武红敢王晗常原飞王成波

(1.中国林业科学研究院资源信息研究所，北京 100091；2.中国科学院空天信息创新研究院，北京 100101)

我国于1982年首次在南京中山陵发现松材线虫病，38年来全国因该病害损失的松树累计达数亿株，造成的直接经济损失和生态服务价值损失上千亿元[1]。目前，该病害已经在我国18个省(直辖市、自治区)的666个县级行政区发生[2]，且呈现向西南和东北主要生态林区扩散态势，最西端达四川省凉山州，最北端波及辽宁北部多个县区，特别是已入侵多个国家级风景名胜区和重点生态区域。危害树种也由马尾松Pinus massoniana、黑松Pinus thunbergii扩展到红松Pinus koraiensis、落叶松Larixspp.等多种针叶树，当前松材线虫病疫情直接威胁我国近6000万hm2松林资源的安全，给生态平衡造成重要影响[3]。国家曾制定过《松材线虫普查监测技术规程(GB/T 23478—2009)》和《松材线虫病监测办法》等测报办法，旨在规范松材线虫病防控技术、强化监督管理、遏制疫情扩散蔓延。安徽、浙江、福建和广东等省根据多年防治经验，也及时总结和出台过众多地方标准，以规范松材线虫病监测和防治的操作技术[4-8]。几十年来从中央到地方都高度重视松材线虫病防控，不断强调疫情监测调查是整个防控工作的重要基础。如果不能及时发现疫情并全面掌握发生危害程度，就会错失防治窗口期，也无法实现精准防控。

近年来各级管理机构非常重视遥感技术在松材线虫病监测中的应用，如2019年湖北、山东、江西等省都专项开展对枯死松树的天、空或地等多尺度遥感监测业务，但仍局限于应急应用，只有构建起天空地协同的遥感监测技术体系，“定向组合拳”才能发挥其整体优势。

1 松材线虫病疫情监测与管理

1.1 监测调查内容和要求 根据现有技术规程，各地必须在每年秋季的8—10月对本行政区域的松林进行全面普查，翌年春季的3—6月再进行重点抽查或普查，若发现病死松树要及时做好取样、分离、鉴定工作[9]。通过踏查和详查需要获取感病株数、枯死株数、枯死原因初步分析、媒介昆虫危害情况等专题信息，以及小班号、小班面积、蓄积及立地环境等林分信息。对于发现的新疫情和疫点，按规定以省(区、市)为单位上报国家林业和草原局，国家级中心测报点应通过直报系统上报国家林业和草原局。

1.2 管理职责 新修订的《中华人民共和国森林法》第四条明确规定，国家实行森林资源保护发展目标责任制和考核评价制度[10]。根据《全国检疫性林业有害生物疫区管理办法》(林造发〔2018〕64号)和《松材线虫病疫区和疫木管理办法》(林生发〔2018〕117号)以及《松材线虫病生态灾害督办追责办法》等有关规定，松材线虫为重大林业有害生物，其造成的灾害属于生态灾害，疫情防治需实行地方各级政府行政领导负责制，松材线虫病疫情管理信息流见图1。

图1 松材线虫病疫情管理信息流Fig.1 Information management flowchart of pine wilt disease

2 遥感和空间分析技术

遥感是运用现代化的平台工具和传感器，从远距离获取目标物体电磁波特性，通过该信息的传输、贮存、处理、识别目标物体，最终掌握目标地物的时间、位置、性质和数量等特征。根据工作平台的差异可以把遥感划分为航天、航空和地面遥感三类。

2.1 航天遥感 在地球大气层以外的宇宙空间，以人造卫星、航天飞机等航天飞行器为平台的遥感称之为航天遥感(或太空遥感)。它是一门综合性的科学技术，包括研究各种地物的电磁波波谱特性，研制各种遥感器，研究遥感信息记录、传输、接收、处理方法以及分析、解译和应用技术[11]。目前商业化运行的光学遥感卫星空间分辨率已经达到亚米级，如2016年发射的美国WorldView-3卫星能够提供0.3 m分辨率的高清晰地面图像。近年来，随着空间技术快速发展，我国卫星遥感技术也迈入了亚米级时代，高分2号卫星(GF-2)和北京2号卫星全色谱段星下点空间分辨率都达到0.8 m[12-13]，高景卫星全色谱段星下点空间分辨率达到0.5 m[14]。实践证明，服务于松材线虫病疫木监测的卫星遥感数据空间分辨率应优于1.0 m。

2.2 航空遥感 是指利用有人机、无人机、飞艇等作为传感器运载工具在空中进行的遥感技术，在林业应用中具有图像分辨率高、受地面条件限制少、调查周期短、测量精度高以及数据获取方便等特点，特别适合于局部区域的森林资源监测和管理[15]。不足之处是航空平台的飞行高度和续航时间有限，只适合小范围应用，而且受天气和飞行姿态影响较大，成本也较高。目前在林业生物灾害监测管理中主要以光学传感器为主，服务于松材线虫病疫木标定作业的航空遥感数据空间分辨率需优于10 cm。

2.3 地面遥感 指传感器设置在车、船、手提、固定或活动高架平台等地面平台上[15]，与航天和航空的高大上不同，广义的地面遥感技术如近景摄影测量[16]已为大众熟悉。随着我国北斗等全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)技术的发展，移动终端等集成设备日益更新，以及物联网技术的完善，实时、定位、定量、连续等地面遥感图像数据获取和分析技术已经广泛应用于林业行业，完全可以成为松材线虫病病死树监测管理的重要支撑手段。

2.4 空间分析技术 地理空间数据库是空间分析赖以实施的基础条件，其运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析，代数运算等数学手段，最终目的是解决人们所涉及到地理空间的实际问题，提取和传输地理空间信息，特别是隐含信息，以辅助决策[17]。在我国现有森林资源包括林业有害生物数据的管理中，小班是最基本单元，所有专题调查数据的统计分析都是基于森林资源规划设计调查数据，因此小班数据库也是松材线虫病监测管理的重要支撑数据，必须运用空间分析技术实现松材线虫病空间数据库的建立、分析和决策支持。

3 松材线虫病疫情监测技术流程

3.1 遥感监测基本原理 松树感染松材线虫病后，外部症状变化非常明显，即先是针叶失水、褪绿，继而变褐，而后整株枯死，针叶呈红黄色或红褐色。寄主植物的这些变化会引起可见光、近红外和中红外波段反射率的异常，即设置这些波段的传感器会捕捉到这些重要信息。

3.2 技术流程 松材线虫病监测调查技术流程见图2。基于症状学(松树针叶变红的外部症状)的枯死松树踏查仅是松材线虫病疫情调查的第1步，之后还需经过抽样、取样、分离、鉴定、统计报告等步骤，每个环节都需要现代技术支持。遥感技术应用于松材线虫病监测主要是及时发现生长异常的林木，导致异常的具体原因需地面核实与分析。换句话说，遥感技术不可能服务于松材线虫病普查(或调查)的全流程，但它可快速、宏观获取红叶林木(或染病松树)的分布状况，对于提高踏查工作效率和监测覆盖率具有重要作用，可为后续详查、疫情确定提供科学依据。具体讲，遥感技术是林木异常生长状态信息的采集手段，而时空分析技术是松材线虫病分布等统计分析和制定防控决策的支撑手段。

图2 松材线虫病监测调查技术流程Fig.2 Technical flowchart of pine wilt disease monitoring

4 枯死松树的天空地协同监测技术及其体系

4.1 基于卫星遥感数据的宏观评估 1999年9月IKONOS卫星的成功发射，拉开高空间分辨率航天遥感应用的序幕，精准林业应运而生，受害林木监测一直是研究热点之一。运用优于1.0 m的多光谱卫星遥感数据，可以较好地辨识树冠失色、失叶和死亡，并发展了面向对象的分割分类模型和方法，辅助机载激光雷达数据提供的树冠顶部位置信息，还可确定危害林木株数。但现阶段高空间分辨率光学商业遥感卫星数据只适宜树丛级(或大树)灾害的监测，难以完全胜任所有单株枯死松树的定量监测任务[18-20]。目前虽然有数颗0.3～0.5 m分辨率的在轨商业卫星，因数据价格昂贵和数据现势性等众多因素所限，我国更多采用国产亚米级 GF-2和BJ-2卫星数据开展松材线虫病疫木的遥感监测；其几何和辐射性能指标也基本可以满足树冠直径5 m以上大树(或树丛)的识别，只是针叶的红色症状必须典型，对于只有局部症状(黄叶或橙叶)的染病初期或中期松树灵敏度有限。由于侧摆或观测角的变化，像元大小和空间分辨率常常会不一致，只有空间分辨率真正优于1 m的数据才能保证监测的精确度。鉴于卫星遥感具有大覆盖且处理技术复杂和专业性强的特点，故该项技术更适合于宏观监管与评估，可为指导松材线虫病防治提供科学依据，是国家、省级政府管理机构实施监管督查和科学指导的有效技术支撑手段。

4.2 基于无人机遥感数据的区域精细监测 近几年，无人机制造技术的发展极大振兴了航空遥感事业，为单木级森林资源特征的获取和调查带来希望。传感器也由初期的三通道彩色相机逐步向多光谱、高光谱、激光雷达的集成发展，用无人机多光谱(蓝、绿、红、红边、近红外)图像，基于生理胁迫遥感监测模型，可以标定失叶或失色的亚健康单株林木，红边和近红外通道还可感知林木早期生理胁迫。且当危害蔓延到树丛(4株以上)或成片时，卫星和无人机平台的遥感分类结果一致[21-23]。因此无人机遥感技术特别适宜于郁闭度较高且林下植被简单区域的单木特征提取[24]。近年来国内单木级精准林木管理发展很快[25]，优于10 cm的超高分辨率航空遥感数据不仅可以满足树冠直径2 m以上变色松树的识别(含定位)，还能初步实现株数计量，为制定除治规划提供坚实数据保障。这一技术是县级管理机构标定枯死松树位置、测算枯死树数量、精准掌握局地枯死树分布的有效手段，也可作为核定松树枯死木清除工程量、监察枯死木清除任务完成情况、申报除治项目预算的依据之一。现阶段宜采用固定翼或复合翼无人机平台开展面状区域精细监测，平民化无人机平台只能满足样地级别的抽样监测。

4.3 基于地面遥感技术的现势性数据收集 利用传感设备和智能终端，可以使林业系统中的森林、湿地、沙地、野生动植物等林业资源实现相互感知，改变以往“人为主体、林业资源为客体”的局面，实现林业客体主体化[26]。近年来，多业务或单业务巡护平台层出不穷[27-28]，并在各地得到广泛应用，其中图像数据是事件记录的主要形式和内容。移动智能终端的飞速发展为地面单木生长状态等实况数据的采集提供科学手段，现通用移动终端设备的前置摄像头分辨率已经达到1 300万像素以上，且都集成了GNSS和通信模块，可实现位置、时间的自动采集以及图像信息的准实时传输，是松材线虫病疫木踏查、核查、取证、跟踪除治等工作过程数据实时采集和准实时共享的重要技术保障。目前，地面遥感技术虽然对提高疫情监测工效的作用还难以体现，但智能加持和物联网赋能，实现人过留痕，对保证数据的科学精准采集意义重大，相信随着这些大数据的积累终会产生极大社会效益。

4.4 天空地协同的遥感监测技术体系 松材线虫病疫情监测调查是一个系统工程，如果踏查(高效、高质、快速、全覆盖完成辖区内枯死松树标定)、抽样、取样、检测等所有环节都能科学高效，将为制定除治方案、控制疫情乃至拔除疫点赢得主动。

图3展示了天(国家、省)空(地市、县)地(县、乡镇)遥感监测技术路线及其服务目标，三者相辅相成，协同助力松材线虫病的监测调查工作。

图3 枯死松树遥感协同监测技术路线Fig.3 Technical process of dead pine through synergy observation of spaceborne，airborne，and ground remote sensing

5 结语

航天、航空和地面遥感是空间信息技术的重要组成部分，也是智慧林业建设的重要技术支撑，在林木精准管理中有着举足轻重的作用。但是任何先进技术都有其适用范围和自身局限性，必须与传统手段有机结合，扬长避短、实现优势互补，才能发挥其在林业有害生物管理中的作用。引进遥感技术并不是以取代原有松材线虫病普查技术体系为目标，宗旨是充分挖掘和协同各级职责实现松材线虫病监测调查的全覆盖和高时效。天、空、地三者是相辅相成、相互依存、互为补充的关系，遥感数据获取具有瞬时性，而松材线虫罹病木外部症状显现又有差异性和动态性特点，因此选择最佳时间窗口期开展遥感监测极其重要。

枯死松树的高效、全覆盖和及时监测是松材线虫病疫情防控的基础，只有综合应用天空地一体、上下协同、信息共享的监测手段，基于数据挖掘、数据融合、数据协同和数据同化等关键技术[29]，逐步建立起具有准确监测数据支持的技术体系，才能全面掌握松材线虫病发生现状及发展趋势，真正为综合防控等提供科学依据，从而彻底扭转松材线虫病防治能力与生态文明建设不相适应的被动局面。

志谢：安徽省林业有害生物防治检疫局蒋丽雅教授级高工认真审阅了全文并提出许多宝贵意见，借此表示衷心感谢!