松材线虫病监测的新技术研究

李博 周先进 刘伟

摘要：该文讨论对松材线虫入侵的马尾松动态变化情况的监测中使用的新方法，以重庆市北碚区为例进行样方的选择、监控、外业数据采集、内业数据分析等。对样方影像的数据分析、面积动态变化对比分析、病害感染前后对比分析。最终得出监测前后病害的动态变化，分析原因。在研究中采用GIS、DEM等新技术、新手段，比起传统的调查监测更省时省力，精度更高。

关键词：松材线虫 马尾松 调查监测 对比分析

中图分类号：S763文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2022）06（a）-0000-00

1松材线虫病概述

松材线虫能引起松材线虫病，亦称松树萎蔫病或松树枯萎病（Pinewitldiease）。是一种毁灭性的流行疾病，这种病害的蔓延主要通过墨天牛属（Monochnalus）的几个种传播得以实现。感染的松树萎蔫病对日本、韩国、葡萄牙和中国的局部地区的松树造成较为严重的危害，日本受害最重;对美国、加拿大和墨西哥，主要影响其木材及木削片的出口[1]。在中国，松褐天牛是松材线虫的关键传媒，主要的寄生树种是赤松、黑松、马尾松、黄松、白皮松等松属植物[2]。

重庆市北碚区是此次研究的主要地点，马尾松分布较多，在过去几年中有一定的松材线虫病害，经过近10年的调查，重庆市北碚区已经对松材线虫的起源、发生、发展有了很充分的了解，积累了大量有关松材线虫以及松褐天牛的文字资料、图片资料和影像资料，在林业局中作为重要的文献资料进行存档备查。

松材线虫病的发生是突发性的，发生之前没有征兆，一旦发生致病力很强，马尾松死亡的速度快，传播快，因此对待松材线虫病和松褐天牛的态度应该是极为重视的，如果不采取强有力的处置措施，势必会在大范围的入侵其他林区，造成泛滥成灾。生物学特性是松材线虫病形成和大范围传播的生物学基础，环境因子是松材线虫病的生态学基础，人类的活动则直接或间接地影响病害的扩散速度和发生规模。为了防治松材线虫病的发生和蔓延，同时减轻病害所带来的损失，就必须对它的发生和发展情况有充分的了解，同时对它的蔓延做有效的控制和管理。

近年来人类的社会活动对松材线虫病产生了一定的影响，木材被砍伐后制作成木制品、家具，包装材料等运输至全国各地，木材中存在的松材线虫卵也跟随运输到达了全国各地。城市是木材使用的集中地，根据近年来的发病趋势看，松材线虫病经常首先在城市周边发生，例如我国首次发现就是在南京附近。重庆市北碚区作为重庆的主城区，也是较早发病的位置之一。在松材线虫的防治过程中，清理生病树木不完全、不彻底、不及时、管理不到为等，更加促成了病虫害的发展和扩散。

2 研究对象及方法

2.1研究对象

以松材线虫病入侵的马尾松种群为研究对象，只针对我国境内的松材线虫病发病情况，以重庆市北碚区为例。

2.2研究方法

实地调查，选择具有不同典型特征的林地生态系统划定样本，通过GPS进行数据野外数据采集，建立数字高程模型并进行病虫害动态监测遥感数据预分析、受松材线虫影响的病死树数量及面积变化，感染前后的差异等方面进行对比论证。在小范围内建立起一套全面、完整的调查监测系统，通过对点、面、时间、空间、温度、湿度等多项指标的全面监测，分析数据、遥感图像、判读像素点、感染区域面积动态变化分析、病害感染前后对比分析等方式得出实验数据，并对实验数据进行数字化入库、对比分析，最终得出结论。采样周期为一个自然年度。

3 样本的取得和处理

3.1 林场实地调查

从北碚区现有林场的立地条件、生态系统结构和功能等方面入手，与松材线虫病发生发展的关系相结合进行研究，采用样方选择的方式，加入自然因子和人为干预因子，结合实际情况，选择具有不同特性的典型林地生态系统作为抽取的样方。样方应选择相对较为封闭的环境，尽量避开宅基地、道路、耕地周边等人类活动较为频繁的位置、避开水边湿度较大的位置、避开背阴坡光线不好的位置。样方的面积一般不小于0.9亩，实际选择的样方尽量选择完成的小班。

对样方开展调查，包括优势树种、林分起源、林龄、病死株数、样方的地形条件、地貌条件、土壤、郁闭度、受病虫害的年限、人为干扰因素、受害林木定位、幼树、下木调查、生物资源调查。最终选择4处作为此次研究的样方：1号，观音峡林场;2号，嘉华林场;3号，施家梁镇;4号，天府镇（如表1所示）。

表1 样方采集位置表

3.2样方的GPS数据采集

采用GPS接收機快速静态相对定位模式，双基站，对样方进行定位，采取2000国家大地坐标系，在调查监测中为保证各个站点的信号不受影响，将样方各个点位外较高的灌木、草进行切割，以防信号遮挡。信号才几点应避免过于靠近较高的建筑物或电线杆。在外业测量中按照GPS野外操作技术要点开展，此次共设置了4个样方，样方大小为大于13333m²的单个小班，数据采集的时间间隔设置为5s，采用人机交互、半自动跟踪数字化与手动跟踪数字化相结合的方式进行。

在数据采集的过程中，由于各种原因会出现误差、错误甚至数据之间的矛盾，因此采集之后的数据在矢量化的过程中要进行各种各样的质量检查、校对、平差以提高数据的质量和可信度。此次研究在矢量化跟踪后进行了图形检测、性质检测及拓扑检测，抛弃有矛盾、有争议、有错误的数据，再经过接边处理，使数据的真实性和完成性得到了提高[3]。

3.3 传感器的选择

影响松材线虫病的因素有很多，GPS接收机上安装传感器可以全方位对样方进行监测。

3.3.1温度传感器

松材线虫病害的流行是需要一定的环境的，环境因子对病虫害的影响主要体现在对马尾松的生长发育和抗病能力方面的影响，在我国，松材线虫的适宜年平均气温为大于14℃。设置温度传感器，可以在小范围内确定样方内部的温度变化，分析温度对病虫害的影响。

3.3.2湿度传感器

对于松材线虫引起的病虫害大爆发，学术上一般认为是夏季的高温少雨引起的，夏季最炎热的时候蒸腾量最多，枯死的概率就更大。尤其是干旱，能很明显地加快染病马尾松的枯死速度。多雨的年份马尾松的枯死率会发生明显的下降。设置湿度传感器，可以在样方内部感知湿度变化，通过后期比对可以分析处湿度对松材线虫病虫害的影响。

3.4分析数据预处理

数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）是地面高程的数字表示，是地理信息系统中进行三维数据分析处理和地形地貌分析处理的重要基础数据。该研究中，结合课题的实际情况及现存条件，采用的是基于地形图数据源的矢量数据内插生成DME的方法。在地理信息系统软件的支持下，使用剖分内插法将生成的矢量图转换为不规则三角网（TIN）模型，然后将TIN数据进行采样，转换为GRID数据（lattice格式），再转成DEM数据（USGS格式）。

松材线虫病害动态监测遥感数据源的采集和选取要与实地调查情况相结合，包括发病的首个年份、人工干预采取措施的年份、松树出现外观反应的月份、历年的受害情况、实地调查年的数据等。遥感图像作为一个整体，反映的是自然对象的电磁波辐射能量情况，具有总体信息特征，因此数据预处理的基本方法是统计和分析。

遥感图像的统计特征常用的有亮度级范围、均值、标准差等，在研究前对这些基本特征进行分析有利于进行各种实验时对数据的取舍。通过监测松线虫已暴发区域松树林的多光谱影像，来判读松树发病区域内，不同发病时段松树的反射光谱，并通过已经获取的反射光谱像素数据，通过定位系统对预判的各个像素区域进行实地调查，并最终确定是否为发病区域，以及发病区域的范围和面积。

3.5影像配准

由于传感器、扫描镜、遥感平台等多方面原因，会导致遥感影像会产生几何变形，此次研究选择几何校正发、图像重采样及内插法、矫正误差分析等方法对影像的变形进行纠正。

3.6图形判断和像素处理

通过RS技术获取4个样方的前后对比数据，经过数据和图像的判读找出受灾区域的像素点，再经过地理信息技术对数据进行解析和分析，提取病虫害发生的范围和点位、面积以及严重程度，甚至根据公示可以推导出经济损失和环境损失。同时可以利用GIS地图制作功能，将受病虫害情况的图形数据和表格数据反映出来。

这就是GIS和RS相融合的新技术在森林病虫害防治中的有效应用，尤其是那些人类难以直接进行实地调查的区域内的树种的发病情况，并根据病虫害的危害程度确定有针对性的防治措施，从而使病虫害的防治工作更直接、更有效。这种融合技术还可以应用在其他的森林资源调查中。

4受害树木动态分析

4.1对样方影像的数据分析

对样方的光谱、空间分布等特点进行判读分析，对不同时间点的影像及DEM進行分析对比，对不同空间的DEM进行空间关联性对比分析，分析气候、风向、日照等关联因子的影响。对研究重点马尾松的点数据及相关信息进行提取，对点的分布、变化进行数字化分析（见表2）。

表2 样方采集基础数据表

除了这些有关的空间基础地理信息数据之外，本次研究还应该关注的重点数据包括：文档数据，以各种形式保存的发病点位、发病面积txt文档;表格数据，栅格数据和拓扑数据;图片数据，分时段采集的监控数据。通过以上数据，可以做到对松材线虫病的全方位监控，分析病虫害发生的数据特点，利用一年之内多次反复监控得到的灾害信息建立数据库，可以实现各种类型、各种时间点、各种空间分布的森林病虫害信息数字化建库存储，并与GIS数据库对接，为病虫害信息存档和灾害防控管理提供先进的应用手段[4-5]。

4.2面积动态变化对比分析

通过遥感技术可以直接快速地提取病虫害的监测数据，包括爆发地点和面积，根据不同的光谱可以快速准确地确定森林病虫害的种类，根据该次研究所做的监测和相关部门提供的实时数据，可以快速地对病虫害进行防治。

将病虫害发生的时间、空间、类型以及造成损失的程度等要素进行统一上图入库，可以实现多角度、多条件的查询，帮助今后的调查人员掌握病虫害发生和发展的内在规律。将病虫害的发生、发展情况制作成专题地图以及报表，方便输出与制作，可以提高今后调查监测工作的信息化水平和工作效率。

在4个样方中提取监测前后马尾松影像进行对比分析，通过简单匡算的面积之差和受松材线虫病害影响的面积之差进行对比，发现：松材病虫害有逐渐缩小的趋势，其原因为区林业局当年对病虫害发生小班进行了集中除治及预防。经过每年的预防及除治，理论上病虫害会进一步减小直至清零。

4.3病害感染前后对比分析

对样方之间的差异进行对比分析。发现4个样方的病害有明显的减轻趋势。分析原因：人工干预是病虫害得以减轻的主要原因，通过集中抚育除治，喷洒除害药剂，严格管理疫木流入流出等措施，松材病虫害应逐年减少。

利用航片和监测数据的融合叠加，可以分析出较大范围内择伐、喷洒杀虫剂的效用，对森林病虫害防治的功效做出准确的评价，并可以根据松材线虫病害发生的范围大小及预防区域的分布方式，确定是否为病虫害即将爆发的地点等情况，对现有治疗方案的有效性和实用性做出判断[6-7]。

5 结语

森林病虫害防治是一个长期的、持久的攻坚战，在对病虫害进行干预和治疗之前先对病虫害的发生、发展进行分析，有着十分重要的理论价值和实践价值。该次研究通过新技术新手段对森林病虫害进行实时监测，将艰难复杂的现场调查转变成定点监测，建立了一个简单的松材线虫调查监测系统。该研究所讨论的采样、调查、监测分析病得出结论的方法，使用面积和空间格局两个指标来衡量松材线虫入侵前后马尾松的变化，比起传统人工巡山的调查监测方式更省时省力，比单纯的航空影像切片对比有更高的精度，得出的结论更全面、更准确。这种动态调查监测技术还可以实现松材线虫病有关信息的数字化管理和应用，并用于查询、交互分析、提交报表等方面，给管理决策者提供参考数据。

参考文献

[1] 杨宝君，潘宏阳，汤坚，等.松材线虫病[M].北京：中国林业出版社，2003.

[2] 都本绪.GIS在大连松线虫病预防中的应用[J].防护林科技，2017（6）：76-77，88.

[3] 徐升.松材线虫病预防防治及生态环境建设策略探讨[J].南方农业，2020，14（15）：70-71.

[4] 叶树文.松材线虫病预防存在的问题及对策[J].乡村科技，2020（5）：70-71.

[5] 周安会，王传强.松材线虫病预防措施及对策研究[J].科技创新导报，2019，16（8）：124-125.

[6] 秦军.基于深度学习的多平台遥感松材线虫病害监测方法[D].合肥：安徽大学，2021.

[7] 汪焱.松材线虫病疫木边缘计算监测方法与除治管理系统设计实现[D].泰安：山东农业大学，2021.