湖北松材线虫病卫星遥感监管技术初探

戴 丽 周席华 罗治建 武红敢 陈 亮

(1. 湖北省林业有害生物防治检疫总站 武汉 430070；2.中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 100091； 3.国家林业和草原局林业遥感与信息技术实验室 北京 100091)

2021年全国松材线虫病疫情发生面积和病死树的数量自2013年以来首次实现“双下降”，全国松材线虫病疫情扩散速度减缓，防控成效初步显现。近年来高分辨率商业卫星的发展为松材线虫病的监测提供了新的数据保障，相对于传统观测方法，卫星遥感在森林病虫害调查方面有着诸多优点：获取信息快，更新周期短；受地面条件限制少，节约人工成本；探测范围大等[1]。此外，能够增强人们在宏观尺度获取动态、即时数据的能力，为松材线虫病监测提供了重要的数据支撑[2]。近十年，不少专家学者通过各种高分辨率的遥感卫星影像技术，获得了不少研究成果，Takenaka 等[3]利用带有红边波段的WorldView-2/3影像计算了18种植被指数，提取不同感病程度的疫木总体精度分别达到72%和98%。黄芳芳等[4]利用原始波段反射率和RVI、NDVI和DVI三种光谱指数对湖北省宜昌市松材线虫病发生情况进行监测，平均精度在76%以上。马云强等[5]利用融合后0.8 m的北京2号卫星影像计算RGI指数提取了马尾松林地中的松材线虫病疫木区域，总体精度达到90.65%。Huang 等[6]基于高分影像构建松材线虫病样本数据集，利用松材线虫病发病区深度学习技术，可以实现松材线虫病感病区域的准确识别。Zhang等[7]利用基于双时相变化检测对影像进行了时空特征增强，排除了区域内变色落叶树的干扰，对比单时相机器学习分类方法显著降低了疫木的错检率。毛亦杨等[8]基于多季相BJ-2、GF-2等数据，较高精度地提取了新丰江水库周边山林的枯死松树，为边远山区的松材线虫病疫情宏观监测开展了有益探索。

为进一步强化湖北省松材线虫病疫情防控工作，构筑疫情防控的监测体系，可采用天空地协同监测和调查，运用卫星遥感大范围预警、无人机区域精准监测和地面人工核查(含取样、检测)等手段，极大提高疫情监测及普查的效率。推广从松树亚健康生长状态预警、疫情监测到疫木除治的信息化技术应用，打造以小班为单位的疫情精细化监管平台，及时准确掌握疫情发生底数和动态变化，打好疫情防控攻坚战，彻底遏制松材线虫病疫情严重发生和扩散蔓延的势头，是现阶段维护森林生态安全的主要举措。本研究简要概述了亚米级高分辨率卫星数据的应用现状及湖北省开展异常变色林木卫星遥感年度监测情况，提出了天空地一体化的松材线虫病协同监管技术，以期为省级林业森防部门开展松材线虫病监测提供技术支撑。

1 亚米级高空间分辨率卫星遥感技术及其应用

1.1 亚米级光学卫星数据发展概况

卫星遥感的优势在于大范围连续的空间覆盖能力，而松材线虫病疫木通常是离散分布，且监测尺度为单株(簇)，因此卫星影像的空间分辨率需要达到米级或亚米级。美国Space Imaging公司的IKONOS卫星是首颗星下点分辨率优于1 m的商业卫星，它于1999年9月24日成功发射，可采集1 m分辨率全色和4 m分辨率多光谱影像，即全色和多光谱数据可融合成1 m分辨率的彩色影像，开启了亚米级卫星遥感的新时代。中国于2014年8月19日在太原卫星发射中心用“长征四号乙”运载火箭发射GF-2卫星，成功入轨并稳定运行至今，标志着中国遥感卫星也进入亚米级“高空间分辨率时代”。自2014年民营资本进入国内商业航天领域以来，高景系列、北京系列、长光系列等数十颗0.5 m分辨率商业卫星不断发射，有效填补了国内空白。

1.2 单木尺度的卫星遥感技术应用现状

森林的最小个体是单木，单木监测在古树名木、城市绿化、松材线虫病等领域中具有重要意义。从遥感数据识别地物目标的能力来看，0.3～1.0 m的高空间分辨率卫星遥感数据宜识别2.0～7.0 m的“点状”地物。卫星遥感应用于单木尺度的监测局限于失叶、失水、失色、死亡、消失(砍伐)等整体外部形态的变化，无法满足枝条级局部变化的发现。因此，亚米级高空间分辨率遥感数据在单木尺度的森林资源精准监测中发挥着重要作用。

科研学者利用多种光学遥感数据，取得了较为实用的成果，乔睿等[9]采用World View-2多光谱数据,基于二次型分类器,实现了“红叶松树”的识别或提取。杨雪峰等[10]利用0.5 m的融合WorldView-2卫星遥感数据，提取了塔里木河下游胡杨林单木树冠、树高等信息，为实际生产提供了重要基础信息。郭昱杉等[11]基于QuickBird数据，采用标记分水岭分割算法较好地提取了不同郁闭地林分的树冠。沈利强等[12]综合面向对象方法和水文分析技术，提出了一种新的单株林木信息提取方法，并成功运用Pleiades卫星数据实现了单株木的识别，极大减小了工作量。董新宇[13]使用局部最大值法和标记控制分水岭分割算法，基于WorldView-3图像分别进行了单株油松林木的识别与树冠提取，均取得了很好的结果。邓世晴[14]基于RGNDI(红绿归一化植被指数)，利用GF-2和ZY-3国产数据，区分了福建晋江紫帽山松材线虫病疫情程度。徐培林等[15]综合应用GF-2、BJ-2和Geoeye-1数据，实现了四川省大面积染病木的识别和研判，科学有效地分析了各区县的感染情况，为后续的无人机精细化遥感监测和疫情详查提供了科学支撑与依据。这些研究充分表明亚米级高空间分辨率卫星遥感数据具备单木尺度的要素提取和变化信息的监测能力。

2 湖北异常变色(亚健康)林木的卫星遥感年度监测

2.1 卫星数据及其预处理

自2019年以来，湖北省利用GF-2、GF-7、北京二号、长光系列等国产高分辨率卫星数据，实施春秋两季(春季5～7月，秋季9～10月)松材线虫病疫情监测，以便快速掌握重点疫区、疫点乡镇异常变色林木分布及变化情况，为松材线虫病疫情的发现、疫木除治效果监管提供了数据支撑，可有效督促指导全省各地松材线虫病疫情防控工作。

影像处理方面采用并行化的卫星遥感处理软件，以每季满足时相要求的0.8 m分辨率卫星数据为数据源，使用湖北全省优于1 m的高精度卫星影像作为平面控制资料，对每季覆盖监测区的遥感影像进行正射校正、融合等预处理，加工形成空间定位精度小于10 m且色彩清晰的遥感影像成果。

2.2 异常变色林木提取结果及分析

采用人机交互结合方式提取异常变色林木，既能保证信息提取的质量，又能提高作业效率，减轻人工工作量。首先构建异常变色林木解译标志，根据解译标志及遥感影像建立信息提取知识库；其次在分析解译标志特征后，选择相应的算法对卫星遥感影像进行自动识别；接着内业人员根据经验和辅助资料等对自动提取的成果进行人工核查与编辑，以确保成果的准确性；最后再结合外业核查结果进行最终更正。

2.3 年度监测结果的应用

目前，湖北省共累计使用657景亚米级高分辨率卫星开展松材线虫病变色立木遥感监测，其结果多次为湖北省春季除治情况核实核查、秋季普查监测、日常灾情监测、指导核查问责等工作提供支撑服务，2019～2021年湖北省松材线虫病枯死树明显减少。

表1 2019～2021年卫星遥感监测结果汇总表

2.3.1 松林小班异常变色林木的监测

结合天、地不同监测方式的优势和特点，通过卫星遥感监测技术可及时发现异常变色或枯死林木(图1)，并下发卫星遥感监测异常点位至各市、县，有效指导了现有基层森防单位开展疫情地面核实和排查，及时发现并报告疫情，形成优势互补、全面准确的立体监测体系，实现疫情的早发现、早除治，有效控制疫情的传播蔓延。

图1 异常变色林木影像图

2.3.2 疫木除治清理工作的评估

疫木除治清理工作是减少松材线虫病传染源的重要基础。湖北省松材线虫病疫木除治清理工作任务繁重，为了有效督导各地开展疫木除治清理工作，通过上年度秋季和本年度春季的两期卫星监测结果的对比分析，可发现疫木除治清理工作的盲点和死角，对疫木除治清理工作实施科学评价(图2)。

图2 疫木除治效果影像图

3 湖北松材线虫病的省市县协同监管

3.1 夯实各级政府的管理职责

《森林法》《森林病虫害防治条例》《植物检疫条例》《湖北省林业有害生物防治条例》《党政领导干部生态环境损害责任追究办法(试行)》《松材线虫病生态灾害督办追责办法》等有关法律法规中明确指出松材线虫病疫情防控实行地方各级政府负责制，县级以上地方各级林业主管部门负责本行政区域松材线虫病的监测预警、检疫检验和防治督察以及相关技术服务、业务培训等。为此，湖北省各级林业主管部门都制定了切实可行的监测普查和取样、检测技术规程，现阶段异常变色林木监测是松材线虫病疫情普查的前奏，更是灾前预警的唯一“指征”。因此，加强省、市级林业主管部门的预警能力建设至关重要，要充分保障“全覆盖”、“准实时”、“高准确度”的红叶松树高效率识别，为疫情检测和精准防治提供科学支撑与时间保障，而高空间分辨率卫星遥感技术则是满足该需求的重要技术手段之一。

3.2 省、市级异常变色林木的遥感监测技术

根据近三年的卫星监测应用实践，采用国产分辨率优于1 m的GF-2和GF-7卫星数据开展松材线虫病异常变色林木的遥感监测，基本可以满足树冠直径5 m以上大树(或树丛)树冠失色(变红)的识别，但对于染病初、中期的局部症状(黄叶或橙叶)灵敏度有限。本研究总结归纳了服务于省市级松材线虫病预警服务的异常变色林木卫星遥感监测技术流程(图3)。卫星遥感具有覆盖大、周期性的特点，更适宜于省市级森防主管部门组织开展宏观监管与评估。虽然卫星遥感技术仍然面临难以全覆盖(云及阴影覆盖区无法监测)、数据时相难以保障(无有效监测数据)、监测精度有待提高(中幼龄林无法监测、干扰信息众多)等技术难题，但其客观、宏观、科学的技术优势毋庸置疑，将会是中国松材线虫病疫情预警的重要技术手段，是省市级森防机构实施监管和技术指导的重要保障之一。

图3 省、市级异常变色立木卫星遥感预警监测技术流程

3.3 区县级松材线虫病疫情防控技术

卫星遥感宏观预警监测是当下大范围发现疫情线索的最佳手段之一，其监测结果必须依靠基层(县级)森防单位利用无人机遥感或地面人工调查等技术手段把异常变色林木这种定性信息细化成疫木数量等定量信息，才能为松材线虫病防治提供科学保障。优于10 cm 的无人机遥感数据基本可以满足变色松树的识别，实现死树株数的初步统计。与地面核查相结合的无人机监测技术是区县级森防部门获取枯死松树位置、计算枯死树数量、掌握局地枯死树分布的有效手段，也是作为核定松树枯死木清除工程量、申报除治项目经费预算、检查枯死木清除任务完成情况的重要手段，以期实现疫情早发现、早报告、早除治，及时控制疫情的传播蔓延(图4)。

图4 区县级松材线虫病疫情防控技术流程

松材线虫病枯死松树的高效、及时和全覆盖监测是松材线虫病疫情防控的基础，只有将航天、航空和地面遥感技术与传统地面监测手段进行有机结合，扬长避短，形成天空地协同的立体监测技术手段，逐步建立起具有准确防治数据支持的监管技术体系，才能全面掌握松材线虫病发生现状及发展趋势，真正实现科学的综合防控，彻底扭转松材线虫病防治能力与生态文明建设不相适应的被动局面[16]。

4 结语

2019年以来，湖北省通过卫星遥感监测为松材线虫病疫情春季除治情况核实核查和秋季普查等工作提供了支撑服务，并逐步建立了一套以卫星遥感广域普查、无人机区域详查、人工地面核查3种方式结合互补的松材线虫病天空地立体监测监管模式。目前，卫星遥感监测已成为全省松材线虫病新疫情发现、疫情核查、应急监测、防治督导的重要手段之一，为人工地面调查的传统模式提供补充，成为获取疫情信息、开展督导监管的重要途径。

松材线虫病作为外来有害生物入侵中国已40年，给森林生态系统带来灾难性损失，快速动态精准监测和科学除治是遏制其扩散蔓延的重要保障。遥感、导航等空间信息技术是时空动态信息获取的重要手段，因此，在松材线虫病疫情综合治理过程中，需要充分挖掘和应用遥感技术，继续探索和完善高新技术应用并赋能省级预警和监管，全面服务于松材线虫病疫情防控。