襄阳市枯死松树天空地监测体系构建探索

陈英　刘厚超　徐轶阳　梁传波　龚雪莹

摘要：针对襄阳市松材线虫病监测现状，构建了枯死松树天空地监测体系，综合运用卫星遥感监测、无人机航测、人工地面踏查等技术，采取“互联网+无人机举证+人工地面踏查”的模式，对枯死松树进行监测核查。基于GNSS、卫星遥感、互联网+等技术，研发了“襄阳市松材线虫病疫情监测核查管理信息系统”，实现枯死松树的坐标定位及身份证化管理。监测体系在襄阳市的推广使用，基本实现了疫情监测智慧化、管理信息化。

关键词：枯死松树;松材线虫病;卫星遥感;无人机;互联网+

中图分类号：S763.305文献标识码：B文章编号：1004-3020（2022）02-0052-04

Exploration on Construction of AirSpace-Ground Monitoring

System for Dead Pine Trees in Xiangyang CityChen YingLiu HouchaoXu YiyangLiang ChuanboGong Xueying

（Xiangyang Forest Pest Control and Quarantine StationXiangyang441000）

Abstract：Aiming at the monitoring status of pine wilt disease in Xiangyang City，an airspaceground monitoring system for dead pine trees has been constructed，and technologies such as satellite remote sensing monitoring，drone aerial surveys，and artificial ground inspections have been comprehensively used to adopt mode of “Internet + UVA evidence + artificial ground inspections”，and monitoring and verification of dead pine trees. Based on GNSS，satellite remote sensing，Internet plus and other technologies，“Xiangyang City pine wilt disease monitoring and verification management information system” was developed to realize the coordinate positioning and ID management of dead pine trees. The promotion and use of the monitoring system in Xiangyang City has basically realized the intelligentization of epidemic monitoring and the informationization of management.

Key words：dead pine trees;pine wilt disease;satellite remote sensing;UVA （unmanned aerial vehicle）;internet plus

松材线虫病是危害松属植物的一种毁灭性病害，传播蔓延迅速、寄主植物分布广、防治难度大，被世界各国列为头号植物检疫对象，松树感病后最快40多天即可枯死，3～5 a可摧毁成片松树[1]。近年来，松材线虫病疫情相继在襄阳市多地发生，目前已扩散至8个县（市、区）的34个乡镇，年发生面积近0.93万hm2。疫情发生后，各地通过压实防治责任、强化宣传培训、创新防治模式、实施科学防治、严格监督管理，累计清理枯死松树约150万株，媒介天牛防治作业面积达6.67余万hm2。多年的防治经验表明，松材线虫病防治的核心是彻底清除疫源，因此，枯死松树的精准普查显得尤为重要。传统的普查主要依靠人工调查，由于襄阳市大部分松林分布在南漳县、保康县、谷城县，山高林密，人力难以到达，导致普查不全面、不准确、效率低。

松树感染松材线虫病后，外部症状主要表现为针叶失去光泽，经过短时间灰绿、黄绿后迅速变为黄褐色，乃至红褐色，同时陆续从局部波及整个植株，最后整株枯萎、死亡，这种明显特征为遥感技术的应用提供了靶标特征。为有效解决枯死松树普查不全面、效率低等问题，襄阳市提出了构建枯死松树天空地监测体系，综合运用卫星遥感监测、自动提取疑似小班、无人机航测、原始影像解译、人工地面踏查等技术，采取“互联网+无人机举证+人工地面踏查”的模式，对枯死松树进行监测核查，极大地提高了监测效率，节约时间，并且较人力监测更加全面精准。该技术通过融合GPS、GIS、RS即3S技术，利用RS可以快速获得多光谱影像，在GIS系统中进行自动判读，获取枯死松树的矢量数据，疫木清理阶段，配合使用GPS，可以精准找到枯死松树，从而实现全方位天空地监测疫情、全链条疫源除治监管和全覆盖疫木身份证管理。

1襄阳市枯死松树天空地监测技术

卫星遥感影像具有面积大、成本低、效率高的优势，而无人机具有机动性强、体积小、重量轻、易操作等特点，襄阳市将卫星影像判读、无人机航拍和人工地面核查相结合，通过卫星遥感的广、快、廉价确定重灾区，利用无人机的灵活、高精度、高清晰度确定枯死树株数，再辅以人工地面核查和人工判读，极大地提高了普查效率和准确率[2]。襄阳市枯死松树天空地一体化监测技术流程见图1。普查时，收集林业调查相关数据，根据松树编码提取含松林小班，叠加采集的全市域卫星影像，得到全市松林小班卫星影像，再通过自动提取算法提取疑似发病小班，市级通过“襄阳市松材线虫病疫情监测核查管理信息系统”下发疑似发病小班给对应的县级管理员，县级根据市级派发的核查任务，到現场采取无人机或者人工调查的方式进行实地核查、拍照举证，并将相关信息上传至“襄阳市松材线虫病疫情监测核查管理信息系统”，后台利用枯死松树人工智能识别系统对影像进行自动判读，快速获取枯死松树株数和位置信息。

1.1利用卫星影像提取疑似小班范围

根据森林资源调查数据库中的优势树种比例信息，提取优势树种中含有松树的小班，将含有马尾松Pinus massoniana、黑松Pinus thunbergii、红松Pinus koraiensis、落叶松Larix gmelinii等松树种类编码的小班进行分析提取，缩小监测范围。结合交通数据，对铁路、高速及国道省道周边1.0 km的松林小班进行提取，进行重点监测。

在林木监测中，空间遥感数据分辨率优于1.0 m的，就可以用于树叶变色或者死亡的辨识[2]。本次采集的是全市域1.97万km20.8 m分辨率的多光谱卫星影像，将原始卫星影像进行处理，利用多光谱影像的近红外波段可以更容易区分健康松树与枯死松树，处理后得到单景正射影像[3]。将卫星影像叠加林业二类清查数据并进行求交运算，得到松林小班影像资料。利用枯死松树和健康松树具有不同的反射光谱特征，采取自动提取技术，辅以人工判别，提取出疑似发生疫情的小班见图2，缩小无人机以及人工举证调查范围，减轻工作量，提高工作效率。

1.2利用“互联网+”技术实现实地举证

调查举证方式由传统的自发性调查拍照，改为市级下发专门的调查软件，拍摄含举证五要素（坐标、方向、时间、设备号、人员）的加密举证包，在线上传至监测核查系统。市级将卫星影像提取的疑似疫情发生小班下发到各县（市、区）。外业调查人员利用手机、平板或者无人机进行拍照取证，根据疑似小班的地理位置，交通便利、外业人员易到达的区域，采取人工地面核查;外业人员不易到达且图斑细碎、分布零散的区域，采取无人机单片核查;聚集成片的疑似小班，采取无人机成片核查[4-5]。通过“互联网+举证”技术，将现场调查采集的树龄、死亡原因相关信息及图片资料上传至监测核查系统，实现枯死松树的身份证化管理[6]

1.3枯死松树人工智能识别系统

此次应用于枯死松树识别提取的机器学习采用的是监督分类的方法。通过采集大量的枯死松树与健康松树样本对监督分类模型进行训练，让模型学习自动识别枯死松树的能力，最后，将训练好的监督分类模型用于批量识别多张影像中的枯死松树。对于无人机、手机或者平板等拍摄的影像，利用无人机POS数据、相机参数和DEM数据，能快速地将原始航片纠正到准确的空间位置，不损伤影像分辨率和纹理信息，再将多张影像导入训练好的监督分类模型中进行快速自动判读，获取枯死松树株数及位置信息，得到完整详细的感病松林小班分布图及枯死松树的矢量数据见图3。

襄阳市基于GNSS、卫星遥感、互联网+等技术，研发了“襄阳市松材线虫病疫情监测核查管理信息系统”（图4），该系统通过WEB端和移动端相结合的方式核查图斑信息，利用互联网WEB端分发核查疫情疑似小班任务，利用移动端APP进行外业实地举证，拍摄现场照片，填写实地信息。该系统收集了襄阳市卫星影像数据、林业小班数据、高分辨率无人机影像数据，采用自动提取辅助人工判读的方式对数据进行分析处理，获取枯死松树坐标定位、图片、视频等信息，形成了全市枯死松树分布一张图，管理者可以通过系统快速清晰地查看全市枯死松树的空间分布及发生程度。

2枯死松树天空地监测体系应用

枯死松树天空地一体化监测是一个系统工程，卫星遥感、无人机航测、人工地面调查等技术都有其适用范围和自身局限性[7]。卫星遥感技术覆盖面广、专业性强、时效性较差;无人机航测技术操作灵活，但是受地形影响较大;人工地面调查可以快速标记、取样、检测枯死松树死亡原因。因此天空地监测技术是相辅相成的，也必须要依靠市、县、乡三级协同助力，基于此，襄阳市制定了枯死松树天空地一体化监测市、县、乡联动工作机制（图5）。2020年以来，襄阳市先后3次运用枯死松树天空地一体化监测体系对全市21.33万hm2松林进行普查，相比传统的普查方式，普查速度大幅提高，普查结果更加全面准确，为开展精准治疫、疫木身份证管理、防治效果督查等提供了可靠数据，基本实现疫情监测智慧化、管理信息化。

3结语

目前，天空地监测体系在枯死松树监测中的应用还处于初级阶段，通过卫星遥感技术獲取数据具有瞬时性，卫星影像受天气影响较大，深秋季节其他变色木对解译也会带来干扰，因此遥感监测时间极其重要。南漳县、保康县、谷城县的林区具有高海拔、大高差、弱纹理、弱信号的特点，这给外业航飞举证以及内业影像解译带来了巨大挑战，后续工作中，对于高海拔、大高差区域，为提高外业核查效率，将适当降低影像分辨率而采用多光谱相机进行拍摄。现阶段的图像判读，必须要在自动判读的基础上辅以人工判读，才能达到一定的准确率，提高人工智能识别准确率是当前需要解决的一个重点难题，因此，在今后的工作中，需要尽可能多的增加不同样本影像加以训练，如枯死杉木、红色阔叶树、不同发病期的松树等样本影像，以提高枯死松树人工智能识别的准确率。

参考文献

[1]李娟，姚翰文.我国松材线虫病疫区现状及管理对策[J].中国森林病虫.2019，38（3）：45-46.

[2]武红敢，王晗，常原飞，等.刍议枯死松树的天空地协同监测技术体系建设[J].中国森林病虫，2020，39（3）：35-39.

[3]吴琼.基于遥感影像的松材线虫病区域检测算法研究[D].合肥：安徽大学，2013.

[4]张红梅，陆亚刚.无人机遥感技术国内松材线虫病监测研究综述[J].华东森林经理，2017，31（3）：29-32.

[5]武红敢，王成波，常原飞.变色立木的无人机遥感监测技术[J].中国森林病虫，2019，38（4）：29-32.

[6]田新程.“互联网+林业”：传统林业进入“智能时代”[J].中国林业，2015（6）：6-13.

[7]邓世晴.星天地协同的松材线虫病疫区枯死松树监测方法研究[D].上海：华东理工大学，2019.

（责任编辑：郑京津）

作者简介：陈英（1988～），女，工程师，主要从事林业有害生物防治工作。

刘厚超为通讯作者。