馬海濤，劉聰聰

（1.威海市文登區(qū)自然資源局，山東威海264200；2.煙臺云都海鷹無人機應(yīng)用技術(shù)有限公司，山東煙臺26400）

昆崳山國家級自然保護區(qū)地處威海市西部，與煙臺市交界，南北35 km，東西50 km，總面積1750 km2，以自然風(fēng)光、名勝古跡和膠東革命勝地而聞名于世。山系溝谷縱橫交錯，多勢高低起伏，山域廣闊，林木聳密，森林覆蓋率77.07%，其中赤松純林和針闊混交林占森林總面積比例80%以上，擁有全世界保存最完好的赤松林，是中國赤松的原生地和天然分布中心，被譽為“膠東植物王國”。然而由于山區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，防治困難，自2006年發(fā)現(xiàn)松材線蟲病以來，疫區(qū)面積、數(shù)量仍在持續(xù)擴大，嚴(yán)重威脅保護區(qū)植被安全。

松樹線蟲屬線蟲動物門、線蟲綱、滑刃目、滑刃科、傘滑刃屬。由于體型小，活動范圍非常有限，無法通過自身活動來傳播，一般是通過寄生在松墨天?；蚱渌ハx上進行傳播。由于目前國內(nèi)外對松樹線蟲病致病機制方面的研究尚不夠充分，無法確定致病機理，除通過加強檢疫、嚴(yán)防擴散等管理措施以外，針對松樹線蟲病的防治措施主要包括通過根部澆灌和樹干打孔注液、清除林間病死木等辦法滅殺病原線蟲，或者通過滅殺松樹線蟲病傳播媒介—松墨天牛來切斷松樹線蟲傳播途徑等2 種方式。

根部澆灌和樹干打孔注液防治具有效果好、不受樹木本體及周圍地理環(huán)境影響、對環(huán)境污染小、藥效期長等特點，但由于昆崳山地勢復(fù)雜、交通不便，有些地方甚至人跡罕至，這種方式作業(yè)效率極低、工藝復(fù)雜、費用高等原因，只適用于對名貴樹木、紀(jì)念林等進行小面積防護，無法大面積推廣。清除林間病死木是目前使用較多的一種防治措施，但由于松樹多種植于山區(qū)，地形高低起伏，有些地方道路不通、人跡罕至，在實際操作過程中存在病樹發(fā)現(xiàn)難、人工運輸難等諸多問題，一旦處置不當(dāng)，還會在運輸過程中造成二次災(zāi)害，進而加劇了松材線蟲病的傳播。

利用化學(xué)方法通過滅殺松樹線蟲病傳播媒介—松墨天牛來切斷松樹線蟲傳播途徑是目前最常見，也是效果最快的防治措施。然而，在類似昆崳山國家級自然保護區(qū)這種地理條件下，傳統(tǒng)的人工植保模式無法完成，采用飛機或直升機植保方式在地形平緩地區(qū)效率高、效果好，然而在復(fù)雜山區(qū)，受地形和氣流影響，飛行難度高，風(fēng)險大，相對高度難以降低，易導(dǎo)致藥液飄散，降低效果，甚至?xí)泶紊鸀?zāi)害，也存在一定的風(fēng)險。無人機植保具有機動靈活、效率高、效果好的特點，為在山地丘陵地帶開展松樹線蟲病化學(xué)防治提供了一條全新的思路和途徑。但由于目前自主控制技術(shù)尚不夠成熟，無人機在山地飛行時只能依靠操控人員目視操控，作業(yè)范圍有限、噴灑效果也難以保障，再加上受地形和氣流影響，飛行安全壓力較大。

綜上所述，當(dāng)前山地丘陵地帶森林病蟲害防治急需一套可操作性強、效率高的配套方案，本文針對傳統(tǒng)松材線蟲病防治措施在昆崳山區(qū)面臨的窘境，開展了“基于圖像識別與仿地飛行技術(shù)的山地丘陵地帶松材線蟲病無人機防治系統(tǒng)”項目研究，利用無人機技術(shù)成熟、成本低廉、作業(yè)靈活等優(yōu)勢，結(jié)合正射影像采集、圖像識別與定位、航線自動規(guī)劃、仿地飛行等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，將植保無人機系統(tǒng)的作業(yè)領(lǐng)域由平原大田作物拓展到山地丘陵地帶森林植被，變傳統(tǒng)淋洗式植保作業(yè)模式為定點精準(zhǔn)施藥，使得昆崳山保護區(qū)開展無人機化學(xué)防治松材線蟲病成為可能。

1 總體方案

系統(tǒng)總體方案由一套固定翼無人航拍機、一套多旋翼無人植保機，和一套圖像識別與定位軟件組成?？傮w組成與工作流程如圖1、2所示。

圖1 系統(tǒng)總體組成示意圖

飛防作業(yè)開始前，先由掛載正射相機的固定翼航拍機執(zhí)行正射影像采集任務(wù)，依據(jù)正攝影像對昆崳山作業(yè)區(qū)域劃分成610 個網(wǎng)格（圖3），根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)病死樹木的圖像識別結(jié)果，按照“不重不漏、航線最短”的原則進行航線規(guī)劃。作業(yè)過程中，飛手只須每日領(lǐng)取對應(yīng)網(wǎng)格任務(wù)，按規(guī)定航線飛行即可，大大簡化了操作程序，減輕了心理壓力，提高了作業(yè)效率，保證了飛防作業(yè)的時效性和安全性。

圖2 昆崳山松材線蟲病無人機化學(xué)防治工作流程圖

圖3 昆崳山林區(qū)網(wǎng)格劃分示例

2 防治保障方案

2.1 作業(yè)實時監(jiān)控

作業(yè)質(zhì)量控制模塊可實時、直觀記錄，實時顯示無人機當(dāng)前位置、工作狀態(tài)、飛行速度、飛行高度、航線間距、藥液流量、剩余藥量、作業(yè)面積等參數(shù)，作為飛防作業(yè)質(zhì)量控制的主要措施，也是飛手工作量認(rèn)定的主要依據(jù)，并可根據(jù)飛行時間、剩余藥量等參數(shù)實時提醒飛手換藥和清洗噴頭等業(yè)務(wù)操作。

圖4 質(zhì)量控制模塊參數(shù)監(jiān)管平臺及航線展示

植保效果一在飛行，二在藥液。為保證藥液真實有效地被使用，本方案采取藥液集中配制，遠程監(jiān)控藥液加注的方式進行管理。在作業(yè)期間，配備專人負(fù)責(zé)藥液的配制和發(fā)放，同時嚴(yán)格管控每架次飛行加藥情況，要求每位飛手每次起飛前以時間相機記錄加藥視頻，與飛控記錄起飛時間正確對應(yīng)后方算為有效架次，每日計算藥液使用量與作業(yè)面積，經(jīng)實踐證明，在管理藥液配制和監(jiān)管藥液加注后，藥液使用量與作業(yè)面積始終處于合理范圍內(nèi)，證明此管理方式有效可靠。

2.2 隨機水敏測試

項目實施過程中在飛防區(qū)域隨機選取松樹，在樹上部、中部、下部鋪設(shè)水敏試紙，檢測霧滴穿透效果；在區(qū)域內(nèi)掛設(shè)天牛誘捕器，監(jiān)測天牛數(shù)量變化，間接反饋飛防作業(yè)效果（圖5）。

圖5 霧滴穿透監(jiān)測

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 圖像識別與定位技術(shù)

圖像識別模塊通過固定翼無人機高空拍攝林區(qū)圖片，自動識別出含有松樹線蟲病病死樹木的高空影像，對收集的正攝遙感影像進行整合拼接處理（采用CGSC2000 坐標(biāo)系），將其裁剪拆分后進行松樹線蟲病松樹標(biāo)注，生成標(biāo)注樣本，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法對松材線蟲病病樹訓(xùn)練樣本進行訓(xùn)練，得到可用來檢測松樹林中松材線蟲病病樹的檢測模型。

2020年11月收集昆崳山山林區(qū)域(經(jīng)度：121.78°—121.83°E，緯度37.27°—37.29°N)圖片11000 多張，運用YOLO-V3 深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練模型，訓(xùn)練模型周期100，選取最優(yōu)模型（mAP值為0.0005257324068131221，Total loss 值為0.13596370816230774）。共識別檢測松樹線蟲病病情區(qū)域12762 處。截取某區(qū)域案例顯示，該區(qū)域人工識別病樹區(qū)域106 處，圖像識別病樹區(qū)域101 處，檢測識別錯誤區(qū)域1 處，檢測未識別區(qū)域6 處，綜合識別率為94.3%。

3.2 航線自主規(guī)劃技術(shù)

航線自主規(guī)劃模塊根據(jù)圖像定位、識別模塊輸出的疫區(qū)識別結(jié)果，結(jié)合無人機當(dāng)前位置、姿態(tài)、運動信息，按照“不重不漏、航線最短”的原則開始航線規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果在地面站顯示，并提示地面站操作人員是否切換為新路飛行。航線自主規(guī)劃的限制條件包括：

（1）以疫區(qū)圖片中心為原點，以疫區(qū)邊界距原點的最遠距離為參考，外擴10 m 生成疫區(qū)作業(yè)區(qū)域；

（2）沿原航線的橫向設(shè)計新任務(wù)航線；

（3）新航線切入點、切出點均在原航線上。

航線自主規(guī)劃模塊流程和原理如圖6所示。

圖6 航線自主規(guī)劃流程

3.3 基于無線電高度表的無人機仿地飛行控制技術(shù)

為適應(yīng)昆崳山地勢起伏，以電動四旋翼無人機為飛行器平臺，通過數(shù)圖一體化傳輸系統(tǒng)與地面控制站進行信息交互，上傳地面站飛行控制、任務(wù)控制指令，下傳任務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)及飛行姿態(tài)、運動及位置等定位與導(dǎo)航信息，實現(xiàn)對飛行器系統(tǒng)的控制與管理。硬件組成如圖7所示。

圖7 飛行器系統(tǒng)整體組成框圖

仿地飛行控制與管理系統(tǒng)通過采集無線電高度表、GPS 接收機等機載傳感器信息，與機載慣性傳感器計算的高度值通過數(shù)據(jù)融合算法實現(xiàn)對當(dāng)前位置的精確定位，和下一時刻航點位置的精確估算。算法流程如圖8所示。

圖8 航點推算流程圖

當(dāng)前航點位置估算采用卡爾曼濾波算法?？柭鼮V波利用上一時刻狀態(tài)的估計值和當(dāng)前時刻的觀測值，采用遞推方法，解決以均方誤差最小為準(zhǔn)則的最佳線性濾波問題。經(jīng)典卡爾曼濾波模型適用于線性系統(tǒng)，本系統(tǒng)使用GPS/INS 進行縱使時的狀態(tài)模型和觀測方程均為非線性，反對數(shù)碼單反函數(shù)模型進行線性化。

由狀態(tài)方程和量測方程2 部分組成。

狀態(tài)方程：xk=AkXk-1+ωk-1

觀測模型：yk=CkXk+vk

經(jīng)推導(dǎo)可得一組卡爾曼一步遞推公式：

假定Pk表示均方誤差陣，且為：

令：

新航點采用基于無線電高度表的航跡推算算法。仿地飛行階段相對高度變化量的估算如圖9所示。

圖9 仿地飛行高度測量原理圖

圖中，h0為當(dāng)前航點的高度值，如果處于仿地飛行階段，該值在理論上應(yīng)等于預(yù)先設(shè)定的航線相對高度值；為無線電高度表測量值，用于估算下一時刻航點數(shù)據(jù)；α 為無線電高度表的前傾安裝角，其值由飛行高度、速度、最大爬升等參數(shù)共同確定。

由圖可知，下一航點相對高度變化量、變化率可由下式計算：

式中，vCRUISE是指起飛前預(yù)設(shè)定的無人機巡航速度。

3.4 氣動霧化噴頭與多噴嘴組網(wǎng)技術(shù)

昆崳山林區(qū)樹高、林密，普通噴頭霧化過細，穿透力有限，公司專門針對昆崳山林區(qū)植被情況進行了調(diào)研，重新選配了霧化噴頭，通過多噴嘴組網(wǎng)技術(shù)，確保對病區(qū)樹木橫向包圍、縱向穿透，確保植保效果（圖10）。

圖10 噴頭組網(wǎng)噴灑效果CFD 仿真圖

4 應(yīng)用與效果評價

2020年6月—9月，威海市文登區(qū)、乳山市先后3 次組織實施無人機施藥，涉及大水泊、侯家鎮(zhèn)、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、高村鎮(zhèn)、澤庫鎮(zhèn)、龍山街道、澤頭鎮(zhèn)、界石鎮(zhèn)、葛家鎮(zhèn)、文登營鎮(zhèn)、米山鎮(zhèn)、環(huán)山街道、天福街道、宋村鎮(zhèn)、張家產(chǎn)鎮(zhèn)、莒格莊、午極鎮(zhèn)等17 個鎮(zhèn)（街）松林區(qū)域。飛防所用藥劑為3%噻蟲啉、8%氯氰菊酯觸破式微囊懸浮劑。

共投入140 套無人機系統(tǒng)，作業(yè)人員200 余人，共計完成4.35 萬hm2次飛防任務(wù)，日均作業(yè)2466.7 hm2，是全國首例山地大規(guī)模作業(yè)，飛防效果顯著，開創(chuàng)了無人機在山地大規(guī)模植保作業(yè)的先河。

通過對作業(yè)飛機隨機霧滴監(jiān)測，數(shù)據(jù)表明，此次飛防作業(yè)滿足霧滴覆蓋密度10 個/cm2以上的作業(yè)要求，并且在樹干周邊林下穿透霧滴基本達到2 個/cm2以上，具有較好的霧滴穿透效果；飛防作業(yè)對于作業(yè)區(qū)域松褐天牛數(shù)量遏制趨勢明顯，飛防效果顯著。

表1 無人機防治作業(yè)情況一覽表

5 結(jié)論

本文重點針對山地丘陵地帶無人機飛防作業(yè)模式進行了探究與應(yīng)用，開發(fā)出一套基于仿地飛行與圖像識別技術(shù)的無人機化學(xué)防治系統(tǒng)，并進行了試驗驗證，得出如下結(jié)論：

（1）本文提出的系統(tǒng)是一套全新的、高效的、精準(zhǔn)的化學(xué)防治系統(tǒng)，具有作業(yè)效率高、防治效果好、勞動強度低、施藥精準(zhǔn)無浪費、安全可靠等特點，可用于山地丘陵地帶森林飛防或果樹植保，為交通不便、地理環(huán)境復(fù)雜的山地丘陵地帶松樹線蟲病全面、精準(zhǔn)防治提供了可能。

（2）提出了一套適用于山地丘陵地帶的無人機飛防作業(yè)模式，由一套固定翼無人航拍機、一套多旋翼無人植保機，和一套圖像識別與定位軟件組成，并完成飛防作業(yè)面積4.35 萬hm2次，效果顯著。

（3）本文所研究的山地丘陵地帶無人機飛防模式為國內(nèi)森林植保行業(yè)發(fā)展提供了理論參考與實踐指導(dǎo)，可推廣應(yīng)用于絕大多數(shù)山地丘陵地帶飛防作業(yè)中。

圖11 飛防區(qū)內(nèi)天牛數(shù)量檢測