無人機(jī)+多光譜相機(jī)解決“松樹癌癥”！

松材線蟲病是松樹的一種毀滅性病害，號稱“松樹癌癥”。該病自從1982年傳入我國，已致死大量松樹，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)的孫思老師對佛山市高明區(qū)某松材線蟲病發(fā)生地進(jìn)行了持續(xù)調(diào)查，利用無人機(jī)拍攝的可見光和多光譜影像，監(jiān)測并預(yù)測枯死松樹的發(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)工作站蔡站長拍攝。

△ 這看似美麗的紅色，其實(shí)是感染了松材線蟲病而枯死的松樹

2016年：第一次航拍，觀察枯死松樹

佛山市高明區(qū)是國家林業(yè)和草原局官方公布的縣級疫區(qū)。2016年，調(diào)查組對高明區(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。

△ 調(diào)查區(qū)域的2016年無人機(jī)正射影像

2017年：第二次航拍，觀察病情發(fā)展

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

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

2019年5月：第三次航拍，利用多光譜相機(jī)預(yù)測病情

2018年，應(yīng)上級主管部門的要求，當(dāng)?shù)貙菟浪蓸溥M(jìn)行了一次清理。因此在2019年5月的無人機(jī)正射影像中，枯死松樹大幅減少。

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

這個多光譜相機(jī)是2個總重為107克的紅色小盒子，可以方便地搭載到無人機(jī)上，像普通相機(jī)一樣進(jìn)行航拍。不同的是，Sequoia相機(jī)每次曝光都會有5張影像生成，除了一張普通可見光影像，還會有綠、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”普通相機(jī)無法看到的東西。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年在一些公眾號上看到有人推薦Pix4Dmapper，我就開始使用。對處理圖像而言，我覺得這款軟件是最方便最好用的。”

幾百張多光譜影像經(jīng)過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：如紅色表示長勢極差甚至死亡的樹木（或非林地）；藍(lán)色表示長勢健康的樹木；黃色表示長勢較差的樹木。

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

然而對比這個位置的可見光影像，卻發(fā)現(xiàn)此處松樹與其它的松樹沒有明顯區(qū)別。孫老師據(jù)此推測，黃框內(nèi)的松樹有可能已經(jīng)感染了松材線蟲病，但屬于發(fā)病初期，因此還沒有肉眼可見的明顯癥狀。

△ 2019年5月的ndvi地圖，黃框內(nèi)的樹木長勢較差

△ 2019年5月可見光影像和多光譜影像的局部對比，紅色箭頭是已有明顯癥狀的松樹；黃框內(nèi)的松樹無明顯癥狀，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

2019年9月，調(diào)查小組再一次拍攝了這片松林的無人機(jī)可見光影像。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，與5月NDVI指數(shù)地圖預(yù)測的位置是一致的，黃框內(nèi)的松樹確實(shí)在幾個月前就感染了松材線蟲病！

△ 2019年5月與2019年9月航拍結(jié)果對比

調(diào)查結(jié)論

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

利用最常見的無人可見光影像，可以直觀地觀察到松樹的枯死狀況。把同一地區(qū)的多期影像進(jìn)行對比，還可以監(jiān)測病情的發(fā)展，為病樹處置提供參考。

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

而松材線蟲病到了中晚期，治愈的可能性極小。而且到了這個時期，只清理肉眼可見的枯死樹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山頭的松樹，經(jīng)濟(jì)損失較大。因此利用多光譜影像來分辨早期感染、但還沒有肉眼可見癥狀的樹木是很有意義的。

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

孫老師總結(jié)道，無人機(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)不會說謊——作為一個既能搞科研又能飛飛機(jī)的專業(yè)技術(shù)人員，孫老師對各種高科技武器在林業(yè)的普及充滿信心。