基于遙感技術的松材線蟲病診斷與監(jiān)測研究進展

舒 敏，張德婧，徐倩然，唐雪海

(安徽農業(yè)大學林學與園林學院，安徽合肥 230000)

松材線蟲病又稱松樹萎蔫病，是一種由入侵物種松材線蟲(Bursaphelenchusxylophilus)引起的森林病害，該病毀滅性強，松樹感染后40天即可死亡，3～5年即可毀滅一片松林，因此也被叫做松樹的癌癥[1-2]。松樹患病后，癥狀表現為樹脂分泌減少，蒸騰作用大幅下降，針葉逐漸變成紅褐色或黃褐色，最終樹脂停止分泌，導致植株干枯死亡[3]。松材線蟲是一種常見的松材寄生蟲害，該病害由北美開始傳播，1970年在亞洲流行，1982年傳入我國，并由此帶來了巨大的經濟損失[4-5]，同時也破壞了自然景觀和生態(tài)環(huán)境，對松林資源構成嚴重威脅[6-7]。該病已被我國列入森林植物檢疫對象。松材線蟲主要以松褐天牛為傳播媒介，在松褐天牛取食松樹樹皮補充養(yǎng)分時侵入松樹的傷口，接著快速且大量地繁殖，繼而導致松材線蟲病的發(fā)生[8]。針對松材線蟲病害，常用生物防治、化學防治、營林防治等方式進行防控，但是，該病致病力強，傳播迅速，一旦發(fā)生將難以治理。因此，加強松材線蟲病的檢疫和監(jiān)測力度是現代林業(yè)工作中急需解決的問題[9]。

松材線蟲病傳播范圍廣、發(fā)病速度快、治理難度大，在全國各地都普遍存在[10-12]。我國海拔1 000 m以下的地區(qū)廣泛存在松材線蟲，而且危害程度隨著地區(qū)海拔的降低而增大。其中危害最為嚴重的是珠江三角洲和長江中下游地區(qū)，尤以長江中下游地區(qū)的危害更大；危害中等嚴重的是珠江中游、長江中游和中國中部高海拔及丘陵地區(qū)；而在云貴高原等海拔約1 000 m的地方僅局部發(fā)生，帶來的危害相對較小[13]。南京中山陵首次發(fā)現外來的松材線蟲，隨后陸續(xù)傳播至安徽、山東、浙江等地，并同時向四周擴散。30多年來，已先后蔓延至我國18個省和588個縣級行政區(qū)[14-15]，造成數以億計的松樹被感染并隨后枯萎，豐富的松林資源受到了巨大的威脅，由此也帶來了上億元的經濟損失。作為外來物種，松材線蟲表現出高生長速度、強大繁殖能力和快速蔓延能力等特點，其對環(huán)境具有較強的耐受性和適應性。一旦入侵，致使自然生態(tài)系統(tǒng)改變，生物地理分布的結構和功能也會發(fā)生變化，打破當地的生態(tài)平衡，嚴重破壞生物多樣性[16]。松材線蟲病也正入侵我國多個風景名勝區(qū)及生態(tài)功能區(qū)，對黃山、張家界等風景區(qū)的天然松林產生巨大的威脅，將給當地的生態(tài)旅游業(yè)帶來難以估量的經濟損失[7]。盡管近年來我國投入了大量的人力、物力、財力進行嚴格的管理和控制，但是目前仍未形成一套成熟有效的防治措施，在發(fā)病早期也未能提前精準監(jiān)測。

1 松材線蟲病的診斷方法

1.1 傳統(tǒng)方法早期診斷松材線蟲病是清除侵染源和控制傳播途徑至關重要的環(huán)節(jié)，可以從林間枯死木、活立木、原木3個方面來進行診斷[17]。

林間枯死木可以通過觀察法進行診斷。感病松樹的針葉從基部開始萎蔫，針葉變紅不脫落，直至枯死[10]。松樹感病后樹脂分泌減少或停止[18-19]，樹干截面的木質部多有藍變現象[20-21]。該方法適于普查林間病害，但缺乏準確性。

活立木的診斷包括流膠法和化學法。運用三級流膠診斷松材線蟲病具有一定的可靠性，流膠觀察的指標需要根據實際情況而定?？赏ㄟ^樹脂酸異構化和乙醚抽提物量來粗略定性判斷感染情況[22]。

對于可直接觀察的原木，在樹干解析后可以直接判斷。無法直接觀察得出診斷結果的原木，常用指示劑顯色法[22]進一步定性檢驗。pH的變化應考慮生物學與生態(tài)學特性[19]，因此，特異性地選擇指示劑和顯色標準仍需繼續(xù)研究。

1.2 遙感診斷方法傳統(tǒng)方法存在著時間上的滯后性、空間上的局限性、標準上的歧義性，以及耗費巨大的人、物、財力等不足。遙感手段則具有探測廣、更新快、穿透力強等優(yōu)勢，可以彌補傳統(tǒng)方法的缺點。松樹被松材線蟲感染后，內部光合生理參數發(fā)生改變，由此引發(fā)外部特征顯著癥狀變化，包括明顯的針葉變色和松脂變少，其中，遙感圖像光譜值參數的差異性可為變色的疫木遙感監(jiān)測提供基礎。疫木的這些變化會導致其在不同病感階段冠層光譜反射率有明顯差異，設置不同波段的傳感器能捕捉到相應的重要信息[23]。

1.2.1航天遙感。航天遙感是以人造小衛(wèi)星、航天飛機、火箭、宇宙飛船等航天飛行器為主，分布于大氣層外部的飛行器平臺[24-25]。衛(wèi)星遙感是當前林業(yè)使用最廣泛的數據源，國外20世紀30年代首次開展了森林病蟲害遙感監(jiān)測方面的航空試驗，但是，成本昂貴的衛(wèi)星監(jiān)測制約了20世紀國內的發(fā)展速度。隨著我國信息技術和航天航空技術的迅猛發(fā)展，變色松樹的監(jiān)測取得進一步突破。近年來，多型星載激光遙感在技術上的突破和應用，為國內林業(yè)有害生物監(jiān)測提供了有效的數據源[26]。星載激光雷達系統(tǒng)也在監(jiān)測林冠高度變化方面具有示范性意義，并能獲得精確的森林結構信息[27-28]。Kaiser[29]利用陸地衛(wèi)星TM數據研究海岸線和土地覆蓋的變化，將航天遙感的尺度性凸顯出來。染病松樹的內部光和生理參數的變化會引起相應光譜改變，并反應在遙感圖像上。但是，大范圍監(jiān)測松材線蟲病害使用的影像分辨率較低，且受氣候、地形地貌等因素影響，精度難以達到規(guī)定的技術要求[30]。高空間分辨率遙感數據對于監(jiān)測群樹的病蟲害效果較好，在識別單株變色松樹方面還存在誤差和難度。因而，難以構建多源空間數據立體可視圖[31]，航天遙感技術更適宜宏觀調控和數據收集。

1.2.2航空遙感。航空遙感是一種運載工具搭載傳感器模式的多功能綜合性探測技術，運載工具包括飛機、飛艇、氣球等[32]。目前，無人機遙感技術在林業(yè)中的應用已成為一種趨勢，不僅可在短時間內收集高分辨率數據[33]，并且有望與人工智能結合[34]診斷松材線蟲病害。此手段可以快速、準確找到感染樹木的空間分布，使前期的普查工作更具時效性[35]。此外，如何提高染病樹木的定位精度也是一個需要探索的問題。徐信羅等[36]將無人機遙感與目標檢測算法結合，提高了受害木的精確定位效果。Syifa等[37]利用采集到的無人機圖像制作了一份土地覆蓋(land cover，LC)圖，并使用支持向量機(support vector machine, SVM)和人工神經網絡(artificial neural network，ANN)2種方法進行分類，發(fā)現SVM區(qū)分感染樹木精確度高于ANN。胡馨月等[38]利用Mean Shift算法充分挖掘無人機圖像，有效地獲取單木信息。Nansen等[39]提出，在機載遙感應用中，太陽高度角、云量、大氣成分日變化和季節(jié)性變化等對獲取高質量的機載遙感數據存在相當大的挑戰(zhàn)，也對蟲害的識別精度造成了一定影響。而Essery等[40]也提到了森林冠層下的太陽輻射可能具有較大的空間變化，從而影響科羅拉多州的黑松樹林中樹的位置、高度和冠幅的航空攝影和機載激光掃描圖像。且無人機在續(xù)航時間、載荷大小等方面存在明顯的限制，急需得到校正和優(yōu)化[41]。

1.2.3地面遙感。地面遙感是各種移動終端傳感器支撐平臺的統(tǒng)稱，既能測量各種地物波譜，也能探測和采集地物目標信息。隨著我國自主研發(fā)的北斗等全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)服務的應用，基于此信號的移動終端設備更新速度較快。這種實時定位的地面遙感廣泛應用于林業(yè)數據源的獲取與分析中，并為松材線蟲的監(jiān)測提供技術支持[42]。該方法具有范圍小、活動性高的特點，在松材線蟲的診斷中常作為人工輔助手段進行精細化實地定位核查。

2 松材線蟲病多源遙感監(jiān)測體系構建

松材線蟲感染區(qū)疫木的監(jiān)測包括星載普查、機載詳查、地面核查3部分，可根據調查目的選擇相應的調查方法，通過選擇不同的數據源匹配相應的數據類型，有利于提高分類精度[43]。Wei等[44]利用多源遙感數據探索多維城市化對非洲PM2.5濃度的驅動影響，取得了一定的成效。因此，研發(fā)聯動性的平臺體系，并使之具體化，就顯得尤為重要。

2.1 天空地一體化為保障我國松林生態(tài)安全，徐培林等[45]提出“天空地一體化立體監(jiān)測技術”方案，即結合航天遙感、航空遙感和地面遙感技術對松林進行病蟲害監(jiān)測作業(yè)，提高監(jiān)測效率。但是，由于松材線蟲病傳染性高、入侵性廣、根治性難，具有顯著的復雜性；同時，單一的衛(wèi)星遙感監(jiān)測本身具有局限性，影像紋理信息沒有被充分挖掘。此外，遙感數據受到云層的影響極大，因此，衛(wèi)星遙感監(jiān)測松材線蟲依舊面臨很大的挑戰(zhàn)。在無人機遙感監(jiān)測方面，劉金滄等[46]以小型無人機航拍獲取可見光RGB影像，識別出相應的感染松樹，可操作性強。但是，目前多數疫木的影像解讀工作仍然是人工目視判讀方法，其對判讀方面要求很高，且摻雜主觀性，難以達到統(tǒng)一標準。這些不可避免地延遲了疫木的除治，錯過最佳治理時期，增加疫情惡化程度。因此，利用多種數據源，各取所長，優(yōu)缺互補，才能達到最佳的預警預報、防治減災效果。

2.2 點線面多角度近年來，隨著遙感平臺的發(fā)展及載荷技術的優(yōu)化，多平臺、寬維度、廣模式的綜合應用呼之欲出。Chen等[47]在野外調查基礎上，通過MODIS衛(wèi)星獲得遙感圖像數值，將其與遙感數學模型結合，采用了從點對點延伸至點對多的方式。首先，利用衛(wèi)星遙感實施大范圍的疫區(qū)變色松樹的廣泛普查，并通過數據處理分級圖像，指導無人機作業(yè)局部范圍；其次，基于無人機進行單位化精細核查，使用單株松木變色的智能識別；最后人工實地確查清理，建立松材線蟲遙感監(jiān)測模式化流程，進行松木疫區(qū)全覆蓋監(jiān)測，實施精準化預警預報，最大程度做好疫情防控，減小損失和保護生態(tài)。通過一體化遙感系統(tǒng)，可觀測、獲取物種和生態(tài)的綜合信息，有機結合生態(tài)模型，刻畫多樣時空圖像，提高監(jiān)測的信息化水平[48]。在圖像處理中，已大量采用分水嶺算法劃分區(qū)域的圖像，從而更好地在復雜地物下提取相關信息[49]。林業(yè)和遙感由兩個不同領域細化聯結到一起，用現代化遙感監(jiān)測武裝傳統(tǒng)式蟲害防控，從點延伸到線，進而推廣到面。

2.3 預聯防相結合實施有效防控可從搭建模擬化推演平臺著手，提前將可能會導致松材線蟲病感染的因素進行預演化介入分析。如引入坡度、坡向、坡位、郁閉度、立地質量等環(huán)境因子作為遙感監(jiān)測對象，通過回歸分析建立估測模型，并設為重點關注區(qū)域[50]。在后期采取動態(tài)監(jiān)測，定期進行數據提取，實時比對排查信息。經歷周期性訓練和模擬可逐步提高系統(tǒng)的定位和預測能力，同時達到防患于未然以及縮減大規(guī)模排查成本的目的。

3 展望

該研究從遙感平臺的角度討論了目前遙感技術在松材線蟲病診斷和監(jiān)測中的應用。航天遙感感測面積大，多用于監(jiān)測大面積樹群；航空遙感的圖像分辨率高，有較大的靈活性，在普查工作中發(fā)揮重要作用；地面遙感活動性高，但范圍小，多作為輔助手段對松林進行精細化核查。3種方法各有優(yōu)勢，因此該研究強調了天空地一體化的重要性，此方法能最大程度上提高病蟲害監(jiān)測力度。為了及時對松材線蟲病害進行預警并快速有效制定防治措施，針對當前遙感技術在松材線蟲病診斷與監(jiān)測研究中存在的主要問題，從以下幾個方面進行展望。

3.1 建立松材線蟲病遙感診斷與監(jiān)測數據庫運用遙感技術對松材線蟲進行診斷與監(jiān)測，首先需要有效的數據支持。但是，當前我國林業(yè)遙感監(jiān)測數據庫不足、標準不統(tǒng)一，且缺乏兼容性[51]。因此，建立遙感監(jiān)測數據庫，對數據進行分類存儲并建立管理系統(tǒng)，是應用遙感技術對松材線蟲病害進行監(jiān)測的必要條件。建立松材線蟲遙感診斷與監(jiān)測數據庫，統(tǒng)一儲存、管理空間數據和屬性數據，方便各類資源及成果共享，提高數據利用率，增強數據可視化能力，為松材線蟲的防治提供有力的數據支撐，也為其發(fā)生發(fā)展過程的模擬和預測奠定基礎。

3.2 建立遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)我國現有林業(yè)病蟲害調查模式存在不足，人工地面調查缺乏全面性和時效性，航空航天遙感技術的準確性目前也無法滿足應用需求。為了最大限度地降低病蟲害帶來的損失，有效遏制松材線蟲病的發(fā)生和擴散，利用科學有效的監(jiān)測方法和技術，及時、準確、全面地掌握災害信息，是對松材線蟲病進行有效治理和科學預測的關鍵。利用遠程視頻監(jiān)控技術可實現對松木葉片、樹冠等的變化進行有效監(jiān)測，節(jié)省地面調查人員的工作量[52]。

3.3 建立病蟲害預測系統(tǒng)當蟲害發(fā)生時，松材線蟲的蟲卵已分布于松樹林中，并對樹木造成了一定損害，這時用遙感技術監(jiān)測出蟲害時，病蟲害已經部分爆發(fā)，并對松樹林造成了破壞[53]。這體現出遙感技術對松材線蟲病的監(jiān)測存在滯后性。Qi等[54]采用無人駕駛飛行器(unmanned aerial vehicle，UAV)監(jiān)控葉面積指數(leaf area index，LAI)的新方法，來預測作物產量，建立了相應模型。創(chuàng)建松材線蟲病蟲害預測系統(tǒng)，建立基于生態(tài)位因子模型對松材線蟲侵入風險進行預測，可以大大彌補遙感監(jiān)測的滯后問題，實現松材線蟲病管理智能化、線上線下信息互聯化、資源共享化，有效解決松材線蟲管理和防治上的信息共享困難、預測預警時效性差的問題，為松材線蟲病蟲害的有效防治、科學預測提供有效幫助。

3.4 培養(yǎng)專業(yè)的林業(yè)遙感技術團隊遙感技術尤其是當今流行的無人機遙感技術專業(yè)性較高，需要進行專業(yè)培養(yǎng)，建立專業(yè)化人才服務團隊。一方面，要規(guī)范遙感技術的操作流程，提高標準化作業(yè)水平[55]；另一方面，要提供專業(yè)操作的人才隊伍，培養(yǎng)專業(yè)化、高水平的診斷與監(jiān)測人才，以提高松材線蟲診斷及監(jiān)測的作業(yè)水平和效率，降低人力、物力投入，更加高效地維護我國松林生態(tài)安全。