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設(shè)備與工具1. 行業(yè)背景
松材線蟲病是全球森林生態(tài)系統(tǒng)中最具毀滅性的病害之一，我國(guó)一級(jí)危害性林業(yè)有害生物，被稱作松樹的“癌癥”。目前，該病害在我國(guó)18個(gè)省發(fā)生面積達(dá)974萬畝，疫情發(fā)生區(qū)域已突破年均溫10℃的理論生理環(huán)境，同時(shí)危害松樹種類也在增加，直接威脅我國(guó)近9億畝松林資源的安全。
松材線蟲病具有蔓延速度快、影響面積廣、治理窗口期有限等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約著松材線蟲病害的快速治理，低成本、高精度、高效率的監(jiān)管巡查方式是松林監(jiān)管的迫切需求。
圖1 松材線蟲病圖例
2. 行業(yè)現(xiàn)狀
目前，松材線蟲病精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)主要有3種方法：
（1）人工踏查：由于受森林地勢(shì)、地區(qū)影響，人工踏勘的強(qiáng)度大、效率低，而且在山區(qū)陡坡、林地茂密、人煙稀少等惡劣區(qū)域更難有效勘察。
（2）無人機(jī)可見光遙感監(jiān)測(cè)：無人機(jī)可見光遙感監(jiān)測(cè)雖可解決實(shí)地踏勘難、人員投入大的問題，但僅依靠人工目視判別松材線蟲病疫木的方式仍無法根本解決高效自動(dòng)識(shí)別的問題，而機(jī)器視覺識(shí)別方法需要高清影像的支持，很難兼顧大范圍、高精度、高效率的應(yīng)用需求。
（3）衛(wèi)星遙感：衛(wèi)星遙感突破了地理區(qū)域的限制，但是分辨率較低，單株小規(guī)模疫情不容易發(fā)現(xiàn)。
隨著多光譜儀器小型化和應(yīng)用算法的研究不斷深入，無人機(jī)載多光譜遙感較好地解決了人工踏勘效率低、可見光影像精度低、衛(wèi)星遙感分辨率低的缺點(diǎn)，是當(dāng)前較為理想的中小面積松材線蟲病監(jiān)測(cè)手段。
3. 技術(shù)原理
多光譜相機(jī)是一種可記錄目標(biāo)多波段光譜反射特性的光學(xué)相機(jī)，可在可見光的基礎(chǔ)上向紫外光和紅外光兩個(gè)方向擴(kuò)展，可以接收同一目標(biāo)在不同窄光譜帶上所反射的信息，即得到多幅不同光譜帶的照片。
與常規(guī)可見光全色/彩色遙感原理不相同，多光譜相機(jī)不僅可以獲得目標(biāo)的強(qiáng)度和幾何信息，還可獲取地物目標(biāo)豐富的光譜信息，是遙感科學(xué)領(lǐng)域新興的應(yīng)用模式，豐富了遙感應(yīng)用場(chǎng)景。
圖2 多光譜相機(jī)的典型波段設(shè)置
隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和光譜儀器的小型化、低成本化，無人機(jī)載多光譜遙感同時(shí)具有光譜遙感信息豐富的優(yōu)勢(shì)和無人機(jī)作業(yè)高效率的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高分辨率、高頻動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，借助特定的光譜反演算法可實(shí)現(xiàn)松樹枯死、松針變色等異常情況的大面積、高精度調(diào)查，近年來逐漸成為松材線蟲病害遙感監(jiān)測(cè)的重要方法之一，也拓寬了無人機(jī)的應(yīng)用方向，推進(jìn)了遙感應(yīng)用多元化、市場(chǎng)化。
圖3 航空、航天影像比對(duì)示例
4. 技術(shù)方案
本領(lǐng)域研究旨在基于無人機(jī)搭載多光譜傳感器獲取多光譜數(shù)據(jù)，綜合遙感、GIS技術(shù)混合建模的方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提取松材線蟲病疫木，技術(shù)流程如圖4所示。
圖4 基于無人機(jī)載多光譜遙感的松材線蟲病疫木監(jiān)測(cè)技術(shù)流程
本次實(shí)驗(yàn)以青島市嶗山區(qū)某地為研究對(duì)象，開展該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用與精度驗(yàn)證工作，無人機(jī)采用大疆M210四旋翼無人機(jī)，搭載長(zhǎng)光禹辰的MS600 Pro多光譜相機(jī)和大疆的X5S可見光相機(jī)，如圖5所示。
圖5 硬件系統(tǒng)照片(M210+MS600 Pro+X5S)
內(nèi)業(yè)使用長(zhǎng)光禹辰自主研發(fā)的Yusense Map軟件（也可以用Pix4D）對(duì)航空多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、拼接、輻射校正等數(shù)據(jù)預(yù)處理后，得到航空多光譜DOM及DSM。
基于常見松林的光譜曲線，分別選用450nm、555nm、660nm、720nm、840nm波段，根據(jù)作業(yè)區(qū)域主要樹種不同，波段會(huì)有所調(diào)整。遙感建模原理是，松樹因感染松材線蟲病程度不同，光譜曲線存在相應(yīng)的差異，將差異空間結(jié)合形態(tài)學(xué)算法，構(gòu)建松材線蟲病疫木遙感模型，并基于拼接生成的多通道光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜特征提取并建立遙感提取模型。
圖6 松林（以黑松為主）在感染松材線蟲病
前后的光譜曲線
圖6包括松樹（以黑松為主）染病前后四個(gè)階段的光譜曲線，分別為：
（1）健康——冠層未出現(xiàn)變色，表征仍為綠色；
（2）染病初期——部分樹冠出現(xiàn)染病表征，表征為黃色或紅褐色；
（3）全部染病——整株樹冠出現(xiàn)染病表征，表征為紅褐色；
（4）枯死——已染病3年及其以上，表征為偏灰色。
圖7 RGB影像和指數(shù)圖例
在光譜識(shí)別結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行GIS數(shù)據(jù)建模，建模原理主要是根據(jù)地形、位置信息、空間信息等差異，充分結(jié)合林木立地信息分權(quán)賦值，減少病疫木誤提。
圖8 基于多光譜的病疫木識(shí)別結(jié)果
將松材線蟲識(shí)別結(jié)果導(dǎo)入林業(yè)小班中進(jìn)行10%隨機(jī)抽樣實(shí)地核查，與當(dāng)?shù)厣勒咎た比藛T核查記錄表的結(jié)果對(duì)比分析，綜合提取精度可達(dá)90%，平均位置偏移誤差不超過5米。引起誤差偏移的原因可能有二：
（1）僅使用GPS定位信息成圖，GPS模塊系統(tǒng)誤差導(dǎo)致偏移度較大；
（2）實(shí)地高差最高達(dá)80m，航高僅為最大高差的1/3，拼接過程中出現(xiàn)部分扭曲、錯(cuò)位等現(xiàn)象，尤以海拔高的山坡形變明顯，進(jìn)而導(dǎo)致成圖出現(xiàn)偏移。
圖9 病疫木提取結(jié)果野外驗(yàn)證
同時(shí)對(duì)于提取精度方面，因松材線蟲病疫木表征為針葉紅褐色且不脫針，據(jù)實(shí)地踏勘的巡林人員反映，提取錯(cuò)誤的病樹均出現(xiàn)針葉枯黃、掉落的現(xiàn)象，導(dǎo)致樹木冠層表征與松材線蟲病侵染后表征相似，從而出現(xiàn)誤提。
圖10 松材線蟲病害（左）與常規(guī)病害（右）實(shí)地照片
5. 數(shù)據(jù)成果
遙感應(yīng)用相關(guān)產(chǎn)出成果需滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本次工程應(yīng)用對(duì)標(biāo)低空攝影測(cè)量技術(shù)規(guī)范，航空多光譜遙感松材線蟲病疫木巡檢主要成果包括：
（1）飛行記錄表——用于航空攝影測(cè)量任務(wù)中飛行平臺(tái)狀態(tài)，為評(píng)估安全性、任務(wù)質(zhì)量起到保障作用。
（2）航空多光譜遙感影像的反射率拼接結(jié)果——航測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)主體，存儲(chǔ)多波段反射率信息，拼接結(jié)果以GeoTIFF形式提供，包含像元級(jí)地理信息；
（3）病疫木提取專題地圖——標(biāo)注病疫木位置的遙感專題圖，包括空間統(tǒng)計(jì)信息；
（4）疑似病疫木、典型病疫木的矢量文件——包含坐標(biāo)信息、地理屬性信息、形狀信息的矢量數(shù)據(jù)，可為實(shí)地巡查人員提供位置標(biāo)注；
（5）疑似病疫木、典型病疫木的坐標(biāo)記錄表——病疫木點(diǎn)位經(jīng)緯度數(shù)據(jù)集，用于實(shí)地驗(yàn)證。
6. 應(yīng)用小結(jié)
目前，對(duì)于松材線蟲病還沒有可根治的方法，因此只能早發(fā)現(xiàn)、早砍伐、早處理，一種可以兼顧高效巡查與自動(dòng)化精準(zhǔn)識(shí)別的病疫木巡查方式越來越成為森林保護(hù)相關(guān)部門亟待探究的方法。無人機(jī)載多光譜遙感技術(shù)充分結(jié)合光譜遙感信息豐富的特點(diǎn)和無人機(jī)巡查便捷的優(yōu)勢(shì)，在米級(jí)分辨率的前提下綜合精度可達(dá)90%，能夠滿足松樹枯死、松針變色等異常情況的大面積、高精度調(diào)查，大大減少人力踏勘帶來的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本，且大幅度降低因處理不及時(shí)導(dǎo)致的疫病傳播。
長(zhǎng)光禹辰成立于2017年，是一家由中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所和青島高新區(qū)聯(lián)合成立的高新技術(shù)企業(yè)，公司核心團(tuán)隊(duì)來自長(zhǎng)春光機(jī)所空間光學(xué)部，在光譜遙感、光電探測(cè)領(lǐng)域具有深厚的理論基礎(chǔ)和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，掌握完整的光譜儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、先進(jìn)的嵌入式視覺開發(fā)、復(fù)雜場(chǎng)景定量遙感智能調(diào)光、高精度自動(dòng)輻射校正、光譜數(shù)據(jù)半定量反演及應(yīng)用等核心技術(shù)，形成了以MS200、MS400、MS600、AQ600等系列多光譜相機(jī)為代表的無人機(jī)載光譜遙感硬件產(chǎn)品線、以Yusense Map/Map Plus為依托的光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理及分析軟件和以Yusense Cloud為依托的端云一體化服務(wù)平臺(tái)，并在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生態(tài)、環(huán)保、警用等領(lǐng)域開展了深入的行業(yè)應(yīng)用。公司專注于無人機(jī)航空遙感與光電探測(cè)領(lǐng)域，持續(xù)推出革新的軟硬件產(chǎn)品，落地更豐富的行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，致力于用技術(shù)和產(chǎn)品推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步。
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