基于无人机航拍图的松材线虫病发生初期扩展趋势监测

高亿波，毛亦杨，曾庆圣，冯慧芳，周世均，王新荣，孙 思

（1.广东省森林资源保育中心,广东广州510173；2.华南农业大学植物保护学院，广东广州510642；3.华南农业大学林学与风景园林学院，广东广州510642）

由于无人机的快速普及，目前应用无人机开展我国最严重的林业有害生物——松材线虫病的调查研究工作已有大量报道[1]。无人机航拍图的优势是分辨率极高，因此研究对象的尺度可以达到单株松树。当前的报道主要集中在无人机航拍图上单株枯死松树的识别，其中研究的热点是机器学习的应用[2-10]。

参考我国成功控制新冠肺炎的工作，识别枯死松树相当于检测步骤；下一步的工作是流行病学调查，对于松材线虫病而言则是枯死松树林间分布规律和扩展情况的研究。嵇保中等[11]早在2000年就开展了以单株松树为尺度的松材线虫病枯死松树空间分布型的研究，研究结果表明病死木在马尾松林内的分布为聚集分布，研究中枯死木位置的数据来源于地面调查。陆雪雷[12]开展了以无人机航拍图上标记出的枯死松树为基础的松材线虫病死树分布规律研究，结果表明在不同方位、坡向、坡位和海拔等立地因子条件下，枯死松树的分布均有一定倾向性。此类研究均为某一时间点的静态研究，且研究对象均为已经大量发生枯死松树的林地。

本研究尝试针对松材线虫病发生初期的林地开展定期航拍监测，以航拍图为数据源进行枯死松树扩展的动态研究，以期初步探索松材线虫病在发生初期的流行病学规律。

1 试验方法

1.1 试验地及基本信息

确定试验地处于松材线虫病发生初期的方法是，先从已经发现的枯死松树取样，带回实验室检测[13]，确定枯死松树确由松材线虫病引起后，再用无人机航拍观察枯死松树的周围没有其它枯死松树发生。使用以上方法在广东省某县的两个不同镇各选择了一块试验地。其中试验地1 的枯死松树位于一片湿地松纯林中(图1)，周边没有发现其它枯死松树。因此以该片湿地松纯林为中心向周围扩展，同时尽量沿山脉走向，以包括尽量多的林地，作为试验地1。试验地2 的枯死松树为马尾松，位于一片针阔混交林中（图2）。由于该区域左边（西方向）属于另一个县，同时考虑尽量沿山脉走向，因此将航拍重心放在枯死松树发生点右上方（东北方向）的区域。

图1 试验地1 初始发生枯死松树的地块

图2 试验地2 初始发生枯死松树的地块

2 块试验地相距约10 km，面积均为400～433 hm2。试验地中的主要地类包括山林、村落、田地和池塘。主要树种包括马尾松、湿地松、桉树、多种阔叶树及果树，竹林。其中松树既有与其他林种混交的情况，也有数十亩至数百亩不等的小面积纯林（图3 和图7）。

1.2 仪器与软件

无人机：Mavic 2 Pro，深圳大疆创新科技有限公司

软件：Pix4Dmapper 4.4，Pix4d SA 公司；ArcGIS Pro 2.6，Esri 信息技术有限公司

1.3 试验步骤

根据广东省的松材线虫病发生情况，一般从当年11月气温降低开始，新发生松树变色的现象基本停止。因此从2020年11月开始，每月中下旬对试验地进行航拍，直至2021年10月，共拍摄12 次。

每次拍摄完成后，将原始影像导入Pix4dmapper 软件进行拼接，生成正射影像图(DOM)，再将正射影像图导入ArcGIS Pro 进行观察和分析。

2 结果与分析

2.1 试验地1

每次拍摄的原始图片为171～175 张，拼接以后的正射影像图分辨率为11.0～11.3 cm/pix，其中2021年2月正射影像图如图3。

图3 2021年2月试验地1 的正射影像图

逐月观察发现，从2020年11月至2021年10月，特别是2021年5月至10月这段枯死松树高发季节，除初始发现的枯死松树外，没有发现新的枯死松树。

但从航拍图上发现了两个与疫木清理除害相关的事件。一是从2021年7月开始，图3 红框内的枯死松树，连同周边的无症状松树开始被清理，一直到2021年9月基本清理完毕，如图4。二是2021年6月发现图3 右上方有一块林地也开始被清理。回溯此时间点以前各月拍摄的航拍图发现，这一地块在2020年也已发生枯死松树（图5）。但由于在由原始图像生成正射影像图的过程中，一般会导致图像边缘模糊，所以初次判读航拍图时未能发现此地块的枯死松树。到9月该地块已基本清理完毕，如图6。

图4 图3 红框内的松树被清理（左：清理前；右：清理后）

图5 试验地1 初始发生枯死松树的地块

图6 图3 黄框内的松树被清理（左：清理前；右：清理后）

因此，总体来看，在试验期的1年内，试验地1 实际没有发生松材线虫病向四周扩展的现象。

2.2 试验地2

每次拍摄的原始图片为163～168 张，拼接以后的正射影像图分辨率为11.2～11.8 cm/pix，其中2021年2月正射影像图如图7。

图7 2021年2月试验地2 的正射影像图

逐月观察发现，从2021年6月开始，试验地2 开始出现当年发病的松树，6-10月枯死松树株数分别为3，8，12，9，21 株，分布示意图如图8。红框为初始发生枯死松树的林地位置，红色圆点为2021年枯死松树发生位置。

根据森林病理学的理论，如果以图8 红框位置为发病中心，应该是离发病中心近的枯死松树先出现，离发病中心远的枯死松树后出现；并且离发病中心近的枯死松树密度大，即枯死松树在发病中心附近有聚集趋势，离发病中心远的枯死松树密度小。

从图8 直观观察，6月出现的枯死松树分布在发病中心的远端，相反7月出现的枯死松树分布在发病中心的近端。利用ArcGIS Pro 中的“平均最近邻空间统计”工具分析枯死松树每个月的分布规律，结果为z 值分别为36.316098，0.233603，1.307446，0.948715，1.829769，代表离散分布，随机分布，随机分布，随机分布，离散分布。其中9月和10月的报告如图9。以上结果表明枯死松树的分布并没有出现由发病中心向四周扩散的趋势，而是在整个调查区域均匀地增加。

图8 试验地2 从2021年6 至10月枯死松树分布示意图

图9 9月（左）和10月（右）枯死松树点“平均最近邻空间统计”工具分析报告

3 结论与讨论

3.1 试验地点1

学习过植物病理学实验的研究人员都十分熟悉实验中的一个基础步骤——接种，但常常会遇到“病害在自然条件下严重发生，在实验条件下接种却屡遭失败”这一情况。本研究中实验地1 上发生的情况与此类似，本质上也属于“接种实验失败”。但具体情况又有较大不同。实验室内的接种实验失败的原因可进行探讨，如环境条件，特别是温度和湿度的控制；无伤接种与有伤接种的区别；使用接种体的数量等等。但本实验属于完全的自然接种，所以很难从控制实验条件的角度进行改进，而只能从实验地点选择的角度进行考虑。

试验开始前设定的试验地条件为：（1）松树比重大于80%；（2）面积大于200 hm2；（3）处于发病初期，这一条的判断标准是枯死松树处于同一个小区域内。事实上找不到同时符合这几个条件的林地。同时，考虑到松材线虫病由人类活动传播的重要特性，普通村落周围本就属于病害的高发地，因此最终就选择了常见的村落与林地混杂的地块作为试验地。同时将试验地面积扩大至不低于400 hm2，以保证其中含有一定数量的松树。

对于最初发现枯死松树的林地在6月开始被清理这一事件，由于携带松材线虫的松褐天牛在3—4月就开始羽化[14]，因此6月清理枯死树，且清理过程持续了几个月，无法阻断病害的传播。目前尚无法判断试验地1 在2021年没有出现新发生枯死松树的原因。但试验过程中感到试验期限可能偏短，可再延长试验期进一步观察。

3.2 试验地点2

从航拍图上直观观察和GIS 空间分析结果均表明，枯死松树在整个航拍区域内均匀分布，没有出现依据病理学理论应该出现的病害从发病中心向四周扩散的现象。

根据试验情况和平时调查经验综合推测，出现这种情况可能有以下原因：（1）试验地面积过小。虽然每一块试验地面积都超过400 hm2，但其中松树覆盖面积均不超过50%，纯松林面积则更小。且本试验研究目标为松林发生松材线虫病初期的扩散情况。此时病原基数小，不容易凸显理想的扩散趋势。因此即使再增加几千亩可能仍然达不到理想的效果，实际需要的试验地面积应该达到1333 hm2以上。（2）试验地形状。本试验的两块试验地均为长条形，主要是考虑沿山脉走向，相同面积可以容纳更多的林地。但这样设置不排除在这一方向上，枯死松树的分布与其它方向的区域不同的可能性。因此试验地应该设置为以病害初始发生地为中心的近圆形或多边形。当初没有这样设置，主要是考虑这种设置的试验地中，可能会出现林地比重小，其它地类多的情况。但在结合第2 点将试验地面积大大增加以后，就可容纳足够多的林地。（3）湿地松和马尾松的感病性差异。目前在多地都已经发现湿地松感染松材线虫病的情况，因此湿地松的感病性毋庸置疑。但一般认为湿地松的感病性小于马尾松。在试验地2 中，湿地松比例大于马尾松。这一点可能起到阻碍松材线虫病有效传播的作用。但湿地松的感病性小于马尾松的观点并没有严谨的试验证据，所以这一点尚需要继续研究讨论。

3.3 试验设置重复的问题

试验地点1 和试验地点2 互为重复。我们通常都要求重复的试验条件要一致，但仅从表观上看，都可发现两个试验地点的差异较大，能够保证基本一致的只有总面积和松树的比例，这就对设置重复的作用产生了影响。根据现场调查，要同时满足坡位，坡向，坡度，林种，数量，面积等核心要素基本一致，且要处于松材线虫病发生的初期，满足这样条件的林地实际无法超过13.3 hm2。若再增大面积，重复内部的差异会大大增加。但13.3 hm2又远远不能满足流行病学调查的要求。因此综合考虑，只能放弃重复试验地内部条件基本一致的要求，这是这类试验的特殊之处。