北斗技術(shù)在松材線蟲病防治中的應用探索

松材線蟲病是為害松樹的重大疫病，傳統(tǒng)防治方法效果有限且成本較高。研究采用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)對疫區(qū)進行精準定位和監(jiān)測，結(jié)合無人機噴藥系統(tǒng)開展防治試驗。通過對江西省上饒市33.33 hm2松林實驗區(qū)為期1年的實地研究，構(gòu)建了基于北斗技術(shù)的松材線蟲病防治預警體系。結(jié)果表明，北斗定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對病株的精準識別；配合專業(yè)無人機系統(tǒng)進行精準施藥，藥劑施用量減少了15%，防治效果提升了18%，在一定程度上降低了防治成本，為松材線蟲病的科學防治提供了新思路。

松材線蟲病自1982年在我國首次發(fā)現(xiàn)以來，已在18個省（區(qū)、市）造成為害，導致部分地區(qū)松樹死亡，給林業(yè)生產(chǎn)帶來較大的經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)防治方法存在覆蓋范圍受限、人工成本高等問題。隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的全面建成和商業(yè)化應用，其在林業(yè)病蟲害防治領(lǐng)域的應用潛力逐漸顯現(xiàn)。結(jié)合無人機噴灑技術(shù)，北斗系統(tǒng)的定位能力為松材線蟲病的預防和治理提供了技術(shù)支撐，值得進行深入研究。

一、研究背景

（一）松材線蟲病為害現(xiàn)狀

松材線蟲病是一種嚴重為害松樹的檢疫性有害生物，由松材線蟲引起。該病于1982年在我國江蘇南京首次發(fā)現(xiàn)，目前已在長江流域及其以南的多個省市造成松樹大面積死亡。近年，疫情呈現(xiàn)擴散趨勢，每年導致部分松林枯死，造成一定的林業(yè)經(jīng)濟損失。病株發(fā)病初期針葉失綠發(fā)黃，繼而變?yōu)楹稚罱K全株枯死。線蟲通過松墨天牛為媒介進行傳播擴散，一旦發(fā)病，松樹在3～4個月內(nèi)可能死亡，對松林資源和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴重威脅。

（二）傳統(tǒng)防治方法的局限性

傳統(tǒng)松材線蟲病防治方法主要依靠人工巡查、砍伐病死樹和化學藥劑噴灑。人工巡查耗時費力，在山區(qū)地形復雜的林地難以全面覆蓋，可能遺漏病株；砍伐病死樹需要較多人力，作業(yè)強度較大，且可能對周邊環(huán)境造成影響；化學藥劑噴灑存在用藥不均勻、藥效持續(xù)時間有限等問題。此外，傳統(tǒng)防治方法缺乏系統(tǒng)的監(jiān)測預警手段，難以及時發(fā)現(xiàn)并控制病害的發(fā)生發(fā)展，防治效果有待提升。防治成本較高，防治費用為4500～6000元·hm-2，給基層林業(yè)部門帶來一定壓力。

（三）北斗技術(shù)的發(fā)展及應用潛力

2020年7月我國成功完成北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)組網(wǎng)，標志著北斗系統(tǒng)具備全球服務能力。北斗系統(tǒng)具有定位、實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，在林業(yè)病蟲害防治領(lǐng)域展現(xiàn)出應用價值。北斗導航定位精度在林業(yè)應用中可達米級，能夠?qū)Σ≈陞^(qū)域進行精確定位；系統(tǒng)可24 h運行，實現(xiàn)對疫區(qū)的持續(xù)監(jiān)控；配合無人機噴藥系統(tǒng)，可在復雜地形條件下開展施藥作業(yè)。近年，北斗技術(shù)在農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域的應用逐步推進，在作業(yè)導航、精準施藥、區(qū)域監(jiān)測等方面積累了一定經(jīng)驗。

二、研究區(qū)域與方法

（一）試驗區(qū)概況

選擇江西省上饒市廣信區(qū)五都鎮(zhèn)松林場作為試驗區(qū)，面積13.33 hm2，海拔250～450 m，屬亞熱帶季風氣候，年均溫16.5 ℃，降水量1650 mm。試驗區(qū)以馬尾松為主，林齡20～25年，株距3 m×3 m，郁閉度0.7，平均樹高10 m，胸徑15 cm。2022年發(fā)現(xiàn)松材線蟲病病株，發(fā)病率約2%，呈零星分布。試驗區(qū)為丘陵地形，坡度10～25°。周邊設(shè)置50 m寬隔離帶防止病害擴散。試驗區(qū)劃分為北斗技術(shù)防治區(qū)（8 hm2）和傳統(tǒng)防治對照區(qū)（5.33 hm2），兩區(qū)域林分特征和地形條件基本一致。試驗時間為2023年3月至2024年2月。

（二）技術(shù)路線

研究采用“北斗定位—無人機施藥—數(shù)據(jù)分析”的技術(shù)路線。北斗系統(tǒng)包括定位精度2～3 m的接收機、手持終端和數(shù)據(jù)采集器。采用四旋翼植保機，載藥量8 L，飛行高度4～6 m，作業(yè)幅寬3～4 m。數(shù)據(jù)處理采用林業(yè)有害生物監(jiān)測系統(tǒng)，具備數(shù)據(jù)采集、存儲和分析功能。防治流程分四個階段：疫情普查階段將試驗區(qū)劃分為50 m×50 m網(wǎng)格進行病株排查；數(shù)據(jù)采集階段記錄病株信息；防治實施階段制定飛行路線進行施藥；效果評估階段每月檢查并更新數(shù)據(jù)庫，形成完整技術(shù)體系。具體見圖1。

（三）數(shù)據(jù)采集與處理方法

數(shù)據(jù)采集包括空間和屬性兩類信息：空間信息包含病株坐標、防治區(qū)域邊界、無人機飛行軌跡；屬性信息包括樹木特征（樹高、胸徑）、病情程度（輕、中、重度）、防治措施和氣象條件等。采用分層抽樣方法，在試驗區(qū)設(shè)置15個固定樣方，每個樣方100 m2。數(shù)據(jù)處理采用坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)過濾、空間分析和統(tǒng)計分析方法，將北斗定位原始坐標轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一坐標系，剔除錯誤數(shù)據(jù)，計算病株分布密度和擴散趨勢。數(shù)據(jù)處理精度要求坐標定位誤差在3 m內(nèi)，數(shù)據(jù)采集完整度大于85%。

三、基于北斗技術(shù)的防治系統(tǒng)構(gòu)建

（一）北斗定位系統(tǒng)的部署

針對松材線蟲病防治需求，在試驗區(qū)部署北斗定位系統(tǒng)，包括定位基準站、信號增強設(shè)備和數(shù)據(jù)采集終端。基準站安裝在試驗區(qū)制高點，覆蓋半徑2 km，發(fā)射頻率1 Hz，定位精度2～3 m。信號增強設(shè)備采用多基站差分技術(shù)，在試驗區(qū)邊界設(shè)置3個信號增強點，構(gòu)建定位網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)采集終端配備北斗定位芯片和數(shù)據(jù)傳輸模塊，工作溫度為-10～40 ℃，續(xù)航時間8 h，防護等級IP65。系統(tǒng)部署過程中充分考慮地形、植被等影響因素，每周進行設(shè)備巡檢和維護。

（二）病株識別與定位技術(shù)

病株識別采用人工巡查與圖像識別相結(jié)合的方法。病情分級標準將病情分為輕度、中度、重度三個等級。巡查人員攜帶北斗手持終端，按預設(shè)路線巡查。發(fā)現(xiàn)病株時采集坐標、拍攝照片、記錄病情等級。坐標采集采用平均值法，每株采集3次坐標取平均值。圖像識別系統(tǒng)建立病株癥狀特征庫，輔助判斷病情等級。

（三）無人機噴藥系統(tǒng)集成

無人機噴藥系統(tǒng)由四旋翼植保機、智能噴灑設(shè)備和飛行控制系統(tǒng)組成。植保機有效載荷8 kg，飛行時間15～20 min，抗風能力5級。噴灑系統(tǒng)采用脈沖式噴頭，霧滴粒徑80～300 μm，噴幅3～4 m，流量0.5～2 L·min-1。飛行控制系統(tǒng)與北斗定位對接，飛行高度保持在冠層上方1～2 m，速度3～5 m·s-1。

（四）數(shù)據(jù)管理平臺開發(fā)

數(shù)據(jù)管理平臺采用分層架構(gòu)設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采集層、存儲層和應用層。數(shù)據(jù)傳輸采用加密協(xié)議，使用數(shù)據(jù)完整性校驗。平臺提供數(shù)據(jù)可視化、統(tǒng)計分析和預警預測功能，支持多終端訪問。平臺具備基本GIS功能，可顯示病株分布圖、防治進度圖、作業(yè)軌跡圖等。具備數(shù)據(jù)備份和容災功能，定期進行系統(tǒng)更新和數(shù)據(jù)維護。

四、結(jié)果分析

（一）定位精度評估

在試驗區(qū)內(nèi)選取15個固定觀測點進行定位精度測試，每個點位采集5組數(shù)據(jù)，測試結(jié)果見表1。在空曠地帶，北斗定位系統(tǒng)水平定位精度平均為3.2 m，垂直定位精度平均為4.5 m；在林冠遮蔽區(qū)域，水平定位精度平均為4.8 m，垂直定位精度平均為5.5 m。信號接收穩(wěn)定性測試顯示，空曠地帶信號接收率達85%，林冠遮蔽區(qū)域信號接收率為75%，基本可滿足病株定位需求。

（二）防治效果對比

對比分析北斗技術(shù)防治區(qū)與傳統(tǒng)防治對照區(qū)的防治效果，監(jiān)測周期為12個月，結(jié)果見表2。北斗技術(shù)防治區(qū)病株撲殺率達65.3%，高于傳統(tǒng)防治區(qū)的55.1%；藥劑利用率提升至45.6%，傳統(tǒng)防治區(qū)為35.4%；病情蔓延速度降低25.5%，傳統(tǒng)防治區(qū)降低18.8%。在病株發(fā)現(xiàn)率方面，北斗技術(shù)防治區(qū)達75.5%，傳統(tǒng)防治區(qū)為65.3%。

（三）經(jīng)濟效益分析

對比兩種防治方式的經(jīng)濟投入與防治效益，詳細成本構(gòu)成見表3。北斗技術(shù)防治前期設(shè)備投入較大，防治成本為5700元·hm-2，傳統(tǒng)防治為5400元·hm-2。從長期效益看，利用北斗技術(shù)防治可增強防治效果，年減少松樹損失價值約6750元·hm-2，綜合經(jīng)濟效益較好。

五、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

（一）多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

針對松材線蟲病防治中的多源數(shù)據(jù)特點，研究建立了基于北斗定位的數(shù)據(jù)融合模型。融合內(nèi)容涵蓋北斗定位數(shù)據(jù)、病株圖像數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)和無人機噴藥數(shù)據(jù)。北斗定位數(shù)據(jù)包括病株空間位置信息，定位精度在3～5 m范圍內(nèi)，采集頻率為1次·s-1；病株圖像數(shù)據(jù)采用800萬像素高清相機采集，記錄病株外觀特征變化；氣象環(huán)境數(shù)據(jù)由自動氣象站每小時采集1次，包括溫度、濕度、風速等參數(shù)；無人機噴藥數(shù)據(jù)通過流量計實時采集，誤差控制在5%以內(nèi)。

（二）智能識別算法

開發(fā)基于圖像特征的松材線蟲病株識別算法，建立病株特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫。識別指標包括針葉色澤、枯梢程度、樹勢變化和樹冠密度四個方面。針葉色澤采用RGB色彩空間分析，通過與標準色卡對比判斷病情程度；枯梢程度基于圖像分割技術(shù)計算枯死部分占比；樹勢變化通過對比不同時期的生長狀況評估；樹冠密度采用四級分類方法評定。算法采用改進的灰度閾值分割方法，結(jié)合形態(tài)學處理技術(shù)提取病株特征。在特征提取基礎(chǔ)上，運用支持向量機方法構(gòu)建分類模型，實現(xiàn)對病株的智能識別。

（三）精準施藥控制方法

研究建立了基于北斗定位的精準施藥控制系統(tǒng)，包括定位導航、噴灑控制和監(jiān)測評估三個功能模塊。定位導航模塊利用北斗實時定位規(guī)劃最優(yōu)飛行路徑；噴灑控制模塊根據(jù)病株分布自動調(diào)節(jié)噴頭流量（0.5～2 L·min-1）、霧滴粒徑（80～300 μm）和噴幅寬度（3～4 m）；監(jiān)測評估模塊實時監(jiān)測施藥效果和記錄數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用模糊控制算法，根據(jù)飛行速度、風速和病情程度動態(tài)調(diào)整施藥參數(shù)。飛行高度保持在冠層上方1～2 m，確保藥液均勻覆蓋，可降低藥劑用量15%，提高施藥的均勻性。

六、結(jié)語

試驗區(qū)的研究表明，北斗技術(shù)在松材線蟲病防治中具有應用價值。該技術(shù)在病株定位和監(jiān)測方面取得了積極成果，在一定條件下能夠提高防治效率，減少用藥量。研究構(gòu)建的防治系統(tǒng)展現(xiàn)出實用性，為松材線蟲病的防治提供了技術(shù)參考。在實際應用中需要考慮復雜地形、天氣條件等環(huán)境因素的影響，進一步完善系統(tǒng)功能，提高其可靠性。未來可探索與遙感等技術(shù)的結(jié)合應用，不斷改進防治方案，為林業(yè)病蟲害防治積累經(jīng)驗。

作者簡介：伍南（1983—），男，湖南永州人，博士，高級工程師，主要從事森林保護和林業(yè)信息化等工作。

通信作者：肖娟（1987—），女，湖南邵陽人，碩士，工程師。