體化的重要性，此方法能最大程度上提高病蟲害監(jiān)測力度。為了及時(shí)對松材線蟲病害進(jìn)行預(yù)警并快速有效制定防治措施，針對當(dāng)前遙感技術(shù)在松材線蟲病診斷與監(jiān)測研究中存在的主要問題，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行展望。

3.1 建立松材線蟲病遙感診斷與監(jiān)測數(shù)據(jù)庫運(yùn)用遙感技術(shù)對松材線蟲進(jìn)行診斷與監(jiān)測，首先需要有效的數(shù)據(jù)支持。但是，當(dāng)前我國林業(yè)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫不足、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，且缺乏兼容性[51]。因此，建立遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)并建立管理系統(tǒng)，是應(yīng)用遙感技術(shù)對松材線蟲病害進(jìn)行監(jiān)測的必要條件。建立松材線蟲遙感診斷與監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一儲(chǔ)存、管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，方便各類資源及成果共享，提高數(shù)據(jù)利用率，增強(qiáng)數(shù)據(jù)可視化能力，為松材線蟲的防治提供有力的數(shù)據(jù)支撐，也為其發(fā)生發(fā)展過程的模擬和預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

3.2 建立遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)我國現(xiàn)有林業(yè)病蟲害調(diào)查模式存在不足，人工地面調(diào)查缺乏全面性和時(shí)效性，航空航天遙感技術(shù)的準(zhǔn)確性目前也無法滿足應(yīng)用需求。為了最大限度地降低病蟲害帶來的損失，有效遏制松材線蟲病的發(fā)生和擴(kuò)散，利用科學(xué)有效的監(jiān)測方法和技術(shù)，及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地掌握災(zāi)害信息，是對松材線蟲病進(jìn)行有效治理和科學(xué)預(yù)測的關(guān)鍵。利用遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對松木葉片、樹冠等的變化進(jìn)行有效監(jiān)測，節(jié)省地面調(diào)查人員的工作量[52]。

3.3 建立病蟲害預(yù)測系統(tǒng)當(dāng)蟲害發(fā)生時(shí)，松材線蟲的蟲卵已分布于松樹林中，并對樹木造成了一定損害，這時(shí)用遙感技術(shù)監(jiān)測出蟲害時(shí)，病蟲害已經(jīng)部分爆發(fā)，并對松樹林造成了破壞[53]。這體現(xiàn)出遙感技術(shù)對松材線蟲病的監(jiān)測存在滯后性。Qi等[54]采用無人駕駛飛行器(unmanned aerial vehicle，UAV)監(jiān)控葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)的新方法，來預(yù)測作物產(chǎn)量，建立了相應(yīng)模型。創(chuàng)建松材線蟲病蟲害預(yù)測系統(tǒng)，建立基于生態(tài)位因子模型對松材線蟲侵入風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測，可以大大彌補(bǔ)遙感監(jiān)測的滯后問題，實(shí)現(xiàn)松材線蟲病管理智能化、線上線下信息互聯(lián)化、資源共享化，有效解決松材線蟲管理和防治上的信息共享困難、預(yù)測預(yù)警時(shí)效性差的問題，為松材線蟲病蟲害的有效防治、科學(xué)預(yù)測提供有效幫助。

3.4 培養(yǎng)專業(yè)的林業(yè)遙感技術(shù)團(tuán)隊(duì)遙感技術(shù)尤其是當(dāng)今流行的無人機(jī)遙感技術(shù)專業(yè)性較高，需要進(jìn)行專業(yè)培養(yǎng)，建立專業(yè)化人才服務(wù)團(tuán)隊(duì)。一方面，要規(guī)范遙感技術(shù)的操作流程，提高標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)水平[55]；另一方面，要提供專業(yè)操作的人才隊(duì)伍，培養(yǎng)專業(yè)化、高水平的診斷與監(jiān)測人才，以提高松材線蟲診斷及監(jiān)測的作業(yè)水平和效率，降低人力、物力投入，更加高效地維護(hù)我國松林生態(tài)安全。