數(shù)字技術(shù)在林業(yè)有害生物防控中的應(yīng)用

楊霞，朱佳敏，趙玉雪

(貴州省核桃研究所，貴州 貴陽(yáng)550005)

數(shù)字技術(shù)在農(nóng)林業(yè)方面的應(yīng)用主要包括生物信息學(xué)、作物學(xué)、動(dòng)物模擬模型與信息實(shí)時(shí)采集技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、信息服務(wù)技術(shù)、智能控制與智能設(shè)備等技術(shù)的結(jié)合。2001年國(guó)家林業(yè)局提出“數(shù)字林業(yè)”的概念，它的含義為“融合、分析與數(shù)字信息維持管理的科學(xué)和技術(shù)”。它是“數(shù)字農(nóng)業(yè)”的推廣，概念來(lái)源于“數(shù)字地球”，均是用數(shù)字化技術(shù)，按人類需要的目標(biāo)，對(duì)農(nóng)業(yè)和林業(yè)涉及的對(duì)象和全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化和可視化的表達(dá)、設(shè)計(jì)、控制及管理的行業(yè)[1]。林業(yè)有害生物是威脅森林健康和安全的重要因素，隨著人工林面積的發(fā)展，林業(yè)有害生物的問(wèn)題越來(lái)越突出，松材線蟲(chóng)病、美國(guó)白蛾、紅脂大小蠹、蘋(píng)果蠹蛾、棗實(shí)蠅、松皰銹病菌等有害生物給我國(guó)乃至世界的森林造成了巨大損失。因此，對(duì)林業(yè)有害生物及時(shí)有效監(jiān)測(cè)和防治是一項(xiàng)需要持續(xù)的重要課題。當(dāng)前，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)字技術(shù)逐步應(yīng)用到有害生物的監(jiān)測(cè)和防控領(lǐng)域。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 遙感技術(shù)的應(yīng)用

國(guó)外林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)起步較早，始于20世紀(jì)30年代，而德國(guó)最早提出了林業(yè)有害生物的航空防治[2-5]。隨后，日本和美國(guó)也相繼開(kāi)始用衛(wèi)星和航空拍攝技術(shù)監(jiān)測(cè)林業(yè)有害生物。我國(guó)最早使用遙感技術(shù)視察林業(yè)有害生物是在1978年監(jiān)測(cè)了云南騰沖地區(qū)松葉蜂危害區(qū)域的健康木、蟲(chóng)害木以及松毛蟲(chóng)危害的光譜[6-7]。1997年，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院等單位研制的航空錄像監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確判讀失葉率在40%以上的災(zāi)害區(qū)，成功定位了森林災(zāi)害區(qū)[8]，預(yù)示著我國(guó)林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，基于遙感光譜分析對(duì)有害生物的監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了快速發(fā)展，尤其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多。如利用高光譜遙感對(duì)冬小麥條銹病的病情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了在不同生長(zhǎng)期內(nèi)冬小麥條銹病冠層不同病情指數(shù)的光譜特征，建立了遙感監(jiān)測(cè)小麥條銹病病情指數(shù)的多波段下組合診斷模式的定量模型[9]。利用多光譜傳感器在不同時(shí)間和空間維度下，從不同形態(tài)學(xué)特征出發(fā)，獲取不同病蟲(chóng)害脅迫區(qū)域的多光譜影像，通過(guò)提取光譜信息建立分類模型，成功識(shí)別了小麥蚜蟲(chóng)、棉花枯萎病的病蟲(chóng)害受害區(qū)域[10-11]。在林業(yè)上，基于遙感信息，利用結(jié)合像素的方法，評(píng)估了Gaofen-2圖像和Sentinel-2(S2)圖像檢測(cè)在不同空間分辨率(1和4 m)下的紅脂大小蠹爆發(fā)早期的樹(shù)死亡率[12]。松材線蟲(chóng)病防治的關(guān)鍵戰(zhàn)略之一是通過(guò)大規(guī)模森林監(jiān)測(cè)及早確定疫區(qū)，而高光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)松材線蟲(chóng)病的大規(guī)模森林監(jiān)測(cè)[13]，基于高光譜與激光雷達(dá)技術(shù)，可以對(duì)松材線蟲(chóng)病的發(fā)病早期進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.2 GIS技術(shù)的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)對(duì)于農(nóng)田或林地的信息管理也具有重要作用，把GIS應(yīng)用于作物病害的診斷是全球GIS發(fā)展的一個(gè)方向。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)精細(xì)農(nóng)業(yè)研究中心設(shè)計(jì)了一套基于GIS技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和Internet技術(shù)的蘋(píng)果病蟲(chóng)害管理信息系統(tǒng)，其中包括蘋(píng)果病蟲(chóng)害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、蘋(píng)果蟲(chóng)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)子系統(tǒng)和蘋(píng)果病蟲(chóng)害網(wǎng)絡(luò)發(fā)布子系統(tǒng)[14]。廣西科學(xué)院以ArcView為平臺(tái)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于GIS的廣西紅樹(shù)林蟲(chóng)害信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、蟲(chóng)害發(fā)生時(shí)空查詢、信息錄入、害蟲(chóng)特征查詢、空間分析、害蟲(chóng)種類檢索、系統(tǒng)管理等系統(tǒng)組成，重點(diǎn)突出了白骨壤害蟲(chóng)、廣州小斑螟和其他危害紅樹(shù)植物的害蟲(chóng)袋蛾點(diǎn)上與面上監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)和相關(guān)的環(huán)境背景，為紅樹(shù)林害蟲(chóng)的防治研究和管理控制提供了技術(shù)手段[15]。在病害監(jiān)測(cè)模型方面，宋晨勇[16]等提出了在GooLeNet模型的基礎(chǔ)上減少inception模塊上的數(shù)量，并優(yōu)化模型前段的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以捕獲更多的特征信息，最后系統(tǒng)依據(jù)建立的算法模型和Tornado框架構(gòu)建病害識(shí)別網(wǎng)絡(luò)視圖，提高了模型的精準(zhǔn)率，為蘋(píng)果病害實(shí)時(shí)、便利的圖像自動(dòng)識(shí)別提供可靠的依據(jù)。岳有軍[17]針對(duì)蘋(píng)果樹(shù)葉病斑提出了一種改進(jìn)的YOLOv3病斑檢測(cè)模型，提高了模型的監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度。

1.3 數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，可以監(jiān)測(cè)作物的病蟲(chóng)草害，在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用較多?；诙喙庾V圖像對(duì)大豆葉銹病、葡萄卷葉病、小麥白粉病、小麥條銹病等病害進(jìn)行了大量監(jiān)測(cè)研究[18-20]。吳葉蘭[21]基于高光譜成像技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，研究了柑橘病葉分類，為柑橘病蟲(chóng)害的無(wú)損識(shí)別提供了理論根據(jù)。王霜利[22]運(yùn)用高光譜遙感圖像，針對(duì)馬尾松病蟲(chóng)害的等級(jí)分類進(jìn)行研究和方法探索，結(jié)合基于均方協(xié)預(yù)測(cè)誤差的盲源提取算法(MSCPEBSE)，對(duì)各等級(jí)病蟲(chóng)害的馬尾松進(jìn)行了等級(jí)判定。

1.4 航空防治技術(shù)的應(yīng)用

隨著無(wú)人機(jī)航空技術(shù)的發(fā)展，航空防治技術(shù)已發(fā)展成為林木有害生物防控的重要技術(shù)手段，基于無(wú)人機(jī)的航空防治技術(shù)具有快速、精準(zhǔn)、成本低等特點(diǎn)。日本的航空防治出現(xiàn)較早，Yamaha 公司在1985 年最先推出了用于航空施藥的第一架農(nóng)用“R-50”型無(wú)人機(jī)[23]。中國(guó)的航空防治也得到了較快發(fā)展，北京研發(fā)的“藍(lán)鷹AD200N”于1995年也開(kāi)始用在農(nóng)田、林區(qū)的病蟲(chóng)害防治等方面。此后中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院研發(fā)了“海燕 650B”型無(wú)人機(jī)，融合了超低容量噴灑裝置和 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)，并在林間進(jìn)行了試驗(yàn)[24]。航空防治可以不受地形的限制，更適用于地形地貌復(fù)雜的山區(qū)，在山區(qū)松葉蜂、松毛蟲(chóng)等防治方面起了較大作用。基于遙感技術(shù)的航空監(jiān)測(cè)及航空防治技術(shù)，能夠?qū)α謽I(yè)有害生物災(zāi)害及時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)迅速采取相應(yīng)防治措施，可以有效防止災(zāi)害蔓延，保護(hù)森林健康。

2數(shù)字技術(shù)在林業(yè)有害生物防控中的發(fā)展與展望

數(shù)字林業(yè)技術(shù)的建立是以空間定位、人工智能、網(wǎng)絡(luò)信息等技術(shù)為支撐的。通過(guò)現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳輸技術(shù)的發(fā)展，可將林業(yè)管理的各個(gè)環(huán)節(jié)最大程度地集中起來(lái)，提供快速高效、便捷的服務(wù)模式，所整合的信息還可以為林業(yè)發(fā)展和建設(shè)提供決策依據(jù)[25]。目前在林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)方面，已經(jīng)廣泛開(kāi)發(fā)應(yīng)用了遙感光譜、影像處理技術(shù)等，在病蟲(chóng)害診斷方面也基于GIS技術(shù)建立了一些病蟲(chóng)害診斷模型，航空防治技術(shù)也得到了一定發(fā)展。然而，由于我國(guó)地形復(fù)雜多樣，森林有害生物種類繁多，使用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)監(jiān)測(cè)病蟲(chóng)害時(shí)，如何更加精準(zhǔn)、快速地識(shí)別病蟲(chóng)害仍是需要攻克的問(wèn)題。在使用無(wú)人機(jī)遙感圖像分析時(shí)，還需要提高病蟲(chóng)害特征的選擇訓(xùn)練，以提高病蟲(chóng)害分類識(shí)別精準(zhǔn)度，進(jìn)行傳感器優(yōu)化，加強(qiáng)遙感影像分析處理技術(shù)等。目前，應(yīng)用在林業(yè)上的遙感技術(shù)主要還是集中在松樹(shù)病蟲(chóng)害的研究上，其他林業(yè)樹(shù)種的研究較少，技術(shù)應(yīng)用程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到生產(chǎn)要求。而在防治中，航空防治雖然具有快捷、節(jié)約成本的特點(diǎn)，但是防治效率低、藥物漂移等問(wèn)題仍是發(fā)展的瓶頸，如何選擇合適的飛行方式、藥劑、噴灑設(shè)備等仍然是值得探討的問(wèn)題。

因此，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字技術(shù)在林業(yè)有害生物防控中的綜合應(yīng)用，還需要從信息技術(shù)、智能設(shè)備、生物技術(shù)、病蟲(chóng)害防治等相關(guān)技術(shù)多點(diǎn)出發(fā)，融合各種技術(shù)體系，使林業(yè)有害生物能從監(jiān)測(cè)、分析到防治各環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系起來(lái)，建立信息化、智能化的有害生物防控體系，推動(dòng)林業(yè)有害生物防控工作的進(jìn)步。