林 強

(福建省林業(yè)有害生物防治檢疫局，福建 福州 350003)

福建省林業(yè)有害生物災(zāi)害航空監(jiān)測作業(yè)設(shè)計與效果評估系統(tǒng)

林 強

(福建省林業(yè)有害生物防治檢疫局，福建 福州 350003)

基于RS、GPS、GIS技術(shù)，研發(fā)了作業(yè)區(qū)規(guī)劃、航線自動設(shè)計、作業(yè)效果評估等生產(chǎn)實用技術(shù)方案及軟件系統(tǒng)；集成了一套與輕型飛機相匹配的航空錄像監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)航空作業(yè)的科學(xué)化和規(guī)范化，極大地提高了工效，降低了成本.

林業(yè)有害生物; GIS; GPS; 航線設(shè)計; 效果評估

福建是林業(yè)有害生物災(zāi)害頻發(fā)省份之一[1-3].采用人工地面調(diào)查方法，難以及時、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)災(zāi)害并加以控制，從而貽誤了最佳的防治時機.采用先進的監(jiān)測技術(shù)，全面提升對災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警能力，才能有效控制林業(yè)有害生物災(zāi)害的擴散和蔓延.而航空監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，可大幅提高災(zāi)害監(jiān)測的時效性與準(zhǔn)確性[4-5].本研究基于對此類災(zāi)害監(jiān)測的實際需要，利用RS、GPS、GIS技術(shù)，集成了一套與輕型飛機相匹配的航空監(jiān)測技術(shù)，同時研發(fā)了一套用于災(zāi)害監(jiān)測的作業(yè)區(qū)規(guī)劃設(shè)計、航線自動設(shè)計、作業(yè)效果評估等生產(chǎn)實用技術(shù)，旨在提升災(zāi)害監(jiān)測效率、降低成本，以及實現(xiàn)管理的科學(xué)化和規(guī)范化.

1 材料與方法

1.1 航空監(jiān)測硬件設(shè)備

航空監(jiān)測主要由數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、地面核查系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中硬件設(shè)備主要在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，這部分的相關(guān)硬件主要有“海燕650C”輕型飛機(空機重量530 kg，最大載重370 kg)、數(shù)據(jù)攝像機、監(jiān)視器、圖像捕捉卡、導(dǎo)航GPS接收機、定位GPS接收機、飛行姿態(tài)儀、時間碼合成器、解碼器、高性能計算機、直流和交流電源適配器、電源接線盒等.同時將各類硬件設(shè)備的供電系統(tǒng)、使用程序等實施了改造與集成，以提高原設(shè)備應(yīng)用的穩(wěn)定性和實用性.

1.2 技術(shù)原理與流程

當(dāng)植物葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)與內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生非正常變化(如失葉、葉片變形、葉綠素含量變化以及葉片上產(chǎn)生殘留物等)時，其光譜反射率會表現(xiàn)出異常；根據(jù)出現(xiàn)的異常情況，在數(shù)字圖像上會有點狀或片狀的影像;通過對影像的分類處理與分析，可實現(xiàn)對災(zāi)害點或災(zāi)害區(qū)的監(jiān)測.

圖1 系統(tǒng)工作流程Fig.1 System workflow

航空監(jiān)測技術(shù)流程一般分為3個步驟：首先，為了能準(zhǔn)確覆蓋整個作業(yè)區(qū)域，需要針對目標(biāo)作業(yè)區(qū)進行航線設(shè)計；其次是進行航空錄像監(jiān)測；最后，將飛行的航跡數(shù)據(jù)與目標(biāo)區(qū)域進行疊加，進行飛行效果評估，并根據(jù)是否有遺漏區(qū)域的評估結(jié)果決定是否需要進行補充作業(yè).上述各模塊采用Visual C++6.0軟件和開源軟件LibGeoTiff研發(fā)，具體工作流程見圖1.

2 結(jié)果與分析

2.1 基于電子地圖的作業(yè)區(qū)規(guī)劃

本模塊主要是利用數(shù)字柵格地圖，通過人工交互的方式設(shè)定作業(yè)區(qū)域范圍，系統(tǒng)將自動讀取各個頂點的直角坐標(biāo)，生成閉合的作業(yè)區(qū)多邊形；并在指定作業(yè)方位角和起始位置后輸出文本文件供航線設(shè)計使用.作業(yè)區(qū)規(guī)劃模塊采用Visual C++6.0開發(fā)，界面如圖2所示.

上述過程的核心是讀取圖像文件.TIFF (Tag Image file format) 圖像文件是圖形圖像處理中常用的格式之一，但是純TIFF 格式的圖像文件是難以存儲圖像所在的坐標(biāo)系、比例尺等地理編碼信息，因此在本文中采用GeoTIFF格式.GeoTIFF作為TIFF 的一種擴展,在TIFF 的基礎(chǔ)上定義了一些地理標(biāo)簽(GeoTag)，使圖像數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)存儲在同一圖像文件中.本文采用開源軟件LibGeoTiff實現(xiàn)GeoTIFF文件的讀寫操作.在使用該庫時，通過XTIFFOpen()函數(shù)打開1個TIFF文件，利用GTIFNew()函數(shù)來創(chuàng)建1個GeoTIFF文件句柄，利用GTIFKeyGet()/GTIFKeySet()函數(shù)讀寫每一個地理標(biāo)簽的鍵值(GeoKey)，利用XTIFFClose()函數(shù)用來關(guān)閉TIFF文件.

圖2 基于電子地圖的作業(yè)區(qū)規(guī)劃Fig.2 Work area planning based on digital map

2.2 航線自動設(shè)計

航線設(shè)計主要是為飛行作業(yè)設(shè)計等間距的航線，以便能準(zhǔn)確覆蓋整個作業(yè)區(qū)域，并且不會有過多的重疊或遺漏.圖3為在Visual C++6.0平臺上開發(fā)的航線自動設(shè)計界面圖.在應(yīng)用該模塊設(shè)計航線時，首先要輸入規(guī)劃好的多邊形作業(yè)區(qū)各頂點的坐標(biāo)(可以是經(jīng)緯度坐標(biāo)，也可以是北京54直角坐標(biāo)或WGS84直角坐標(biāo))；其次，還要輸入航線之間的間距(m)；此外，在航線的開始還要預(yù)留一定的準(zhǔn)備距離(m).航線的類型通常有多種，一般可以根據(jù)地形等條件進行選擇，但盡量優(yōu)選往返作業(yè)方式；航向可以沿著與最大邊平行的方向，也可以沿著指定的角度.航線的轉(zhuǎn)角方向(向左或向右)也必須確定.向左轉(zhuǎn)角時飛行作業(yè)是從右下角開始，向右轉(zhuǎn)角時飛行作業(yè)是從左上角開始.設(shè)置好了上述參數(shù)，系統(tǒng)就可根據(jù)矢量算法自動設(shè)計出覆蓋整個區(qū)域的所有航線，設(shè)計好的航線可以通過本模塊直接上傳到飛機上的GPS中，供飛行作業(yè)導(dǎo)航使用(圖4).

圖3 航線設(shè)計模塊參數(shù)輸入界面Fig.3 Interface of route design圖4 航線設(shè)計結(jié)果Fig.4 Result of route design

2.3 飛行作業(yè)評估

在飛行作業(yè)過程，需要掌握航空監(jiān)測實際作業(yè)效果.如果航空監(jiān)測基本上覆蓋了整個作業(yè)區(qū)域，就達(dá)到了監(jiān)測的目的；如果遺漏的區(qū)域比較大，災(zāi)害的監(jiān)測就不夠全面，就需要進行補充作業(yè).

圖5 飛行作業(yè)評估Fig.5 Flight operations evaluation

圖6 基于林相圖的災(zāi)害區(qū)分布圖Fig.6 Disaster distribution map

在GPS記錄的航跡數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用地理信息系統(tǒng)，采用矢量空間運算的方法開發(fā)了飛行作業(yè)評估模塊.該模塊與作業(yè)區(qū)規(guī)劃模塊集成在一起，統(tǒng)一采用Visual C++6.0平臺開發(fā)，界面如圖5所示.在圖5中，系統(tǒng)對實際的飛行航跡做緩沖區(qū)分析，得出飛行作業(yè)有效范圍(灰色條帶區(qū)域)，并在電子地圖上疊加顯示出來.在GIS技術(shù)的輔助下，重疊區(qū)域(紫色)和遺漏區(qū)域(綠色)能夠一目了然地辨別出來，用戶能夠得到空間可視化的直觀評估結(jié)果.上述過程的核心是對緩沖區(qū)分析的結(jié)果進行多邊形求交.為了實現(xiàn)該算法，本文采用my_polygon、my_vertex_list以及my_vertex 3個結(jié)構(gòu)體分別來存儲多邊形、多邊形邊界以及頂點.

在上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，定義了my_polygon_clip(my_polygon *subject_polygon, gpc_polygon *clip_polygon, gpc_polygon *result)多邊形求交算法，3個參數(shù)分別代表原多邊形、目標(biāo)多邊形和結(jié)果多邊形.通過結(jié)果多邊形確定航跡緩沖區(qū)的重疊區(qū)域和遺漏區(qū)域，并采用不同顏色表示.

2.4 災(zāi)害區(qū)(點)的地面核查復(fù)位精度評估

從航空監(jiān)測錄像中取出相關(guān)幀的圖像，經(jīng)過解譯和定位，可以在數(shù)字林相圖上生成片狀的災(zāi)害區(qū)域(圖6)和點狀的災(zāi)害點，也可以輸出面狀區(qū)域內(nèi)點的位置，以供處理，其數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)文本文件；還可以直接輸出點狀文件的位置坐標(biāo)值(表1)，用于后續(xù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與地面調(diào)查.

表1 變色立木分布位置數(shù)據(jù)Table 1 Location of discoloration tree

表1為沙縣境內(nèi)航測的19個災(zāi)害點(變色立木)分布位置，通過對19個災(zāi)害點的地面核查，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)找到了對應(yīng)的19株被害木，并明確了枯死立木的原因，即病蟲害、干旱、過度采脂等.結(jié)果表明，GPS顯示的導(dǎo)航距離位置都小于50 m，基本滿足林業(yè)災(zāi)害點的監(jiān)測需求.災(zāi)害區(qū)的地面核查方法與災(zāi)害點相同.

在松材線蟲病等少數(shù)森林病蟲造成的點狀災(zāi)害監(jiān)測時，在災(zāi)害點的判讀上，會受到一些林木葉色周期性變化的干擾.尤其混交林中，一些闊葉樹的葉子隨季節(jié)的變化其葉綠素的形成、枯萎或消失呈周期性變化.當(dāng)葉綠素的變化與受害樹木表現(xiàn)出的典型癥狀(紅色)一致時，對松材線蟲病等單株立木災(zāi)害的判讀會產(chǎn)生較大干擾，但這些干擾可以通過物候研究和綜合分析予以剔除，因此，混交林災(zāi)害的最佳航測時間是在秋季樹葉變色前.但在純林區(qū)域，監(jiān)測時間不受制約.

3 討論

(1)本研究基于“3S“技術(shù)，集成一套應(yīng)用輕型飛機航空錄象監(jiān)測技術(shù)，研發(fā)了作業(yè)設(shè)計與效果評估系統(tǒng)，實現(xiàn)作業(yè)區(qū)規(guī)劃與飛行航線的自動設(shè)計、GPS數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)實時轉(zhuǎn)換與GIS的無縫連接，為飛行作業(yè)快速評估提供技術(shù)支撐.

(2)通過GPS導(dǎo)航，對災(zāi)害點(區(qū))實施地面核查，結(jié)果表明，航測顯示的災(zāi)害點與實際災(zāi)害點的位置偏離小于50 m，基本滿足林業(yè)生產(chǎn)對災(zāi)害監(jiān)測的需求.

(3)遙感監(jiān)測結(jié)果顯示的是森林的健康狀況或災(zāi)害情況，不可能獲取準(zhǔn)確的蟲情或病情(即災(zāi)害的原因)等信息，因此，航空遙感技術(shù)服務(wù)于森林病蟲災(zāi)害的監(jiān)測與管理并不意味著取消全部的地面調(diào)查工作，它應(yīng)與地面調(diào)查相輔相成，才能在實際生產(chǎn)中發(fā)揮出應(yīng)有的作用.

(4)森林病蟲害輕型飛機航空監(jiān)測技術(shù)具有實時、精確、高效等眾多優(yōu)勢，但其全面推廣應(yīng)用往往要觸及某些傳統(tǒng)的管理方式，包括對人力資源的要求也非常高，因此，必須進一步加強森林病蟲災(zāi)害信息管理的規(guī)范化工作，并制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，才能確保新技術(shù)在更大的范圍內(nèi)推廣應(yīng)用.

致謝：感謝中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所常原飛博士在GIS方面提供的技術(shù)支持.

[1] 朱學(xué)平,何東進,洪偉,等.福建主要森林災(zāi)害統(tǒng)計特征及其對林業(yè)的影響分析[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,39(2):23-27

[2] 黃炳榮.福建省重大森林病蟲災(zāi)害及應(yīng)急管理對策[J].福建林業(yè)科技,2007,34(4):181-184.

[3] 王玲萍.福建省森林病蟲普查情況及防控對策[J].林業(yè)勘察設(shè)計(福建),2007(1):70-73.

[4] 武紅敢,吳堅,王福貴，等.全球定位系統(tǒng)(GPS)在林業(yè)導(dǎo)航中的試驗研究[J].林業(yè)科學(xué),1999,35(4):122-124.

[5] 武紅敢,薛振南,石進.森林病蟲災(zāi)害的航空錄像監(jiān)測技術(shù)[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2004,19(1):10-14.

(責(zé)任編輯:葉濟蓉)

Route design and impact assessment system for forestpest aviation monitoring in Fujian Province

LIN Qiang

(Provincial Station of Forest Pest Control and Quarantine of Fujian, Fuzhou, Fujian 350003, China)

In order to improve the efficiency of forest pest aviation monitoring, a set of technical solutions were put forward including flight operations area planning, route design, effectiveness assessment based on RS, GPS and GIS technologies, and corresponding software system was also designed. It was suggested that the modernization and standardization of aviation monitoring greatly increased work efficiency, and production costs were also reduced.

forest pest; GIS; GPS; route design; impact assessment

2014-02-25

2014-11-15

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項資助項目(201304401)；福建省科技廳重點資助項目(2003N039).

林強(1962-)，男，高級工程師.研究方向：森林保護學(xué).Email:fjcbk@126.com.

S431.9

A

1671-5470(2015)02-0165-04

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2015.02.010