无人机监测林业有害生物初探

第４５卷　第４期２０１６年８月湖北林业科技Ｈｕｂｅｉ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．４５，Ｎｏ．４Ａｕｇ．，２０１６＊收稿日期：２０１６－０５－２３作者简介：吕晓君（１９７８～），男，高级工程师，主要从事森林病虫害防治管理和研究工作。

无人机监测林业有害生物初探＊吕晓君（１）　王　君（１）　喻卫国（１）　曾　博（１）　冯春莲（１）　姚　清（２）　华　祥（３）（１．湖北省森林病虫害防治检疫总站　武汉　４３００７９；２．宜都市野生动植物保护站　宜都　４４３３００；３．神农架林区林业有害生物防治检疫站　神农架　４４２４００）摘　要：　为提高林业有害生物监测工作效率，提升监测工作的科技含量，特引进无人机进行监测试点。

通过无人机对病虫害危害的松林进行低空航拍，然后将航片结合ＰＯＳ数据信息，制作出４　３００　ｈｍ２的数字正射影像图（ＤＯＭ）。

随后利用松树受害后树冠颜色改变的特征，对ＤＯＭ进行目视解译，再对目标虫害导致的变色枯死木进行定位标注，统计出作业区域内变色树木数量。

关键词：　无人机监测；林业有害生物；神农架；宜都中图分类号：Ｓ７６３．４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－３０２０（２０１６）０４－００３０－０４Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｆｏｒｅｓｔ　Ｐｅｓｔｓ　ａｎｄ　Ｄｉｓｅａｓｅｓ　ｂｙ　Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ａｅｒｉａｌ　ＶｅｈｉｃｌｅＬｖ　Ｘｉａｏｊｕｎ（１）　Ｗａｎｇ　Ｊｕｎ（１）　Ｙｕ　Ｗｅｉｇｕｏ（１）　Ｚｅｎｇ　Ｂｏ（１）　Ｆｅｎｇ　Ｃｈｕｎｌｉａｎ（１）　Ｙａｏ　Ｑｉｎｇ（２）　Ｈｕａ　Ｘｉａｎｇ（３）（１．Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｓｔ　Ｐｅｓｔｓ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｑｕａｒａｎｔｉｎｅ　ｉｎ　Ｈｕｂｅｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｗｕｈａｎ　４３００７９；２．Ｙｉｄｕ　Ｃｉｔｙ　Ｗｉｌｄ　ａｎｉｍａｌ　ａｎｄ　Ｐｌａｎｔ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ｙｉｄｕ　４４３３００；３．Ｓｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｓｔ　Ｐｅｓｔｓ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｑｕａｒａｎｔｉｎｅ　ｏｆ　Ｓｈｅｎｎｏｎｇｊｉａ　Ｆｏｒｅｓｔ　Ａｒｅａ　Ｓｈｅｎｎｏｎｇｊｉａ　４４２４００）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｆｏｒｅｓｔ　ｐｅｓｔｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｅａｓｅｓ　ｍｏｎｉｔｏｒ，ｗｅ　ｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｕｎｍａｎｎｅｄ　ａｅｒｉａｌ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｐｉｌｏｔ　ｍｏｎｉｔｏｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，Ｄｉｇｉｔａｌ　ｏｒｔｈｏｐｈｏｔｏ　ｍａｐ　ｗｅｒｅ　ｍａｄｅ　ｏｆ　ｌｏｗ　ａｌｔｉｔｕｄｅａｅｒｉａｌ　ｐｈｏｔｏｓ　ｏｆ　ｐｉｎｅ　ｔｒｅｅｓ　ｅｎｄａｎｇｅｒｅｄ　ｂｙ　ｐｅｓｔｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｅａｓｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ｗｅｒｅ　ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｅｄ　ｂｙ　ｕｎｍａｎｎｅｄ　ａｅｒｉａｌ　ｖｅｈｉｃｌｅ，ａｎｄＰＯＳ　ｄａｔａ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ　ＤＯＭ　ｗｅｒｅ　ｖｉｓｕａｌｌｙ　ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｐｉｎｅ　ｌｅａｖｅｓ　ｃｏｌｏｒ　ｃｈａｎｇｅ　ａｆ－ｔｅｒ　ｄａｍａｇｅ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｅｓｔｓ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｅ　ｐｉｎｅｓ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｌｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｌｏｃａｔｅｄ　ａｎｄ　ｍａｒｋｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｌｏｒｓｔｒｅｅｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｕｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ａｒｅａ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｕｎｍａｎｎｅｄ　ａｅｒｉａｌ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｍｏｎｉｔｏｒ；ｆｏｒｅｓｔ　ｐｅｓｔｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｅａｓｅｓ；Ｓｈｅｎｏｎｇｊｉａ；Ｙｉｄｕ 林业有害生物监测工作通常依靠固定监测点、临时踏查等方式的地面调查采集基础数据，但是由于林地面积大、山区地形复杂，仅靠人工采集数据，工作量大，效率低，林业有害生物监测的覆盖面、准确性等都面临很大挑战。

特别是山高坡陡的地区，人力难以到达，存在监测盲区。

近年来，无人机航空遥感技术、地理信息技术、智能化的外业调查及数据处理技术等发展迅速［１－３］，已经在气象观测、民政救灾、国土测绘、电力石油巡线等领域获得广泛应用，同时在森林防火［４－６］、林业资源调查［７－８］、农业病虫害监测［９－１１］也有部分应用，且已经显示出先进性、高效性。

但将其用于林业有害生物的监测，尚处于起步阶段，广东、广西、天津、浙江、河南、山东等省份有专家学者对其进行相关研究报道［１２－１４］。

通过把无人机航空遥感的精度高、实时性强、起降安全方便，和外业调查信息化及数据处理设备规范性强的优点结合起来，进行林业有害生物的监测管理工作，能够更高效、全面地掌握林业有害生物发生情况，还可以对枯死树进行精准定位。

本文通过无人机检对湖北省神农架林区小蠹虫危害华山松和宜都市松材线虫危害马尾松进行遥感监测，并将监测结果进行第４期吕晓君，等：无人机监测林业有害生物初探总结报道，为湖北省林业有害生物监测工作提供技术支撑和经验借鉴。

１　作业地点及对象作业地点选在神农架和宜都市。

神农架选取小蠹虫危害的松林，宜都市选取松材线虫病危害的松林。

本次作业，由于神农架区域地形和气候条件恶劣，航拍共实施了４个架次，其中２０１５年７月３１日的飞行为有效架次；宜都区域的地形和气候条件相对较好，于２０１５年１１月３日执行１个架次飞行作业。

具体作业区域如下。

（１）神农架区域：东经１１０°１８′１９″、北纬３１°３８′５１″；东经１１０°２０′１３″，北纬３１°３８′５１″、东经１１０°２０′１３″、北纬３１°２９′３８″；东经１１０°１８′１９″、北纬３１°２９′３８″四点内的区域。

（２）宜都区域：东经１１１°２８′４８″、北纬３０°１４′５８″；东经１１１°３３′３１″、北纬３０°１４′５９″；东经１１１°３３′３０″、北纬３０°１２′５０″；东经１１１°２８′４７″、北纬３０°１２′５０″四点内的区域。

２　设备及参数ＩＲＳＡ－ＩＩ型无人机（青山绿水通用航空有限公司提供。

主要参数为：巡航速度１００ｋｍ／ｈ、最大载荷４ｋｇ、最大航程１８０ｋｍ、最大飞行速度９０ｋｍ／ｈ、最大航时２ｈ、控制半径３０～５０ｋｍ、飞行高度海拔４　５００ｍ）。

３　技术流程３．１　前期准备航线规划（一般要求航向重叠度达到７０％、旁向重叠度达到３５％以上）；申请空域，由于航测区域可能覆盖民航航线，飞行前按照国家空域管理的相关规定，向相关军区和民航空管处进行申请和报备；获取控制资料信息、林相图等。

３．２　数字影像获取天气晴朗、光照充足、大气能见度好、风力小于４级（起飞后可抗６级风）的条件下，无人机可以起飞。

在相对高度５００～１　５００ｍ的高度可获取测区高分辨率（地面分辨率优于０．２ｍ）的航拍图片。

３．３　变色、枯死林木信息提取把航拍获得的图片、相机参数、航迹信息、无人机姿态信息等交付遥感数据处理人员，结合ＰＯＳ数据信息，利用空中三角测量技术制作１∶２　０００分幅的数字正射影像图（ＤＯＭ）。

然后对ＤＯＭ进行目视解译，发现变色树木后，快捷的定位变色、枯死树木的位置，形成矢量数据文件。

然后进行人工精细判图，对目标虫害导致的变色枯死木进行标注，并对其位置坐标进行了准确定位。

４　作业成果４．１　神农架神农架的飞行作业信息见表１。

按照测绘技术要求对航片进行拼接和匀光匀色等处理，并对本项目的坐标系统进行了转换。

常规航测产品是经过投影的直角坐标系统，根据本项目后期应用需求，对数字正射影像转换成ＷＧＳ－８４坐标系统下的大地坐标，形成约２　５００ｈｍ２的数字正射影像图（ＤＯＭ）。

表１　飞行作业信息表项　目参数（指标、性能、型号）神农架宜都市航飞日期２０１５－０７－３１１０：００～１４：００２０１５－１１－０３１０：００～１４：００相机Ｓｏｎｙｎｅｘ７Ｓｏｎｙｎｅｘ７鉴定日期２０１５－０７－２０　２０１５－１０－１１天气晴朗晴朗航高（真高）９００ｍ１　０００ｍ平均分辨率优于２０ｃｍ优于２０ｃｍ航片数量１　３４０张５５６张航向重叠度≥８０％≥８０％旁向重叠度≥４０％≥４０％曝光点数量１　３４０个５５６个起降是否正常是是４．２　宜都市宜都市的飞行作业信息见表１。

按照测绘的技术要求对航片进行拼接和匀光匀色等处理。

由于宜都作业当天空中雾气较大，为了提高图像拼接效果，技术人员对原始图像还进行了除雾处理。

图像拼接完成并加载地理信息后，同样也进行了坐标系统转换。

最终形成了基于ＷＧＳ－８４大地坐标的数字正射影像图（ＤＯＭ），面积约为２　１００ｈｍ２。

５　图像判读使用数据库管理ＡｒｃＧＩＳ软件、无人机航测数据处理软件ＭＡＰ－ＡＴ和遥感图像分类ＥＲＤＡＳ软件等，对图像进行处理：①数据整理。

下载并检查图像和数据，对不符合后期内业要求的图像，进行１３湖　北　林　业　科　技第４５卷补充飞行；将单幅遥感图像与姿态数据、曝光点坐标、时间这三项数据对应起来，制成数表备用；②影像几何校正。

进行ＧＰＳ辅助空中三角测量，进而可利用无控制点或少控制点技术，对特征区域很少的林区进行较高精度的几何校正。

③影像镶嵌与裁剪。

运用遥感软件中的图像拼接功能，将影像拼接成一幅图像，便于进行后续的裁剪等处理；图像裁剪主要运用图像掩膜技术与被裁剪图像做交集运算，计算所得图像就是图像裁剪结果。

④图像增强。

采用一系列措施改善图像的视觉效果，提高图像的清晰度、对比度，突出所需的信息，选择突出便于人或计算机分析某些感兴趣的信息，抑制无用信息，以提高图像的使用价值。

其方法包括：对比度增强、空间滤波、色彩转换等。

⑤专题信息提取。

在数字正射影像图上，通过人工目视解译获取变色和枯死树木分布的矢量信息［１５－１６］。

５．１　神农架华山松受小蠹虫危害的影响主要表现为以下几种特征：受害半年以内：枝梢被害率达２０％以上，呈黄色或黄褐色，呈不规则形状，多以单株分布；受害１ａ以上：全部失叶、枯立木，呈灰白色或褐白色，树冠成菊花状，多以单株分布，部分呈片状分布。

本次判图即针对以上两种情形，对枯死木进行标注定位。

选择１∶６００的视觉比例尺进行疑似华山松小蠹虫致病枯死变色树的人工判读与标示。

判图后共标注出疑似枯死１ａ以上变色树１４　０００余处（红色），标注出疑似枯死半年以内枯死树１　１００余处（黄色），并制作出位置坐标信息统计表（数据量庞大，不详细列出）。