基于遥感技术的松材线虫病诊断与监测研究进展

摘要  松材线虫病是松树的一种毁灭性流行病，主要通过松褐天牛等媒介传播。该病害具有传播速度快、范围广等特点，治理难度极大，严重破坏生态环境并造成巨大的经济损失。因此，对于松材线虫病的诊断和监测是生态文明建设背景下林业工作急需解决的问题。总结了松材线虫病的诊断方法，在此基础上，重点阐述了国内外利用遥感手段诊断松材线虫病的研究现状，系统分析了应用不同遥感平台对松材线虫病进行诊断和监测的技术方法，并深入分析了其中存在的主要问题。提出未来可以利用天空地一体化遥感综合平台获取数据，并通过建立基础数据库、远程视频监控系统、预警预报系统等来对松材线虫病进行诊断、监测和防治，以期最大程度遏制松林染疫，助力生态文明建设。

关键词  变色松树；松材线虫病；遥感监测；光谱特征

中图分类号  S771.8文献标识码  A

文章编号  0517-6611（2022）22-0011-04

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2022.22.003

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress in the Diagnosis and Monitoring of Bursaphelenchus xylophilus Based on Remote Sensing Techonolgy

SHU Min， ZHANG De-jing，XU Qian-ran et al

（School of Forestry and Landscape Architecture， Anhui Agricultural University， Hefei， Anhui 230000）

Abstract  Pinewood nematode disease is a devastating epidemic of pine trees， mainly transmitted by vectors such as pine brown longicorn beetle. The disease has the characteristics of rapid transmission and a wide range. It is challenging to control， which has seriously damaged the ecology and caused substantial economic losses. Therefore， the diagnosis and monitoring of pinewood nematode disease is an urgent problem in modern forestry work. This paper summarizes the diagnostic methods of pinewood nematode disease. This basis focuses on the research status of diagnosing pinewood nematode disease by remote sensing at home and abroad， systematically analyzing the technical methods of diagnosing and monitoring pinewood nematode disease using different remote sensing platforms， and examines the main problems profoundly.We propose obtaining data through the sky earth integrated remote sensing integrated platform and establishing a primary database， remote video monitoring system， and early warning and prediction system to diagnose， monitor， and control pinewood nematode disease. Through this， we hope to curb pine forest infection to the greatest extent and contribute to the construction of ecological civilization.

Key words  Discolored pine trees;Bursaphelenchus xylophilus;Remote sensing monitoring;Spectral characteristics

松材线虫病又称松树萎蔫病，是一种由入侵物种松材线虫（Bursaphelenchus xylophilus）引起的森林病害，该病毁灭性强，松树感染后40天即可死亡，3～5年即可毁灭一片松林，因此也被叫做松树的癌症［1-2］。松树患病后，症状表现为树脂分泌减少，蒸腾作用大幅下降，针叶逐渐变成红褐色或黄褐色，最终树脂停止分泌，导致植株干枯死亡［3］。松材线虫是一种常见的松材寄生虫害，该病害由北美开始传播，1970年在亚洲流行，1982年传入我国，并由此带来了巨大的经济损失［4-5］，同时也破坏了自然景观和生态环境，对松林资源构成严重威胁［6-7］。该病已被我国列入森林植物检疫对象。松材线虫主要以松褐天牛为传播媒介，在松褐天牛取食松树树皮补充养分时侵入松树的伤口，接着快速且大量地繁殖，继而导致松材线虫病的发生［8］。针对松材线虫病害，常用生物防治、化学防治、营林防治等方式进行防控，但是，该病致病力强，传播迅速，一旦发生将难以治理。因此，加强松材线虫病的检疫和监测力度是现代林业工作中急需解决的问题［9］。

松材线虫病传播范围广、发病速度快、治理难度大，在全国各地都普遍存在［10-12］。我国海拔1 000  m以下的地区广泛存在松材线虫，而且危害程度随着地区海拔的降低而增大。其中危害最为严重的是珠江三角洲和长江中下游地区，尤以长江中下游地区的危害更大；危害中等严重的是珠江中游、长江中游和中国中部高海拔及丘陵地区；而在云贵高原等海拔约1 000 m的地方仅局部发生，带来的危害相对较小［13］。南京中山陵首次发现外来的松材线虫，随后陆续传播至安徽、山东、浙江等地，并同时向四周扩散。30多年来，已先后蔓延至我国18个省和588个县级行政区［14-15］，造成数以亿计的松树被感染并随后枯萎，丰富的松林资源受到了巨大的威胁，由此也带来了上亿元的经济损失。作为外来物种，松材线虫表现出高生长速度、强大繁殖能力和快速蔓延能力等特点，其对环境具有较强的耐受性和适应性。一旦入侵，致使自然生态系统改变，生物地理分布的结构和功能也会发生变化，打破当地的生态平衡，严重破坏生物多样性［16］。松材线虫病也正入侵我国多个风景名胜区及生态功能区，对黄山、张家界等风景区的天然松林产生巨大的威胁，将给当地的生态旅游业带来难以估量的经济损失［7］。尽管近年来我国投入了大量的人力、物力、财力进行严格的管理和控制，但是目前仍未形成一套成熟有效的防治措施，在发病早期也未能提前精准监测。

1 松材线虫病的诊断方法

1.1 传统方法

早期诊断松材线虫病是清除侵染源和控制传播途径至关重要的环节，可以从林间枯死木、活立木、原木3个方面来进行诊断［17］。

林间枯死木可以通过观察法进行诊断。感病松树的针叶从基部开始萎蔫，针叶变红不脱落，直至枯死［10］。松树感病后树脂分泌减少或停止［18-19］，树干截面的木质部多有蓝变现象［20-21］。该方法适于普查林间病害，但缺乏准确性。

活立木的诊断包括流胶法和化学法。运用三级流胶诊断松材线虫病具有一定的可靠性，流胶观察的指标需要根据实际情况而定。可通过树脂酸异构化和乙醚抽提物量来粗略定性判断感染情况［22］。

对于可直接观察的原木，在树干解析后可以直接判断。无法直接观察得出诊断结果的原木，常用指示剂显色法［22］进一步定性检验。pH的变化应考虑生物学与生态学特性［19］，因此，特异性地选择指示剂和显色标准仍需继续研究。

1.2 遥感诊断方法

传统方法存在着时间上的滞后性、空间上的局限性、标准上的歧义性，以及耗费巨大的人、物、财力等不足。遥感手段则具有探测广、更新快、穿透力强等优势，可以弥补传统方法的缺点。松树被松材线虫感染后，内部光合生理参数发生改变，由此引发外部特征显著症状变化，包括明显的针叶变色和松脂变少，其中，遥感图像光谱值参数的差异性可为变色的疫木遥感监测提供基础。疫木的这些变化会导致其在不同病感阶段冠层光谱反射率有明显差异，设置不同波段的传感器能捕捉到相应的重要信息［23］。

1.2.1 航天遥感。

航天遥感是以人造小卫星、航天飞机、火箭、宇宙飞船等航天飞行器为主，分布于大气层外部的飞行器平台［24-25］。卫星遥感是当前林业使用最广泛的数据源，国外20世纪30年代首次开展了森林病虫害遥感监测方面的航空试验，但是，成本昂贵的卫星监测制约了20世纪国内的发展速度。随着我国信息技术和航天航空技术的迅猛发展，变色松树的监测取得进一步突破。近年来，多型星载激光遥感在技术上的突破和应用，为国内林业有害生物监测提供了有效的数据源［26］。星载激光雷达系统也在监测林冠高度变化方面具有示范性意义，并能获得精确的森林结构信息［27-28］。Kaiser［29］利用陆地卫星TM数据研究海岸线和土地覆盖的变化，将航天遥感的尺度性凸显出来。染病松树的内部光和生理参数的变化会引起相应光谱改变，并反应在遥感图像上。但是，大范围监测松材线虫病害使用的影像分辨率较低，且受气候、地形地貌等因素影响，精度难以达到规定的技术要求［30］。高空间分辨率遥感数据对于监测群树的病虫害效果较好，在识别单株变色松树方面还存在误差和难度。因而，难以构建多源空间数据立体可视图［31］，航天遥感技术更适宜宏观调控和数据收集。

1.2.2 航空遥感。

航空遥感是一种运载工具搭载传感器模式的多功能综合性探测技术，运载工具包括飞机、飞艇、气球等［32］。目前，无人机遥感技术在林业中的应用已成为一种趋势，不仅可在短时间内收集高分辨率数据［33］，并且有望与人工智能结合［34］诊断松材线虫病害。此手段可以快速、准确找到感染树木的空间分布，使前期的普查工作更具时效性［35］。此外，如何提高染病树木的定位精度也是一个需要探索的问题。徐信罗等［36］将无人机遥感与目标检测算法结合，提高了受害木的精确定位效果。Syifa等［37］利用采集到的无人机图像制作了一份土地覆盖（land cover，LC）图，并使用支持向量机（support vector machine， SVM）和人工神经网络（artificial neural network，ANN）2种方法进行分类，发现SVM区分感染树木精确度高于ANN。胡馨月等［38］利用Mean Shift算法充分挖掘无人机图像，有效地获取单木信息。Nansen等［39］提出，在机载遥感应用中，太阳高度角、云量、大气成分日变化和季节性变化等对获取高质量的机载遥感数据存在相当大的挑战，也对虫害的识别精度造成了一定影响。而Essery等［40］也提到了森林冠层下的太阳辐射可能具有较大的空间变化，从而影响科罗拉多州的黑松树林中树的位置、高度和冠幅的航空摄影和机载激光扫描图像。且无人机在续航时间、载荷大小等方面存在明显的限制，急需得到校正和优化［41］。

1.2.3 地面遥感。

地面遥感是各种移动终端传感器支撑平台的统称，既能测量各种地物波谱，也能探测和采集地物目标信息。随着我国自主研发的北斗等全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）服务的应用，基于此信号的移动终端设备更新速度较快。这种实时定位的地面遥感广泛应用于林业数据源的获取与分析中，并为松材线虫的监测提供技术支持［42］。该方法具有范围小、活动性高的特点，在松材线虫的诊断中常作为人工辅助手段进行精细化实地定位核查。