無(wú)人機(jī)+多光譜相機(jī)解決“松樹(shù)癌癥”！

松材線蟲(chóng)病是松樹(shù)的一種毀滅性病害，號(hào)稱“松樹(shù)癌癥”。該病自從1982年傳入我國(guó)，已致死大量松樹(shù)，造成森林資源和生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。

2016-2019年間，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的孫思老師對(duì)佛山市高明區(qū)某松材線蟲(chóng)病發(fā)生地進(jìn)行了持續(xù)調(diào)查，利用無(wú)人機(jī)拍攝的可見(jiàn)光和多光譜影像，監(jiān)測(cè)并預(yù)測(cè)枯死松樹(shù)的發(fā)生。調(diào)查工作一直得到佛山市高明區(qū)荷城街道林業(yè)工作站的大力支持，部分航拍影像由林業(yè)工作站蔡站長(zhǎng)拍攝。

△ 這看似美麗的紅色，其實(shí)是感染了松材線蟲(chóng)病而枯死的松樹(shù)

2016年：第一次航拍，觀察枯死松樹(shù)

佛山市高明區(qū)是國(guó)家林業(yè)和草原局官方公布的縣級(jí)疫區(qū)。2016年，調(diào)查組對(duì)高明區(qū)荷城街道某村落后山的松林進(jìn)行了首次航拍工作，從航拍影像生成的正射影像上，可以看到大量新發(fā)生的枯死松樹(shù)。

△ 調(diào)查區(qū)域的2016年無(wú)人機(jī)正射影像

2017年：第二次航拍，觀察病情發(fā)展

2017年，調(diào)查組對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了第二次無(wú)人機(jī)影像采集，除了前一年枯死的松樹(shù)，還發(fā)現(xiàn)了新枯死的松樹(shù)。孫思老師告訴我們，新枯死的松樹(shù)，在影像上往往呈現(xiàn)鮮紅色；舊年枯死的松樹(shù)，在影像上呈灰色。單從影像上，就可以判斷枯死松樹(shù)的數(shù)量在繼續(xù)增加。

△ 2017年無(wú)人機(jī)正射影像：紅色箭頭為當(dāng)年枯死的松樹(shù)，呈鮮紅色；黃色箭頭為上年枯死的松樹(shù)，呈灰色。

2019年5月：第三次航拍，利用多光譜相機(jī)預(yù)測(cè)病情

2018年，應(yīng)上級(jí)主管部門(mén)的要求，當(dāng)?shù)貙?duì)枯死松樹(shù)進(jìn)行了一次清理。因此在2019年5月的無(wú)人機(jī)正射影像中，枯死松樹(shù)大幅減少。

與此同時(shí)，孫思老師在2019年引進(jìn)了一個(gè)新武器“Sequoia多光譜相機(jī)”，對(duì)同一片松林進(jìn)行了拍攝。

這個(gè)多光譜相機(jī)是2個(gè)總重為107克的紅色小盒子，可以方便地搭載到無(wú)人機(jī)上，像普通相機(jī)一樣進(jìn)行航拍。不同的是，Sequoia相機(jī)每次曝光都會(huì)有5張影像生成，除了一張普通可見(jiàn)光影像，還會(huì)有綠、紅、紅邊、近紅外波段的影像。這些波段組合在一起，就可以“看見(jiàn)”普通相機(jī)無(wú)法看到的東西。多光譜相機(jī)尤其適合去分析植被的健康程度，在農(nóng)林業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

Sequoia每次曝光會(huì)采集5張影像

在多光譜影像的處理方面，孫思老師選擇的軟件與他處理普通影像的是同一款Pix4Dmapper軟件：“自2016年在一些公眾號(hào)上看到有人推薦Pix4Dmapper，我就開(kāi)始使用。對(duì)處理圖像而言，我覺(jué)得這款軟件是最方便最好用的。”

幾百?gòu)埗喙庾V影像經(jīng)過(guò)20分鐘的處理后，生成的是一張NDVI植被指數(shù)地圖。NDVI地圖由不同顏色表示：如紅色表示長(zhǎng)勢(shì)極差甚至死亡的樹(shù)木（或非林地）；藍(lán)色表示長(zhǎng)勢(shì)健康的樹(shù)木；黃色表示長(zhǎng)勢(shì)較差的樹(shù)木。

在調(diào)查區(qū)域內(nèi)，孫老師發(fā)現(xiàn)有一個(gè)位置的黃色特別密集，表明這個(gè)位置的松樹(shù)長(zhǎng)勢(shì)較差，他隨即用黃框圈出了這個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

然而對(duì)比這個(gè)位置的可見(jiàn)光影像，卻發(fā)現(xiàn)此處松樹(shù)與其它的松樹(shù)沒(méi)有明顯區(qū)別。孫老師據(jù)此推測(cè)，黃框內(nèi)的松樹(shù)有可能已經(jīng)感染了松材線蟲(chóng)病，但屬于發(fā)病初期，因此還沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的明顯癥狀。

△ 2019年5月的ndvi地圖，黃框內(nèi)的樹(shù)木長(zhǎng)勢(shì)較差

△ 2019年5月可見(jiàn)光影像和多光譜影像的局部對(duì)比，紅色箭頭是已有明顯癥狀的松樹(shù)；黃框內(nèi)的松樹(shù)無(wú)明顯癥狀，但多光譜影像已指明其健康狀況不佳

2019年9月：第四次航拍，證實(shí)病情預(yù)測(cè)

2019年9月，調(diào)查小組再一次拍攝了這片松林的無(wú)人機(jī)可見(jiàn)光影像。為了證實(shí)自己的懷疑，孫老師找到了前一次黃框內(nèi)的區(qū)域。他發(fā)現(xiàn)9月新枯死的松樹(shù)，與5月NDVI指數(shù)地圖預(yù)測(cè)的位置是一致的，黃框內(nèi)的松樹(shù)確實(shí)在幾個(gè)月前就感染了松材線蟲(chóng)病！

△ 2019年5月與2019年9月航拍結(jié)果對(duì)比

調(diào)查結(jié)論

經(jīng)過(guò)多年在松材線蟲(chóng)病疫區(qū)的調(diào)查，孫老師指出在廣東地區(qū)，7-8月天氣炎熱，樹(shù)冠蒸發(fā)量大，為感染松材線蟲(chóng)病的松樹(shù)表現(xiàn)癥狀的高峰時(shí)期。

利用最常見(jiàn)的無(wú)人可見(jiàn)光影像，可以直觀地觀察到松樹(shù)的枯死狀況。把同一地區(qū)的多期影像進(jìn)行對(duì)比，還可以監(jiān)測(cè)病情的發(fā)展，為病樹(shù)處置提供參考。

孫老師告訴我們：“像人類的疾病一樣，松材線蟲(chóng)病在發(fā)生的早期是有可能被控制的。即使無(wú)法治療，把感染早期的樹(shù)木砍掉，也可大大降低周?chē)渌鼧?shù)木被感染的幾率。”

而松材線蟲(chóng)病到了中晚期，治愈的可能性極小。而且到了這個(gè)時(shí)期，只清理肉眼可見(jiàn)的枯死樹(shù)將難以阻止該病的傳染，林業(yè)工作者往往需要砍掉一整個(gè)山頭的松樹(shù)，經(jīng)濟(jì)損失較大。因此利用多光譜影像來(lái)分辨早期感染、但還沒(méi)有肉眼可見(jiàn)癥狀的樹(shù)木是很有意義的。

Sequoia多光譜相機(jī)和Pix4D影像處理軟件，則像一枚照妖鏡，突破人類的可見(jiàn)范圍，是解譯病情的得力工具。

孫老師總結(jié)道，無(wú)人機(jī)搭配各種傳感器，既可以提高效率、節(jié)省人力成本，又能生成高質(zhì)量的成果，避免人為因素造成的各種誤差。數(shù)據(jù)不會(huì)說(shuō)謊——作為一個(gè)既能搞科研又能飛飛機(jī)的專業(yè)技術(shù)人員，孫老師對(duì)各種高科技武器在林業(yè)的普及充滿信心。