基于AI圖像識(shí)別的農(nóng)田害蟲實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與植物保護(hù)策略研究

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)田害蟲是影響作物產(chǎn)量與質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)害蟲監(jiān)測(cè)手段效率低、準(zhǔn)確性差，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化、智能化的需求。AI圖像識(shí)別技術(shù)的興起，為農(nóng)田害蟲實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與植物保護(hù)提供了新的解決方案，有望顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)性與可持續(xù)性。

1系統(tǒng)搭建

1.1硬件設(shè)備

圖像采集設(shè)備：選用工業(yè)級(jí)高清攝像頭，其分辨率可達(dá)4K甚至更高，能夠清晰捕捉到毫米級(jí)別的小型害蟲形態(tài)，如蚜蟲、薊馬等。鏡頭具備超廣角功能，視角范圍超過(guò) 120^° ，可減少監(jiān)測(cè)盲區(qū)，確保一次拍攝就能覆蓋較大面積的農(nóng)田區(qū)域?？紤]到農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜多變，攝像頭外殼采用堅(jiān)固耐用的防水、防塵、防腐蝕材料，能適應(yīng)高溫、高濕、沙塵等惡劣條件。

邊緣計(jì)算設(shè)備：配備高性能的邊緣計(jì)算盒子，其內(nèi)置多核處理器與專業(yè)圖像加速芯片，能夠快速處理攝像頭采集到的大量圖像數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備：為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性與穩(wěn)定性，采用4G/5G無(wú)線通信模塊作為主要的數(shù)據(jù)傳輸方式，可適應(yīng)農(nóng)田偏遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的情況。同時(shí)，配備備用的Wi-Fi模塊，在有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域可優(yōu)先使用Wi-Fi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以降低通信成本。對(duì)于一些對(duì)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性要求極高的場(chǎng)景，還可鋪設(shè)以太網(wǎng)專線，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.2軟件系統(tǒng)

AI圖像識(shí)別算法：自主研發(fā)基于深度學(xué)習(xí)的AI圖像識(shí)別算法，該算法以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）為基礎(chǔ)架構(gòu)，經(jīng)過(guò)大量農(nóng)田害蟲圖像數(shù)據(jù)的訓(xùn)練與優(yōu)化。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集包含了常見的數(shù)百種農(nóng)田害蟲，每種害蟲的圖像數(shù)量達(dá)到數(shù)萬(wàn)張，涵蓋了不同生長(zhǎng)階段、不同姿態(tài)以及不同環(huán)境背景下的害蟲圖像。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)，算法能夠準(zhǔn)確識(shí)別害蟲的種類、數(shù)量，并判斷害蟲所處的生長(zhǎng)階段。

數(shù)據(jù)管理與存儲(chǔ)模塊：開發(fā)專門的數(shù)據(jù)管理與存儲(chǔ)軟件，用于對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的大量圖像數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理。該模塊采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將圖像數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)信息（如采集時(shí)間、地點(diǎn)、作物品種、害蟲種類與數(shù)量等）進(jìn)行關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)，方便數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計(jì)分析。

2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流程

2.1圖像采集

按照一定的時(shí)間間隔與空間布局，攝像頭自動(dòng)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行全方位圖像采集。在作物生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期，如苗期、花期、果期等，適當(dāng)增加采集頻率，確保能夠及時(shí)捕捉害蟲的發(fā)生與發(fā)展動(dòng)態(tài)。

2.2數(shù)據(jù)處理與分析

將采集到的圖像首先傳輸至邊緣計(jì)算設(shè)備，進(jìn)行降噪、增強(qiáng)等預(yù)處理操作，以提高圖像質(zhì)量。隨后，利用AI圖像識(shí)別算法對(duì)圖像中的害蟲進(jìn)行識(shí)別與計(jì)數(shù)，分析害蟲的分布情況、密度變化等信息。同時(shí)，結(jié)合作物生長(zhǎng)信息，如品種、生長(zhǎng)階段、種植密度等，對(duì)害蟲危害程度進(jìn)行評(píng)估。

2.3監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋

監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳輸模塊實(shí)時(shí)反饋至農(nóng)業(yè)技術(shù)人員的終端設(shè)備，如手機(jī)、平板電腦等。技術(shù)人員可隨時(shí)隨地查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)害蟲數(shù)量或危害程度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信息，提醒技術(shù)人員及時(shí)采取防治措施。

3植物保護(hù)策略

3.1防治策略制定依據(jù)

基于AI圖像識(shí)別系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取的害蟲種類、數(shù)量、分布范圍及動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，構(gòu)建害蟲發(fā)生模型。不同害蟲對(duì)作物的危害方式和程度各異，如鱗翅目害蟲多以幼蟲啃食葉片、果實(shí)，而刺吸式口器害蟲如蚜蟲、葉蟬等，會(huì)吸食植物汁液，導(dǎo)致葉片卷曲、生長(zhǎng)受阻。通過(guò)對(duì)害蟲生物學(xué)特性和危害規(guī)律的深入研究，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)判斷害蟲的暴發(fā)趨勢(shì)和潛在危害區(qū)域。另外，考慮作物在不同生長(zhǎng)時(shí)期的抗蟲能力和敏感性。在苗期，作物根系和葉片較為脆弱，對(duì)害蟲侵襲的耐受性差，此時(shí)需重點(diǎn)防控對(duì)幼苗危害大的害蟲，如地老虎、螬等地下害蟲。花期和果期是作物產(chǎn)量形成的關(guān)鍵階段，一些害蟲如食心蟲、果蠅等會(huì)直接危害果實(shí)，影響產(chǎn)量和品質(zhì)，因此要根據(jù)作物生長(zhǎng)階段針對(duì)性地調(diào)整防治策略。農(nóng)田生態(tài)環(huán)境包括土壤質(zhì)地、氣候條件、周邊植被等，這些因素會(huì)影響害蟲的生存和繁殖。在高溫干旱年份，紅蜘蛛等螨類害蟲易暴發(fā)，因其適宜在干燥環(huán)境下繁殖；而在多雨潮濕環(huán)境中，一些喜濕性害蟲如蝸牛、蛄蝓等可能大量出現(xiàn)。同時(shí)，周邊植被情況也會(huì)影響害蟲的遷移和擴(kuò)散，如靠近樹林的農(nóng)田可能更容易受到一些林木害蟲的侵襲。綜合分析這些環(huán)境因素，制定符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的防治策略。

3.2具體防治措施

物理防治中，可以對(duì)誘捕技術(shù)進(jìn)行多樣化應(yīng)用，比如利用害蟲的趨光性，在農(nóng)田中合理布置太陽(yáng)能殺蟲燈。殺蟲燈的功率和波長(zhǎng)根據(jù)主要害蟲種類進(jìn)行選擇。針對(duì)鱗翅目害蟲，可選用波長(zhǎng)為 365～400nm 的黑光燈，其能有效吸引夜蛾、螟蛾等害蟲。燈的安裝高度和間距根據(jù)農(nóng)田面積和害蟲飛行高度來(lái)確定，一般每隔30＼～50米安裝一盞，高度為1.5＼～2.5米，確保燈光覆蓋范圍均勻，提高誘捕效果。對(duì)于特定害蟲，如小菜蛾、棉鈴蟲等，可以在田間懸掛性誘捕器。性誘捕器內(nèi)放置人工合成的性信息素，模擬雌蟲釋放的氣味，吸引雄蟲前來(lái)交配，從而將其捕獲。

還可以通過(guò)物理阻隔措施強(qiáng)化防治效果，在蔬菜、花卉等經(jīng)濟(jì)作物種植區(qū)域，用防蟲網(wǎng)進(jìn)行覆蓋。防蟲網(wǎng)的目數(shù)根據(jù)害蟲體型大小進(jìn)行選擇。對(duì)于蚜蟲、薊馬等小型害蟲，可選用40＼～60目的防蟲網(wǎng);對(duì)于菜青蟲、小菜蛾等較大型害蟲，選用20＼～30目的防蟲網(wǎng)。當(dāng)覆蓋防蟲網(wǎng)時(shí)，要確保四周密封嚴(yán)實(shí)，防止害蟲鉆入，為作物生長(zhǎng)營(yíng)造一個(gè)相對(duì)安全的環(huán)境。在果樹栽培中，對(duì)果實(shí)進(jìn)行套袋處理。套袋不僅能防止食心蟲、果蠅等害蟲侵害果實(shí)，還能減少農(nóng)藥殘留，提高果實(shí)品質(zhì)。套袋材料選擇透氣性好、防水性強(qiáng)的紙袋或塑料袋，根據(jù)果實(shí)大小選擇合適規(guī)格的袋子，在果實(shí)生理落果后進(jìn)行套袋，套袋前對(duì)果實(shí)進(jìn)行病蟲害防治，確保果實(shí)健康。

生物防治方面，主要是對(duì)天敵昆蟲的釋放與保護(hù)。在農(nóng)田中釋放捕食性昆蟲，如七星瓢蟲、草蛉、捕食螨等。七星瓢蟲主要捕食蚜蟲、介殼蟲等害蟲，可在蚜蟲發(fā)生初期，按照每畝1000＼～2000頭的數(shù)量釋放七星瓢蟲成蟲或幼蟲。草蛉對(duì)蚜蟲、粉虱、葉螨等多種害蟲有捕食作用，可通過(guò)人工飼養(yǎng)草蛉卵，在害蟲發(fā)生期將卵塊均勻地放置在田間，待卵孵化后，草蛉幼蟲即可捕食害蟲。同時(shí)，通過(guò)種植蜜源植物、保留田邊雜草等方式，為天敵昆蟲提供棲息和繁殖場(chǎng)所，保護(hù)天敵昆蟲種群數(shù)量。另外，可以利用寄生蜂、寄生蠅等寄生性天敵防治害蟲。例如，赤眼蜂可寄生在玉米螟、棉鈴蟲等害蟲的卵內(nèi)，使其不能正常孵化。在害蟲卵期，按照每畝1萬(wàn)＼～2萬(wàn)頭的數(shù)量釋放赤眼蜂，可采用掛卵卡的方式，將含有赤眼蜂卵的卵卡懸掛在田間作物葉片背面，讓赤眼蜂自然羽化后尋找害蟲卵寄生。

微生物源農(nóng)藥應(yīng)用方面，推廣使用蘇云金芽孢桿菌、白僵菌、綠僵菌等微生物源農(nóng)藥。蘇云金芽孢桿菌可產(chǎn)生伴孢晶體毒素，對(duì)鱗翅目、雙翅目等多種害蟲具有毒殺作用，可在害蟲低齡幼蟲期，按照產(chǎn)品說(shuō)明稀釋后進(jìn)行噴霧防治。白僵菌和綠僵菌能通過(guò)昆蟲體表侵入體內(nèi)，導(dǎo)致害蟲死亡，可在高溫高濕季節(jié)，選擇適宜的劑型（如可濕性粉劑、油劑等）進(jìn)行噴霧或撒施，利用其在適宜環(huán)境下的快速繁殖和侵染能力控制害蟲。使用苦參堿、印楝素等植物源農(nóng)藥?？鄥A對(duì)蚜蟲、紅蜘蛛、菜青蟲等害蟲有觸殺和胃毒作用，可在害蟲發(fā)生初期進(jìn)行噴霧防治，因其來(lái)源于植物，在環(huán)境中易分解，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品和環(huán)境安全。印楝素對(duì)多種害蟲具有拒食、驅(qū)避、抑制生長(zhǎng)發(fā)育等作用，可用于防治蔬菜、果樹等作物上的害蟲，減少化學(xué)農(nóng)藥的使用量。

化學(xué)防治方面，要做到農(nóng)藥選擇科學(xué)化，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的害蟲種類和抗藥性情況，精準(zhǔn)選擇農(nóng)藥品種。對(duì)于對(duì)有機(jī)磷類農(nóng)藥產(chǎn)生抗性的害蟲，可選用新型的殺蟲劑，如氯蟲苯甲酰胺、溴蟲氟苯雙酰胺等。在選擇農(nóng)藥時(shí)，優(yōu)先考慮高效、低毒、低殘留且對(duì)天敵昆蟲安全的農(nóng)藥品種。例如，在防治水稻害蟲時(shí)，可選用阿維菌素、甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽等生物源殺蟲劑，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。根據(jù)害蟲的生長(zhǎng)發(fā)育階段和活動(dòng)規(guī)律，選擇最佳施藥時(shí)機(jī)。如防治鉆蛀性害蟲，應(yīng)在害蟲鉆蛀前施藥；對(duì)于夜出性害蟲，選擇在傍晚或夜間施藥，此時(shí)害蟲活動(dòng)頻繁，藥劑接觸機(jī)會(huì)多。

施藥方式優(yōu)化與減量，高效施藥器械應(yīng)用，推廣使用新型高效施藥器械，如無(wú)人機(jī)施藥、靜電噴霧器等。無(wú)人機(jī)施藥具有作業(yè)效率高、覆蓋均勻、節(jié)省人力等優(yōu)點(diǎn)，可在大面積農(nóng)田中快速完成施藥任務(wù)，且能根據(jù)農(nóng)田地形和作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行精準(zhǔn)變量施藥。靜電噴霧器可使藥劑形成帶靜電的霧滴，增加藥劑在作物表面的附著性和沉積量，提高農(nóng)藥利用率，減少藥劑漂移和浪費(fèi)。采用農(nóng)藥減量增效技術(shù)，如添加農(nóng)藥助劑、推行病蟲害綜合防治等。農(nóng)藥助劑可增強(qiáng)農(nóng)藥的展著性、滲透性和粘附性，提高農(nóng)藥藥效，從而減少農(nóng)藥使用量。同時(shí)，通過(guò)綜合運(yùn)用物理、生物和化學(xué)防治措施，降低害蟲基數(shù)，減少化學(xué)農(nóng)藥的使用次數(shù)和劑量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥減量與害蟲有效防控的雙重目標(biāo)。

4應(yīng)用實(shí)例與效果

4.1實(shí)際應(yīng)用案例介紹

玉米種植區(qū)的應(yīng)用：在華北地區(qū)的一片大規(guī)模玉米種植區(qū)，面積達(dá)5000畝。種植品種為當(dāng)?shù)刂髟缘母弋a(chǎn)玉米品種。在種植季開始前，全面部署了基于AI圖像識(shí)別的農(nóng)田害蟲實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的高清攝像頭均勻分布于田間，每隔50米設(shè)置一個(gè)，確保全面覆蓋。在玉米苗期，AI圖像識(shí)別系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到地老虎幼蟲數(shù)量逐漸上升，密度達(dá)到每平方米5＼～8頭。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，技術(shù)人員迅速啟動(dòng)物理防治措施，在田間布置糖醋液誘捕盆，利用地老虎成蟲對(duì)糖醋液的趨性進(jìn)行誘殺。同時(shí)，在幼蟲高發(fā)區(qū)域，采用白僵菌可濕性粉劑進(jìn)行噴霧防治，施藥面積達(dá)1000畝。隨著玉米生長(zhǎng)進(jìn)入拔節(jié)期，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到玉米螟蟲的卵塊數(shù)量增加，平均每畝地有20＼～30個(gè)卵塊。技術(shù)人員隨即釋放赤眼蜂，按照每畝1.5萬(wàn)頭的數(shù)量，在1500畝玉米田內(nèi)懸掛赤眼蜂卵卡。在玉米抽雄期，又監(jiān)測(cè)到蚜蟲大量繁殖，有蚜株率達(dá)到 30% 。此時(shí)，技術(shù)人員選用高效、低毒的吡蟲啉可濕性粉劑，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)施藥，施藥面積達(dá)2000畝。

蔬菜大棚的應(yīng)用：在華東地區(qū)的一個(gè)蔬菜種植基地，擁有50個(gè)蔬菜大棚，主要種植黃瓜、番茄、辣椒等蔬菜品種。每個(gè)大棚內(nèi)安裝了2＼～3個(gè)高清攝像頭，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)害蟲情況。在黃瓜種植大棚中，AI圖像識(shí)別系統(tǒng)在苗期發(fā)現(xiàn)了薊馬害蟲，蟲口密度達(dá)到每片葉5＼～10頭。技術(shù)人員立即采取物理防治措施，在大棚內(nèi)懸掛藍(lán)色誘蟲板，每畝懸掛30＼～40塊，有效誘捕了大量薊馬成蟲。同時(shí)，針對(duì)薊馬若蟲，選用苦參堿水劑進(jìn)行噴霧防治，確保藥劑均勻覆蓋葉片正反兩面。在番茄生長(zhǎng)的花期，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到棉鈴蟲幼蟲開始出現(xiàn)，為避免其對(duì)番茄花和果實(shí)的危害，技術(shù)人員在大棚內(nèi)設(shè)置性誘捕器，每畝放置4個(gè)，專門針對(duì)棉鈴蟲雄蟲進(jìn)行誘捕。此外，還利用蘇云金芽孢桿菌對(duì)棉鈴蟲幼蟲進(jìn)行生物防治，在幼蟲低齡期進(jìn)行噴霧施藥。在辣椒種植大棚中，針對(duì)紅蜘蛛的暴發(fā)，技術(shù)人員首先采用捕食螨進(jìn)行生物防治，在每株辣椒根部附近釋放5＼～10只捕食螨，利用捕食螨對(duì)紅蜘蛛的捕食作用控制其種群數(shù)量。同時(shí)，結(jié)合使用阿維菌素等生物源殺蟲劑進(jìn)行輔助防治，確保紅蜘蛛得到有效控制。

4.2效果評(píng)估

害蟲防控效果顯著：在玉米種植區(qū)，通過(guò)綜合運(yùn)用多種防治措施，地老虎幼蟲危害率從防治前預(yù)計(jì)的 30%～40% 降低至 5% 28% ，玉米螟蟲的蟲株率從預(yù)計(jì)的 25%～35% 降低至 8%～12% ，蚜蟲的有蚜株率控制在 10% 以內(nèi)。在蔬菜大棚中，黃瓜薊馬的蟲口密度降低了 80%～90% ，番茄棉鈴蟲的蟲果率從預(yù)計(jì)的 20%～30% 降低至 5%～8% ，辣椒紅蜘蛛的螨口密度降低了 70%～80% 。這些數(shù)據(jù)表明，基于AI圖像識(shí)別的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與相應(yīng)的植物保護(hù)策略相結(jié)合，能夠有效控制害蟲種群數(shù)量，減少害蟲對(duì)作物的危害。

作物產(chǎn)量與品質(zhì)提升：在玉米種植區(qū)，經(jīng)過(guò)一系列防治措施后，玉米產(chǎn)量較上一年度增加了 15%～20% ，玉米籽粒飽滿度得到提高，容重增加，品質(zhì)明顯提升。在蔬菜大棚中，黃瓜、番茄、辣椒等蔬菜的產(chǎn)量均有不同程度的提高，黃瓜的畸形瓜率降低，番茄的果實(shí)大小均勻度得到提高，辣椒的色澤和辣味更加濃郁，蔬菜的商品性顯著增強(qiáng)。以黃瓜為例，產(chǎn)量較未應(yīng)用該系統(tǒng)時(shí)增加了 20%～25% ，優(yōu)質(zhì)果率從 70%～80% 提升至 90%～95% 。

經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益雙贏：從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，在玉米種植區(qū)，雖然前期投入了一定資金用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建和防治措施的實(shí)施，但由于產(chǎn)量增加和品質(zhì)提升，扣除成本后，每畝地增收800＼～1000元。在蔬菜大棚中，每個(gè)大棚的經(jīng)濟(jì)效益增加了3000＼～5000元。從環(huán)境效益方面，由于精準(zhǔn)用藥和生物防治、物理防治措施的廣泛應(yīng)用，化學(xué)農(nóng)藥使用量大幅減少。在玉米種植區(qū)，化學(xué)農(nóng)藥使用量較以往減少了 30%～40% ，在蔬菜大棚中，化學(xué)農(nóng)藥使用量減少了 40%～50% ，有效降低了農(nóng)藥對(duì)土壤、水源和空氣的污染，保護(hù)了農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。

5總結(jié)與展望

本研究表明，基于AI圖像識(shí)別的農(nóng)田害蟲實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?yàn)橹参锉Ｗo(hù)提供準(zhǔn)確、及時(shí)的信息支持，以此制定的植物保護(hù)策略具有顯著的科學(xué)性與有效性。未來(lái)，隨著AI技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，該系統(tǒng)有望進(jìn)一步提高害蟲識(shí)別的準(zhǔn)確率與監(jiān)測(cè)范圍，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面智能化管理，為保障糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

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