无人机在松材线性虫病监测上的应用研究

黄建辉，黄云鹏，范繁荣，曾传宾，纪成据

(福建三明林业学校，福建 三明 365001)

1 引言

松材线虫病，是由松材线虫寄生在松树体内所引起的一种毁灭性病害。松树受松材线虫病侵染后，树脂分泌减少，针叶红褐色萎蔫，最后整株枯死，松树一旦感病最快40多天即可枯死。在我国该病主要由松墨天牛传播扩散，致病力强，寄主死亡速度快；传播快，且常常猝不及防；一旦发生，治理难度大，被国家列为重点检疫对象。据不完全统计，自1982年以来，30多年已累计枯死松树超过5000万株，因治理皆伐和择伐的松树面积已达40万亩，导致的直接经济损失超过120亿元，间接经济损失超过360亿元。它不仅给国民经济造成巨大损失，也破坏了自然景观及生态环境，对中国丰富的松林资源构成严重威胁，而且限制了我国相关产品出口，影响我国产品出口竞争力，有效阻止松材线虫病的发生、蔓延意义重大。

福建省是全国南方重点集体林区，也是我国南方地区重要的生态屏障，山多林多是福建的一大特色和优势。全省林地面积1.39亿亩、占土地总面积76.28%，素有“八山一水一分田”之称。省内松材线虫病危害甚重如果不采取果断措施加以遏制，全省占现有林面积42%的松林将遭到毁灭性破坏。

小型固定翼无人机具有机动灵活、使用成本低、续航能力强的特点，适用于福建山区对松材线性虫病的灾情监测、防治效果评估。无人机按照设定的飞行航线飞行，通过机载高分辨率相机或多光谱相机采集影像数据，再经过后期数据建模，可精确发现并定位松材线虫病发病松树，为进一步治理病害、防止病害范围扩大，降低损失，改善生态环境，促进林业可持续发展提供有效方法。该项技术经过前期的研发积累、试验区的测试，经进一步完善后可推广应用，能有效解决林业生态保护中的痛点问题。本文以福建省三明市格氏栲自然保护区实验数据为例，阐述本文提出的监测方法[1～3]。

2 监测方法总体方案设计

无人机的松材线性虫病监测方法，总体上首先利用无人机在林区规划出飞行航线，无人机携带高分辨率相机进行航测，采集高分辨率数据，而后将高分辨率的原始图像和无人机的飞行状态数据叠加，导入到数据处理软件生产正摄影像图；在生成的正摄影像图的基础上，利用RGB色域分割图像算法实现病树的自动识别；最后，将识别的数据经人工验证后，导入数据库，在数据库基础上叠加林班图输出统计报告。开发对应的智能终端APP,护林员可依据APP定位、导航到病树位置。该方法在福建省三明市格氏栲自然保护区实施并验证[4]。

3 监测方法具体实现

3.1 无人机航测

本文采用固定翼无人机，无人机采用飞控SG-100系统，搭载高分辨率相机和多种传感器，结合地面站控制功能，利用北斗、GPS等技术实现自动飞行、数据采集。

SG-100采用基于ARM Cortex-M4内核的32位高性能MCU，附带浮点运算单元FPU，主频达168MHz，片上搭载2MB Flash、256KB RAM，板上另载有一个32位IO数据协处理器。AHRS传感器采用应美盛MPU9250九轴传感器，MS5611 MEAS气压计，L3GD20陀螺仪，LSM303D加速度计。所有引出端口均带有电气过载保护。

固定翼无人机的性能指标为：翼展2000 mm、机身长度1300 mm、机身高度400 mm、翼面积53.2 dm2，机身重量4 kg。具有以下特性：机舱空间大，专设伞仓，相机仓等设备搭载平台，飞行灵活稳定；飞机模块化设计，拆装体积小，质量轻，携带方便；EPO发泡材料、强度高，抗冲击。如图1所示。

图1 固定翼机身

为了实现山区无须人工采集控制点情况下提高成图精度，应用高精度定位导航模块，集成了通过电台链路通讯的实时RTK功能和记载记录的后处理PPK，双重保障数据采集后能够和真实坐标一一对应。高精度定位模块(RTK)，见图2。

图2 高精度定位模块(RTK)

3.2 数据建模

建模软件基于影像自动生成正射影像模型。本文采用的数据处理软件是中量智汇公司开发的PPSG软件，该软件无需复杂参数设置，软件内自动相机检校，可以对任意照片进行处理，无需添加控制点，实现无人值守、完全自动化模型重建。针对松材线性虫病树的颜色、光谱特性提升数据处理能力，可提高软件的适用性能。图3为此次测试的正摄影像图。

图3 正摄影像图

3.3 病树自动识别

受侵染松材针叶显红褐色，含水量降低，呈萎蔫状。在RGB色域下对图像进行检索，正射视图上检测出受侵染松材边缘范围，确定树木坐标。RGB色域的分界，见图4；受侵染松材边缘的确定，见图5。

图4 RGB色域分界算法

图5 受侵染松材边缘

3.4 监测GIS软件

监测GIS软件主要实现病树的标注、编辑、存储、统计。基于.NET Framework 4.6.2 框架与ArcGis Engine开发，加载无人机拍摄处理得到的正摄tif图像，加载林班图层，可新建图层进行病虫害树木在地图上标记、编辑、存储、统计，并发送到服务器供移动端APP使用。

软件主要包括：地图数据显示、病虫害数树木标记、数据统计存储与任务传输4个部分。 地图数据显示，主要加载tif栅格数据与shape文件显示林业区域地图、林班分布与标记的病虫害树木地点分布。病虫害树木的标记，根据tif图显示树木颜色差异，进行点添加标注，存为shape文件，再根据林班图层的多边形(林班)与标注点的空间包含关系，添加林班编号字段，其效果图见图6。根据需求将标注点存为excel表格或者存入数据库，更新到服务器。数据统计主要统计各林班的病虫害树木个数等信息。任务发送主要选择要处理的病虫害树木，发送其ID与经纬度到服务器，经由服务器发送数据到手机app端，给相关人员进行病害树木处理任务。

图6 叠加标记点及林班信息的数据

3.5 APP软件开发

移动端APP软件的主要功能是为了护林员在山中定位自身和病树的位置，实现导航功能，界面见图7[5]。

图7 APP开发成果

4 数据分析与验证

本文提出的方法在福建省三明市格氏栲自然保护区进行了验证，用该方法统计的数据见图8。

图8 各林班病树数据统计

经过现场验证，该方法的监测结果达到了100%的精度。

5 结语

应用无人机监测系统在林区开展松材线性虫病监测，提高了松材线性虫病的监测效率，在实验区开展松材线性虫病监测，进行松材线性虫病的树体单点定位、识别、标记及监测，为松材线性虫病的病树监测、防治提供技术依据，防止了松材线性虫病疫区范围扩大，降低了损失，促进了林业可持续发展。