李豐毅 余光柱 陳憲超
摘要:對于松樹來說,松材線蟲的危害是致命的,情況嚴重時甚至會摧毀松樹林原有的生態(tài)平衡,給全世界帶來非常巨大的損失。日常林場維護工作中,必須嚴格檢測進出林場的樹材,保障外來病原體不進入林場。只有針對松材線蟲的特點制定防護措施,才能讓生態(tài)環(huán)境的保障最大化。雖然在農(nóng)林病蟲害檢測過程中,航空錄像和衛(wèi)星遙感能夠獲得非常不錯的效果,但是依然存在成本較高和精確度不足的缺陷,導致推廣應用的效果不理想?,F(xiàn)如今,隨著直升機技術(shù)的發(fā)展越趨成熟,其性能也得到了不斷地完善和提升,在軍用和民用中占據(jù)了相當大的份額,主要包含了森林防火、土地利用情況調(diào)查、煤礦資源勘測、環(huán)境保護等。特別是我國近些年不斷爆發(fā)的自然災害,使得其在農(nóng)林病蟲害的遙感監(jiān)測的研究方面也得到了相應的發(fā)展。但是直升機遙感圖像監(jiān)測松材線蟲病方面依然處于發(fā)展階段,其中圖像信息的采集過程對受蟲害侵染的區(qū)域的準確識別是最關(guān)鍵的部分。
關(guān)鍵詞:航拍數(shù)據(jù);松材線蟲?。粎^(qū)域檢測
中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2018)29-0239-03
人們將松材線蟲病稱為松樹的癌癥,松樹感染該病后幾個月就會出現(xiàn)死亡。雖然在國際范圍內(nèi)林業(yè)的松材線蟲病是重點檢疫的對象,但是松材線蟲病預防技術(shù)仍然未得到很好的發(fā)展?,F(xiàn)如今,對松材線蟲病預防,只能夠運用松樹檢疫的加強、伐除被侵害的松樹等手段。為了最大限度地減少損失,防控松材線蟲病才是重點。檢測與監(jiān)控能夠更及時的發(fā)現(xiàn)疫情,定期排查和不定期抽檢相結(jié)合的方式是當前比較推崇的方式。定期排查和不定期抽檢必須保持每年兩次的頻率,在人口密集區(qū)域、木材加工企業(yè)、重點旅游區(qū)等的監(jiān)測力度需要加大,這樣才能夠及時對松樹感染疫情進行判斷。專業(yè)人員應當注意在特定區(qū)域及時處理疫區(qū)里的枯死松樹,盡可能避免更大的損失。
“松材線蟲病”原產(chǎn)于北美,后來逐漸傳入韓國和日本。1982年,我國南京第一次發(fā)現(xiàn)“松材線蟲病”,在30多年里逐漸波及我國皖、粵、魯、鄂、浙、蘇六省,導致了超過1600萬株松樹枯死,140萬畝的發(fā)病面積。在我國,松樹占森林資源的1/4,對林業(yè)的發(fā)展有很直接的影響。松材線蟲病具有防治難度大、樹木致死迅速、傳播速度快等特征。現(xiàn)如今,國內(nèi)外并未有很好的防治方法。所以,我國松樹等針葉林受到了松材線蟲病的威脅非常大。在我國出口木質(zhì)包裝中,松樹是不可或缺的重要原料,防治松材線蟲病效果對我國相關(guān)產(chǎn)品的出口有顯著的影響。
1 基于航拍數(shù)據(jù)的松材線蟲病區(qū)域的檢測方法
松材線蟲病傳統(tǒng)的檢測方法主要集中在染病木的檢疫方面,包含了產(chǎn)地調(diào)運檢查力度、天牛遷飛的控制、擇伐病死樹、接種試驗、漏斗分離檢驗、解剖檢驗、直觀檢驗等方法。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法具有宏觀動態(tài)檢測范圍小和實時性較差的缺點,不能從根本上解析松材線蟲病對生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的影響,確定森林生態(tài)系統(tǒng)的可入侵性和災變與入侵的關(guān)系。所以,對松材線蟲病檢測的新技術(shù)的研究需要進行進一步的探討。雖然航拍數(shù)據(jù)技術(shù)在多種病蟲害的研究領(lǐng)域得到了廣泛的應用,但是與松材線蟲病相關(guān)的研究卻很少。因此,從松材線蟲害與寄主植被關(guān)系的角度應用航拍數(shù)據(jù)技術(shù)來進行研究,能夠更好地為松材線蟲害的防治與檢測進行服務。其中,圖像識別中處理初級階段的特征提取是重要運算,在眾多特征中有效識別和選取合適的特征向量是特征提取的最終任務。筆者在本文中主要對健康松林區(qū)域、松材線蟲病區(qū)域和其他地物區(qū)域進行航拍數(shù)據(jù)的紋理和顏色的對比進行分析。因此,本文主要對航拍數(shù)據(jù)的顏色特征進行使用和論述。通過肉眼可以最直觀地對航拍數(shù)據(jù)的顏色進行觀測,對彩色圖像的重要視覺信息進行了體現(xiàn),對比其他形狀、紋理等特征來說,其具有簡單提取的特性,雖然對于圖像的尺度、平移、旋轉(zhuǎn)等變換的敏感度不強,但是依然是監(jiān)測過程中常用的和穩(wěn)定性較強的圖像特征。人們在日常生活中,能夠通過視覺系統(tǒng)來對顏色進行感知,具有相對的主觀性,需要客觀的標準對圖像顏色特征進行提取。所以,必須在特定顏色空間內(nèi)提取顏色的特征,除圖像中的形狀、亮度、顏色外,灰色變化也具有規(guī)律特性,圖像紋理可以認為是圖像中的區(qū)域內(nèi)灰色或基元變化規(guī)律,而且由于其在圖像中存在的比較多,所以紋理就是圖像處理的主要特征,紋理的這一特征與亮度、顏色等特征的描述相比有一定的描述難度。圖像處理中提取紋理特征的意義非常重大,所以很多學者很早就開始研究圖像紋理特征的提取方法。紋理特征提取要想提升其實用性,就必須要盡可能地實現(xiàn)紋理特征提取具有較低的維數(shù)、提取簡單易行和較強區(qū)分度的特征。現(xiàn)如今,紋理特性提取的研究在很多方面得到了成功的應用,例如圖像分類、圖像分割、模式識別等方面。實踐證明,紋理特征在分類過程中的應用能夠讓分類的精度得到提升??梢詫y量紋理特性的算法分成結(jié)構(gòu)紋理分析和統(tǒng)計紋理分析兩種,前者主要是對紋理組成的基元,對形成的結(jié)構(gòu)層面的紋理進行研究。后者主要是描述圖像屬性紋理特征的信息?,F(xiàn)如今,統(tǒng)計紋理分析在實踐中得到了廣泛的應用。
2 航拍數(shù)據(jù)的松材線蟲病區(qū)域的檢測結(jié)果
正常生長的植被通常能夠呈現(xiàn)出規(guī)則的光譜反射曲線,呈現(xiàn)出約0.52-0.6?m的綠光區(qū)反射峰,藍光和紅光分別約0.48?m和0.68?m且各有一吸收帶,進入0.75-1.3?m的近紅外區(qū)反射率急劇上升,反射峰比較鮮明,可以成為綠色植物的近紅外陡坡效應。各波段的反射值會受到所處生長環(huán)境、生長階段、植被類型等因素的影響,但是光譜曲線總體特征依然不會產(chǎn)生變化。病蟲害侵襲植物之后才會讓其出現(xiàn)一定的變動。植物遭受病蟲害通常會使植物內(nèi)部生理和外部形態(tài)產(chǎn)生變化。外部形態(tài)變化主要有卷葉和落葉兩種特征,病蟲害吞噬葉片幼芽,枝條枯萎,冠層形狀出現(xiàn)變化等。內(nèi)部生理變化主要是葉綠素組織被破壞,養(yǎng)分水分的轉(zhuǎn)化、運輸、吸收、光合作用等機能出現(xiàn)衰退。植物光譜輻射特征和反射的變化會受到生理或形態(tài)的變化而變化,遙感圖像的光譜值也會出現(xiàn)相應的變化。森林病蟲害遙感監(jiān)測主要將光譜特征上的變化來進行參考,通過這一參考與GPS、GIS和地面調(diào)查相結(jié)合,能夠?qū)ι植∠x害遙感監(jiān)測進行不同尺度的研究和分析。松材線蟲病檢測基于紋理特征和顯著性檢測相結(jié)合的基本步驟如下:
顯著性算法的運用能夠提取圖中紅外線和可見光的疑似病蟲害區(qū)域并進行校正。如圖1,圖2。
將地面病蟲害的情況已知區(qū)域中獲取的紅外圖像和可見光圖像——健康松樹區(qū)、病蟲害區(qū)類和其他地物區(qū)三類地物圖片區(qū)域的像素點進行隨機提取作為訓練樣本。分別提取三類像素點的紋理和顏色特征,獲得樣本特征向量。將提取的特征向量在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進行輸入和分類,進而對該區(qū)域進行細分,對病蟲害區(qū)域檢測的目的予以實現(xiàn)。如圖3,圖4。
將實際病蟲害區(qū)域與實驗檢測的區(qū)域的吻合度進行比照。能達到較為理想的效果,所以基于航拍數(shù)據(jù)的病蟲害檢測方法在實際檢測過程中比較適用。
3 結(jié)論與建議
3.1 結(jié)論
自七十年代運用航拍技術(shù)以來,其綜合性和宏觀性的特征
讓其在森林資源的動態(tài)變化和資源現(xiàn)狀的研究中得到了廣泛的應用,在病蟲害動態(tài)檢測領(lǐng)域的研究占比多,但是關(guān)于害蟲棲息環(huán)境的監(jiān)測研究較少。在實際檢測過程中,只有對生態(tài)影響因子受害蟲影響的變化進行掌握和了解才能夠有效的動態(tài)檢測和預測害蟲的危害情況。本文的研究主要是對馬尾松受害前后的空間分布格局進行對比,將遙感技術(shù)與數(shù)量生態(tài)學的相關(guān)知識相結(jié)合,更好的應用遙感手段的種群空間格局分析技術(shù)來解決相對復雜的病蟲害檢測和防治的現(xiàn)實問題。
3.2 建議
部分區(qū)域松材線蟲病具有感染面積較大和發(fā)病周期較長的特點,春節(jié)前后應當組織專業(yè)砍伐人員對大面積出現(xiàn)病樹和枯樹的松樹林進行全面徹底的清除,一并清除該區(qū)域內(nèi)的其他植物,進一步的降低寄生蟲感染源。松樹林出現(xiàn)嚴重的疫情就必須實施封山育林的措施,杜絕該病大幅度的傳播。對枯樹面積較小、整體面積較小和發(fā)病周期短的區(qū)域只需要采取清除病樹和枯樹就能夠有效減少病蟲的數(shù)量。同時還需要設(shè)置有效的防護帶,讓其傳播范圍得到有效的遏制。全部砍伐完染病區(qū)域的枯樹之后,采取化學方式(噴灑化學藥劑)對該區(qū)域進行處理,徹底清除松材線蟲及其幼蟲,連根砍伐的方式也能夠全面清除松材線蟲。我們還可以采取集中焚燒的方式來處理容易清理的枯樹。染病松樹砍伐之后出現(xiàn)天牛的情況,需要采取集中存放并利用藥物熏蒸的方式進行處理,如果未實現(xiàn)全面清理的,需要再次實施清理。在處理過程中,加熱處理方式的運用也比較普遍,必須保持60℃的熱處理溫度,為實現(xiàn)全面清理的情況就必須再次加熱處理一次。進而對存在的松材線蟲進行有效的消除。
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