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遏制松材线虫病---无人机航空多光谱遥感监测技术

2020-03-23 19:41 性质:转载 作者:长光禹辰 来源:长光禹辰
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1.行业背景松材线虫病是全球森林生态系统中最具毁灭性的病害之一,我国一级危害性林业有害生物,被称作松树的“癌症”。目前,该病害在我国18个省发生面积达974...

1.行业背景

松材线虫病是全球森林生态系统中最具毁灭性的病害之一,我国一级危害性林业有害生物,被称作松树的“癌症”。目前,该病害在我国18个省发生面积达974万亩,疫情发生区域已突破年均温10℃的理论生理环境,同时危害松树种类也在增加,直接威胁我国近9亿亩松林资源的安全

松材线虫病具有蔓延速度快、影响面积广、治理窗口期有限等特点,严重制约着松材线虫病害的快速治理,低成本、高精度、高效率的监管巡查方式是松林监管的迫切需求。

图1松材线虫病图例

2.行业现状

目前,松材线虫病精准监测主要有3种方法:

(1)人工踏查:由于受森林地势、地区影响,人工踏勘的强度大、效率低,而且在山区陡坡、林地茂密、人烟稀少等恶劣区域更难有效勘察。

(2)无人机可见光遥感监测:无人机可见光遥感监测虽可解决实地踏勘难、人员投入大的问题,但仅依靠人工目视判别松材线虫病疫木的方式仍无法根本解决高效自动识别的问题,而机器视觉识别方法需要高清影像的支持,很难兼顾大范围、高精度、高效率的应用需求。

(3)卫星遥感:卫星遥感突破了地理区域的限制,但是分辨率较低,单株小规模疫情不容易发现。

随着多光谱仪器小型化和应用算法的研究不断深入,无人机载多光谱遥感较好地解决了人工踏勘效率低、可见光影像精度低、卫星遥感分辨率低的缺点,是当前较为理想的中小面积松材线虫病监测手段。

3.技术原理

多光谱相机是一种可记录目标多波段光谱反射特性的光学相机,可在可见光的基础上向紫外光和红外光两个方向扩展,可以接收同一目标在不同窄光谱带上所反射的信息,即得到多幅不同光谱带的照片。

与常规可见光全色/彩色遥感原理不相同,多光谱相机不仅可以获得目标的强度和几何信息,还可获取地物目标丰富的光谱信息,是遥感科学领域新兴的应用模式,丰富了遥感应用场景。

图2 多光谱相机的典型波段设置

随着无人机技术的发展和光谱仪器的小型化、低成本化,无人机载多光谱遥感同时具有光谱遥感信息丰富的优势和无人机作业高效率的特点,能够实现低成本、高分辨率、高频动态监测,借助特定的光谱反演算法可实现松树枯死、松针变色等异常情况的大面积、高精度调查,近年来逐渐成为松材线虫病害遥感监测的重要方法之一,也拓宽了无人机的应用方向,推进了遥感应用多元化、市场化。

图3 航空、航天影像比对示例

4.技术方案

本领域研究旨在基于无人机搭载多光谱传感器获取多光谱数据,综合遥感、GIS技术混合建模的方法,实现自动化提取松材线虫病疫木,技术流程如图4所示。

图4 基于无人机载多光谱遥感的松材线虫病疫木监测技术流程

本次实验以青岛市崂山区某地为研究对象,开展该项技术的实际应用与精度验证工作,无人机采用大疆M210四旋翼无人机,搭载长光禹辰的MS600 Pro多光谱相机和大疆的X5S可见光相机,如图5所示。

图5 硬件系统照片(M210+MS600 Pro+X5S)

内业使用长光禹辰自主研发的Yusense Map软件(也可以用Pix4D)对航空多光谱数据进行配准、拼接、辐射校正等数据预处理后,得到航空多光谱DOM及DSM。

基于常见松林的光谱曲线,分别选用450nm、555nm、660nm、720nm、840nm波段,根据作业区域主要树种不同,波段会有所调整。遥感建模原理是,松树因感染松材线虫病程度不同,光谱曲线存在相应的差异,将差异空间结合形态学算法,构建松材线虫病疫木遥感模型,并基于拼接生成的多通道光谱数据进行光谱特征提取并建立遥感提取模型。

图6 松林(以黑松为主)在感染松材线虫病

前后的光谱曲线

图6包括松树(以黑松为主)染病前后四个阶段的光谱曲线,分别为:

(1)健康——冠层未出现变色,表征仍为绿色;

(2)染病初期——部分树冠出现染病表征,表征为黄色或红褐色;

(3)全部染病——整株树冠出现染病表征,表征为红褐色;

(4)枯死——已染病3年及其以上,表征为偏灰色。

图7 RGB影像和指数图例

在光谱识别结果的基础上,进行GIS数据建模,建模原理主要是根据地形、位置信息、空间信息等差异,充分结合林木立地信息分权赋值,减少病疫木误提。

图8 基于多光谱的病疫木识别结果

将松材线虫识别结果导入林业小班中进行10%随机抽样实地核查,与当地森防站踏勘人员核查记录表的结果对比分析,综合提取精度可达90%,平均位置偏移误差不超过5米。引起误差偏移的原因可能有二:

(1)仅使用GPS定位信息成图,GPS模块系统误差导致偏移度较大;

(2)实地高差最高达80m,航高仅为最大高差的1/3,拼接过程中出现部分扭曲、错位等现象,尤以海拔高的山坡形变明显,进而导致成图出现偏移。

图9 病疫木提取结果野外验证

同时对于提取精度方面,因松材线虫病疫木表征为针叶红褐色且不脱针,据实地踏勘的巡林人员反映,提取错误的病树均出现针叶枯黄、掉落的现象,导致树木冠层表征与松材线虫病侵染后表征相似,从而出现误提。

图10 松材线虫病害(左)与常规病害(右)实地照片

5.数据成果

遥感应用相关产出成果需满足国家相关标准,本次工程应用对标低空摄影测量技术规范,航空多光谱遥感松材线虫病疫木巡检主要成果包括:

(1)飞行记录表——用于航空摄影测量任务中飞行平台状态,为评估安全性、任务质量起到保障作用。

(2)航空多光谱遥感影像的反射率拼接结果——航测任务数据主体,存储多波段反射率信息,拼接结果以GeoTIFF形式提供,包含像元级地理信息;

(3)病疫木提取专题地图——标注病疫木位置的遥感专题图,包括空间统计信息;

(4)疑似病疫木、典型病疫木的矢量文件——包含坐标信息、地理属性信息、形状信息的矢量数据,可为实地巡查人员提供位置标注;

(5)疑似病疫木、典型病疫木的坐标记录表——病疫木点位经纬度数据集,用于实地验证。

6.应用小结

目前,对于松材线虫病还没有可根治的方法,因此只能早发现、早砍伐、早处理,一种可以兼顾高效巡查与自动化精准识别的病疫木巡查方式越来越成为森林保护相关部门亟待探究的方法。无人机载多光谱遥感技术充分结合光谱遥感信息丰富的特点和无人机巡查便捷的优势,在米级分辨率的前提下综合精度可达90%,能够满足松树枯死、松针变色等异常情况的大面积、高精度调查,大大减少人力踏勘带来的经济成本和时间成本,且大幅度降低因处理不及时导致的疫病传播。

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