張云程，楚景月

(1.喀左縣林業(yè)種苗管理站，遼寧 喀左 122300；2.喀左縣林業(yè)和草原局，遼寧 喀左 122300)

1 研究背景

自1995年起，與沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院緊密合作，開展了山杏(Armeniacasibirica(L.) Lam.)主要分布區(qū)的種質(zhì)資源調(diào)查、選優(yōu)、定向育種和良種繁育等項技術(shù)研究。先后篩選出山杏優(yōu)特種質(zhì)資源347份，分別采自遼寧、河北、內(nèi)蒙、山西、吉林、甘肅、寧夏7省區(qū)和俄羅斯外貝加爾邊疆區(qū)，并于2012年將其集中引種到喀左縣進行引種適應(yīng)性試驗。在此基礎(chǔ)上，成功選育出豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)型的優(yōu)良無性系11個，2014年有4個山杏良種通過省級審定。翌年4月份，按沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院的配置設(shè)計，將收集到的山杏種質(zhì)資源全部定植到喀左山杏良種基地。

2016年7月，經(jīng)國家林業(yè)局批準，決定在原山杏良種基地的基礎(chǔ)上實施遼寧省喀左縣山杏種質(zhì)資源保存庫建設(shè)，建設(shè)期2017～2019年。研究立足遼西，輻射我國“三北”干旱半干旱地區(qū)，以亞洲特有的生態(tài)經(jīng)濟型樹種——山杏為研究對象，以豐富的山杏種質(zhì)資源為基礎(chǔ)，以收集、保存、評價、利用山杏種質(zhì)資源為目的，建設(shè)集規(guī)范化、系統(tǒng)化、標(biāo)準化于一體的山杏種質(zhì)資源保存庫，保護山杏種質(zhì)資源的遺傳多樣性和發(fā)展的可持續(xù)性，進而為林業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和教學(xué)實踐奠定種質(zhì)基礎(chǔ)；同時選育山杏新品種，加速山杏良種化推廣進程，促進山杏產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。建成后，預(yù)計可保存山杏種質(zhì)資源390份以上，篩選出豐產(chǎn)、晚花等優(yōu)特種質(zhì)20個以上。建成我國山杏種質(zhì)資源基因保存基因資源庫，為山杏種質(zhì)的持續(xù)創(chuàng)新、資源培育和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供充裕的遺傳材料和實用技術(shù)。

優(yōu)樹選擇首先需要有實時獲取的各種質(zhì)資源單株的樹體因子和物候期數(shù)據(jù)，非但野外調(diào)查工作量巨大，而且工期較長，人工成本高昂，且定位不夠精準。例如，測定山杏種質(zhì)樹的樹高和冠幅時，需要每2人為1組，調(diào)查1株種質(zhì)樹平均用時約5 min，數(shù)據(jù)采集效率為6株/人·h。山杏種質(zhì)資源庫保存現(xiàn)有88000株種質(zhì)樹，全部調(diào)查需要917個人工，組織30人的調(diào)查隊伍也要1個月的時間，數(shù)據(jù)時效性很差。同樣的問題還出現(xiàn)在花期觀測、放葉期、葉變色期、落葉期觀測等諸方面。

近幾年無人機飛行平臺快速發(fā)展，無人機遙感憑借著機動靈活、高效快速、精細準確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等的優(yōu)勢，正在引起不同行業(yè)部門的廣泛關(guān)注。特別是隨著基于計算機視覺技術(shù)的無人機影像處理技術(shù)不斷發(fā)展成熟，為基于無人機影像的森林遙感研究提供了新的發(fā)展契機。

2 研究成果簡介

2.1 成果主要內(nèi)容

本項成果屬林學(xué)-森林培育學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，主要用于林木種質(zhì)資源庫管理。本項成果涉及3個研究方向共8個內(nèi)容模塊。即無人機航攝高精度成圖研究方向的控制點布局與獲取、無人機航攝、Pix4D航測成圖關(guān)鍵技術(shù)；地圖矢量化技術(shù)；種質(zhì)資源信息獲取研究方向的種質(zhì)樹高信息獲取、建立種質(zhì)樹葉花的RGB顏色模型、種質(zhì)樹樹冠投影面積信息獲取、山杏開花的物候期觀測技術(shù)。

2.2 成果創(chuàng)新點

(1)成功建立起無人機航測法高精度成圖數(shù)據(jù)處理流程和參數(shù)。采用RTK技術(shù)，對種質(zhì)資源庫的界樁點、水罐、水閥、部分種質(zhì)樹中心點位置和明顯標(biāo)志進行了采集，采集的位置數(shù)據(jù)誤差小于0.02 m。這些數(shù)據(jù)的采集為航攝成圖提供了大量的控制點、平高點和檢查點，實現(xiàn)了對成圖精度的精準控制。在航攝過程中，通過對飛行參數(shù)和相機參數(shù)的優(yōu)化，減小了像點位移和色差。根據(jù)對Pix4D軟件的深刻理解與實踐，首次應(yīng)用于圖像上刺出輪廓控制點→快速處理檢查→控制點刺點加密的工作流程中，從而大大提高了刺點效率和成圖精度。

(2)首次引入樹木生長空間的概念，解決了種質(zhì)樹郁閉后樹冠分割之難題。樹木樹冠生長發(fā)育直接制約樹木各項生長，影響樹冠生長的主要因素是密度，也就是樹木單體間位置關(guān)系。為了表示這種關(guān)系，我們引入了樹木生長空間(Voronoi diagram)概念。這一概念的引入，解決了種質(zhì)樹郁閉后樹冠分割難題，為種質(zhì)樹生長分析增加了維度。

(3)成功建立起種質(zhì)樹葉、花色彩RGB的數(shù)學(xué)模型，為航攝正射影像判讀和時空二維信息獲取奠定了基礎(chǔ)。通過建立種質(zhì)樹葉、花色彩RGB的數(shù)學(xué)模型，解決了判讀航攝正射影像種質(zhì)樹葉、花期，以及獲得空間和時間二維種質(zhì)樹信息等關(guān)鍵難題。

(4)通過信息迭代利用，可為林木種質(zhì)資源庫提供系統(tǒng)、連續(xù)和包含豐富種質(zhì)庫種質(zhì)樹信息。高頻度的多時空無人機航攝與合成影像，為種質(zhì)資源庫提供的系統(tǒng)連續(xù)包含豐富種質(zhì)庫種質(zhì)樹信息影像資料，讓種質(zhì)樹信息回溯利用變成可能。

(5)特質(zhì)信息采集應(yīng)用。例如趁下過雪后立刻進行航攝，制作成的正射影像在白色背景的映襯下能清晰反映出樹木枝條的分枝特性。通過雨前雨后拍攝和兩次影像計算，方可制作出林地保水保墑能力圖。

3 應(yīng)用推廣情況

自2016年迄今，在“無人機航測在山杏種質(zhì)信息采集中的應(yīng)用與研究”項目實際應(yīng)用中，累積航攝26次，共獲照片184360張，合成影像圖(DEM和DOM)百余張；為資源庫內(nèi)88000株種質(zhì)樹標(biāo)定了準確位置，種質(zhì)樹根基部高程；項目期間先后6次全面采集種質(zhì)樹的樹高、樹冠投影面積的信息；進行3次山杏花物候期測定，2次提取山杏花RGB值。本項研究為山杏種質(zhì)資源庫的建設(shè)，積累了帶時序的數(shù)據(jù)影像資料。項目期內(nèi)，先后有喀左縣林業(yè)種苗技術(shù)服務(wù)中心、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院、國有建平縣白山林場、北票市林木良種繁育中心、阜新市林業(yè)種苗中心、國有綏中縣水口林場等6家單位，分別在“喀左縣山杏國家林木種質(zhì)資源保存庫”、“喀左縣山杏良種基地”、“國家林業(yè)和草原局林業(yè)長期科研基地”、“喀左縣大棗良種基地”、“沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研基地”、“沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地”、“建平白山林場文冠果良種基地”、“北票市油松良種基地”、“阜新市五角楓、蒙古櫟國家林木種質(zhì)資源庫”、“遼寧省綏中縣水口林場核桃良種基地”等10個項目中應(yīng)用本項技術(shù)，累計應(yīng)用面積達860 hm2強，涉及林木種質(zhì)資源數(shù)量3763份，應(yīng)用成效評價皆獲成功。該項目的成功推廣應(yīng)用，對加速可適生林業(yè)新品種的推廣大有裨益，更受到了國家和省市林業(yè)主管部門的高度評價。初步統(tǒng)計，僅就“山杏種質(zhì)資源”研究而言，業(yè)已成功選育出通過省級審定的山杏新品種4個，其中具有豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)突出特性的“山杏1號”，迄今已在本地區(qū)推廣141.3 hm2，平均每畝年增收600余元。編制遼寧省地方標(biāo)準1項。

4 結(jié)論

研究針對山杏種質(zhì)資源調(diào)查中工作量大、工期長、成本高、精度差等問題，研究了基于無人機與航空攝影測量的山杏種質(zhì)信息模型、聚類、歸一化等技術(shù)，為發(fā)展數(shù)字林業(yè)提供了技術(shù)支撐。

研制了無人機航測法高精度成圖數(shù)據(jù)處理流程和參數(shù)，以及樹木的葉、花色彩RGB數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)種質(zhì)資源精準定位、歷史數(shù)據(jù)的回溯與追蹤。應(yīng)用RTK技術(shù)采集種質(zhì)資源庫的界樁點和部分種質(zhì)樹中心點位置和明顯標(biāo)志，位置數(shù)據(jù)誤差小于2 cm。引入樹木生長空間概念，解決了種質(zhì)樹郁閉后樹冠分割難題。應(yīng)用信息迭代，可為林木種質(zhì)資源庫提供系統(tǒng)、連續(xù)和包含豐富種質(zhì)庫種質(zhì)樹信息的影像資料。

累計應(yīng)用面積860 hm2強，涉及林木種質(zhì)資源數(shù)量3763份，生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益顯著。