为什么要监测松材变色立木

2020年7月，国家林草局提出将在国家“十四五”期间开展松材线虫病防控五年攻坚行动，遏制松材线虫病快速蔓延势头，维护国家森林生态安全。

2022年1月，自然资源部联合国家林草局发布《关于共同做好森林、草原、湿地调查监测工作的意见》（自然资发〔2022〕5号），严格规定了林业普查的目标与要求，旨在实现松材变色立木数量逐年下降的总体目标。

松材线虫病作为毁灭性的森林病害，及时发现、及时处置、及时评估，刻不容缓。

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什么是光谱遥感技术

自然界中的光都是由不同波长的光（比如红光、绿光等）组成的，遥感仪器通过将不同波长的光进行分离并探测，从而实现光谱遥感。

光谱遥感能够更精细获取光谱维度的信息，理论上讲，地球上不同的地物目标对不同波长的太阳光具有不同的反射、吸收能力，表现为不同的光谱反射率，通过光谱遥感技术可以分辨任何两个不同的物体，在地物分类、病虫害监测等领域具有显著的优势。

图1 不同地物存在光谱特征差异示意图（高光谱）

按照光谱细分程度与波段个数，可以将光谱遥感分为多光谱与高光谱遥感：多光谱遥感的波段数一般在几个或十几个，光谱分辨率在十几、几十纳米；高光谱遥感的波段数则在100个至1000个之间，光谱分辨率为几纳米。

图2 多光谱与高光谱遥感波段设置示意图

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低空多光谱遥感的优势

高光谱遥感数据在光谱信息层面具有很高的冗余度，但由于设备昂贵、数据较大、数据处理复杂，通常用于科研场景；多光谱遥感因为可以根据目标特性合理选择通道的中心波长和带宽组合，定向获取信息，数据利用率高、数据量小，所以更适合做大面积的行业应用。

在松材线虫病变色立木监测领域，由于不同种树木或者相同种树木的不同生长阶段、不同健康状态下，树木在不同波段的光谱反射率/发射率差异显著，所以可以基于松材线虫病变色立木的冠层特征光谱，通过航空多光谱遥感的方式获取树木冠层信息，基于冠层光谱特征、形状纹理特征与空间维度特征等信息构建参数模型，多源信息自动化提取松材变色立木，同时抑制复杂背景。

图3 变色立木与复杂地物光谱特征差异

图4 变色立木（左）与枯草（右）航空影像纹理特征差异

由图3可看出，在山地的复杂地物场景下，变色立木与健康松树水泥路等地物的光谱特征有显著差异，而对于黄土、枯草等光谱特征相近的地物，则通过形状纹理特征区分。

所以，低空多光谱遥感用于松材线虫病变色立木监测优势显著：

（1）快：多光谱遥感一般都是基于画幅式成像，同时获取几张不同波长位置处的正摄影像，无需稳定平台和复杂的几何校正，只需在通道配准的基础上按照常规航测内业处理流程即可完成数据拼接和预处理校正。基于中小型无人机平台开展的低空遥感，使得时间分辨率得到了显著提高，单架次可以获取几千亩至十几平方公里区域的多光谱影像数据。

（2）准：由于多光谱相机的波段设置基于松材变色立木及背景环境的特征光谱，所以虽然通道数量没有高光谱多，但是仍然可以精确描述目标特征、精准抑制背景干扰，松材变色立木识别准确度可以做到85%左右。

（3）省：多光谱相机的价格一般是同样波长范围高光谱相机价格的1/10，且具有更轻的重量、体积，使得轻小型多旋翼、固定翼均可在无稳定平台的情况下便捷搭载，大大降低了硬件的采购门槛和使用成本。此外，多光谱遥感的数据量一般是高光谱遥感的1/10～1/100，极大降低了存储、处理、分析对电脑配置的要求，缩短了内业数据处理的时间。

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如何使用低空多光谱遥感

4.1 技术流程

无人机载多光谱遥感进行松材变色立木监测的工程应用主要分为外业采集、内业处理、数据分析三个环节，实现从原始光谱数据到最终目标提取结果的数据转化。

首先，使用无人机平台挂载多光谱相机进行测区的多光谱影像采集；其次，经过多光谱数据预处理软件Yusense Map 进行影像配准、拼接与反射率校正；最后，使用Yusense Map Plus软件的松材变色立木提取模块进行目标提取与位置计算，并输出专题图与变色立木矢量数据。 

图5 光谱遥感应用流程

4.2 硬件推荐方案

根据不同的林区地形与面积，可选择不同的无人机多光谱遥感系统进行数据获取。其中，多旋翼无人机平台适用于千亩级林区的飞行演示与测试，固定翼无人机平台适用于万亩级林场的光谱遥感工程项目。

【1】多旋翼无人机平台

飞行平台：M300 RTK四轴多旋翼无人机

载荷：多光谱相机MS600 Pro

地面站软件：DJI Pilot

主要指标：

图6 M300 RTK+MS600 Pro

【2】固定翼无人机平台

飞行平台：横空6 AIR垂起固定翼无人机。

载荷：多光谱相机MS600（可选配4200万像素可见光相机）。

地面站软件：横空Aircross地面站。

主要指标：

图7 横空6 AIR复合翼+MS600 V2

4.3 软件推荐方案

数据处理软件采用长光禹辰自主研发的全流程数据处理软件Yusense Map，同步支持多光谱与可见光数据，可自动进行多源数据的拼接、配准、辐射校正等预处理。

用于松材变色立木提取的专家算法封装在Yusense Map Plus行业应用软件中，经过简单的交互操作，即可完成变色立木矢量位置、变色立木分布专题图等专项成果的输出，整体识别准确度可达85%。

图7 Yusense map软件截面图

图8 Yusense map plus软件界面图

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典型应用案例

目前，长光禹辰使用无人机载多光谱遥感系统完成了10个省市地区共100万余亩的松材变色立木监测，积累了近3万株变色立木的图谱样本。其中在山东青岛、安徽黄山、江西南昌等地完成了大面积的松材变色立木监测业务，拥有成熟的案例与工程经验，欢迎大家联系合作，为森林生态安全贡献科技力量。

关于我们

长光禹辰成立于2017年，是一家由中国科学院长春光机所和青岛高新区联合成立的高新技术企业，公司核心团队来自长春光机所，形成了以MS600多光谱相机为代表的无人机载光谱遥感硬件产品线、以Yusense Map/Map Plus为依托的光谱数据预处理及分析软件和以Yusense Cloud为依托的端云一体化服务平台，并在农业、林业、生态、环保、警用等领域开展了深入的行业应用。公司专注于无人机航空遥感与光电探测领域，持续推出革新的软硬件产品，落地更丰富的行业应用场景，致力于用技术和产品推动行业进步。