高新技术应用于全国林业有害生物普查工作的现状及展望

阎合田呈明李娟董瀛谦朱宁波郭宏伟

(1．北京林业大学，北京 100083；2．国家林业和草原局森林和草原病虫害防治总站，林业有害生物监测预警国家林业和草原局重点实验室，辽宁 沈阳 110034；3．西丰县林业局，辽宁 西丰 112000)

2014—2017年，我国开展了第三次全国林业有害生物普查。本次普查在技术方法上积极探索试用地理信息系统、遥感、物联网、昆虫信息素等现代技术。通过3年普查工作实践，这些高新技术有力推动了普查工作的深入开展，也为今后进一步推广应用这些技术奠定了较好基础。但不同地区的应用情况也显示出每项高新技术有其特定的应用条件和环境，以及应用的局限性。笔者对3年来高新技术的应用情况进行系统总结，以期进一步加强顶层设计，深入开展需求分析，准确把握应用的切入点，确保今后普查监测数据的准确性、完整性，提升普查监测工作质量和效率。本次普查共发现可对林木、种苗等林业植物及其产品造成危害的林业有害生物种类6 179种，其中，昆虫类5 030种、真菌类726种、细菌类21种、病毒类18种、线虫类6种、植原体类11种、鼠(兔)类52种、螨类76种、植物类239种；外来林业有害生物45种，与2006年普查结果相比，新发现13种[1－2]。

1 四项应用于林业有害生物普查的新技术

地理信息系统(以下简称GIS)、遥感和物联网3项技术，作为国家重点推荐的高新技术在本次普查工作中被广泛使用；各地在工作实践中，又将近年来逐渐成熟的昆虫信息素技术加以运用。

GIS是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的综合系统。可以对林业有害生物发生发展的空间数据按地理坐标或空间位置进行综合处理，通过研究各种空间、动态数据的关联关系，以及对多因素的综合分析，可迅速获取满足林业有害生物普查监测工作所需的信息，并以图形或数据的形式表现出来[3]。

遥感是指非接触的，远距离的探测技术，目前航天遥感技术可实现对森林资源的可视监测，即能在较短的时间和周期内，从空中对大范围林区进行观测，从而获取有价值的图像数据[4]。低空遥感技术，主要是将人机监测应用于林业有害生物普查工作中，是将繁重的体力劳动、高成本、低效益向解放生产力、低成本、高效益转变的重要手段[3]。

物联网意为物物相连的互联网。目前，以物联网技术为基础，可探索对林业有害生物信息进行自动采集，并以前端感知、传输和后端应用、控制的方式，对林业有害生物发生情况进行实时监测和远程监控。

昆虫信息素是指昆虫个体分泌的在种内和种间传递信息和引起特定行为或生理反应的微量化学物质，是昆虫交流的化学分子语言[5]。在林业有害生物监测普查工作中，利用昆虫信息素作为化学通讯媒介对昆虫的集群作用，可有效监测有害昆虫的发生种类、发生范围、发生期、发生量等情况，为害虫治理提供科学依据，且有助于采集高质量、无损伤的昆虫标本。

2 四项新技术在林业有害生物普查工作中的应用

参与此次林业有害生物普查的35个省(区、市、森工集团)森防部门，运用“开发基于GIS的软件系统”、“遥感与无人机”、“昆虫信息素”和“物联网”技术的部门分别为15，11，28，1个。各地运用昆虫信息素诱集技术较为普遍，使用率达到80%；开发基于GIS的软件系统与遥感无人机2种措施较为顺利，使用率分别占比42%、31%，部分地区运用较为深入；物联网技术仅在1个单位试用。

2．1 基于GIS的普查软件实现了内业数据分析与外业调查规划一体化管理

本次普查，原国家林业局森林病虫害防治总站与天津、辽宁、安徽、江西、河南、湖南、广东、广西、重庆、云南、甘肃、宁夏、新疆建设兵团、内蒙古森工集团等14个省级森防部门开发了基于GIS的普查监测软件系统。各地林业有害生物普查系统主要具备外业调查规划管理与数据上传，内业信息汇总整理与数据分析等功能，实现了林业有害生物普查内、外业一体化。内业工作中，市(县)森防机构运用GIS相关系统基本实现了对辖区内林业有害生物监测调查、普查数据的记录更新、查询显示、统计报表、空间分析、预测预报等功能[3]。在国家级与省级单位层面，GIS系统通过对基层上报的数据进行统计汇总和简单时空分析，可实现林业有害生物预测预报、辅助制定科学防治措施和信息共享等功能。外业工作中，带有操作系统、集成GPS、拍照等功能于一体的智能终端设备(PDA)作为GIS系统的智能终端，由普查人员随身携带，实时接收GPS定位信息，实现了准确导航踏查路线、标准化采集危害图片、规范化记录调查点(线)位置数据等功能，解决同种重复、异种重复等繁琐的统计任务，同时也为普查工作的监督检查提供可信依据[6]。

原国家林业局森林病虫害防治总站组织开发的“全国林业有害生物普查汇总系统”用于国家、省、市3级林业有害生物相关信息的汇总和影像资料收集，可汇总林业有害生物的分布范围、发生范围、发生面积、寄主植物及危害程度等情况以及有害生物生物学、形态学、危害状等影像资料。重庆市开发的林业有害生物防控信息系统，应用基于GIS、GPS、GRS技术的智能终端开展林业有害生物监测、除治和监管，为防控工作提供全过程、多层次、实景式、可视化的信息服务，初步实现了林业有害生物监测可视化，极大提高了林业有害生物的监测防控管理能力。辽宁省本溪市作为GIS系统试点单位，开发了基于移动GIS前后台一体化的林业有害生物普查信息管理系统，全面应用PDA技术开展普查，并建立野外调查数据库，实现了全市林业有害生物种类、分布、危害的空间数据动态管理。

2．2 遥感技术实现了对林业有害生物的宏观观测和微观测量

遥感技术在全国林业有害生物普查工作中发挥了较为显著的作用，全国共有内蒙古、江苏、浙江、福建、山东、湖南、广东、广西、重庆、云南、内蒙古森工集团等11个省级森防部门运用了该项技术。其中，航天遥感技术实现了在短时间内，从高空对大范围地区森林资源进行宏观观测，及时掌握当地林业有害生物发生情况。对同一地区进行周期性、重复观测，动态跟踪当地林业有害生物发展形势，所获取的遥感数据，还可为当地林业有害生物预测预报提供科学依据。同时，结合低空遥感，即无人机监测，弥补了遥感技术针对具体区域观测不够精密和经常因云层遮挡获取不到影像、重访周期过长等问题，实现对具体林班林业有害生物危害情况的准确观测。通过无人机低空摄影测量，适时对林业有害生物危害区域地理位置进行GPS标定，并利用多光谱技术结合矢量化的小班资料数据，可初步确定林业有害生物发生范围、面积和危害程度。

广东省应用航天遥感技术监测松材线虫病、薇甘菊等疫情动态，克服了人工调查周期长、主观性强等缺点。通过无人机低空航空摄影测量，确定松材线虫病发生范围、面积、危害程度和开花期薇甘菊分布面积及危害程度，为松材线虫病和薇甘菊防控效果评估提供依据。云南省昆明市作为无人机遥感技术应用试点单位，完成了松小蠹危害情况航拍监测，获取了精度达0．2 m地面分辨率的航拍图像，完成并标定了云南松小蠹虫的灾害分布图。湖北省在对神农架林区华山松大小蠹进行遥感信息处理的基础上，结合无人机航拍数据，进行同期2种调查数据应用效果的评估。同时，利用全省普查掌握的2013—2015年大面积发生的栎类和竹类食叶害虫林地定位信息和虫情数据，通过卫星遥感数据划分发生范围，将高分卫星遥感数据应用于食叶害虫的增殖—猖獗—消退的危害过程分析。

2．3 昆虫信息素技术提高了对昆虫种类、危害等信息调查的准确程度

本次普查，共有天津、河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、上海、江苏、安徽、福建、江西、山东、河南、湖北、湖南、广东、广西、重庆、四川、云南、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆、内蒙古森防集团、大兴安岭森工集团等28个省级森防部门运用昆虫信息素技术。传统的虫情监测预报主要是通过人工调查和黑光灯诱集等方法进行，对于生活隐蔽、趋光性较弱、虫口密度较低的林地和一些地形较为复杂及人员难以到达的林地内的害虫，采用传统的虫情监测预报局限性较大，致使调查数据偏差较大，影响监测准确率[7]。本次普查大部分地区引入昆虫信息素诱集技术，根据不同昆虫的生物学特性，科学设置诱捕器与诱捕时间，不仅可以准确调查当地昆虫种类与危害程度，排查重大危险性林业有害生物是否传入，还可准确监测预报害虫的发生期、危害方位和发生量。尤其对偶发性害虫的发生和新造林地跟踪监测，可以较准确地反映其发生情况[7]。

随着昆虫信息素技术的日渐成熟，各地选用该项技术开展林业有害生物普查、监测的范围和程度在日趋加大。重庆市26个区(县)使用了松褐天牛引诱剂诱集松褐天牛成虫及松小蠹虫。内蒙古森工10个林业局共悬挂了2 400多件昆虫信息素诱捕器。云南全省多地广泛应用昆虫信息素引诱剂进行主要林业有害昆虫主要种类、分布范围的调查。昆虫信息素诱集技术已经成为当下林业有害生物普查、日常监测，乃至重大害虫防治的主要措施之一。

2．4 物联网技术目前适用范围较为有限

本次普查，仅北京市通州区作为试点引进佳多农林病虫害自动测控物联网系统，利用其虫情信息自动采集系统，尝试对林业有害生物进行实时监测和远程监控。

3 新技术在林业有害生物普查工作中的应用评价及展望

林业有害生物普查工作技术要求高、任务重、涉及范围广，情况千差万别，各种高新技术有其特定的应用条件和环境，优势与局限共存，不同地区需要因地制宜，明确目标，综合使用[3]。

3．1 GIS技术大幅提高普查效率与质量，在林业有害生物监测调查领域发展潜力巨大

基于GIS技术的普查软件系统目前在林业有害生物监测管理中的应用优势主要体现在3个方面:一是普查汇总系统可高效、准确、实时汇总林业有害生物分布范围、危害程度、寄主植物等重要发生信息，并通过对不同种类有害生物的分类编码，实现对已有数据库的补充完善和数据查询利用效率的提高；二是基于GIS技术的普查系统可综合分析空间数据和属性数据，可全面掌握有害生物发生发展的时空动态；三是运用GIS技术制作相关专题地图，使有害生物发生发展的状况能更加直观地呈现[8]。随着电子技术的飞速发展，PDA也日新月异。配置相应功能的GIS软件后，更有利于普查数据规范化记录，危害图片标准化采集，调查点(线)位置准确定位，并解决同种重复、异种重复等繁琐的统计任务，确保调查质量，提升调查效率[9]。

虽然GIS系统在此次普查工作中得到了较为有效的应用，但该项技术用于林业有害生物监测调查领域的广度和深度还远远不够，可挖掘探索的内容还很多，可发挥更大作用。1)进一步将普查与日常监测工作相结合。借助于GIS，利用普查数据构建当地林业有害生物基础数据库，不断以日常监测数据对基础数据库进行补充，并运用GIS的空间数据操作和图形处理分析等功能，对数据库进行分析和信息提取，辅助进行管理决策，更加有效地开展林业有害生物监测管理工作[8]。2)进一步将普查监测与预测预报相结合。依托普查与日常监测的矢量化数据，研究建立主要林业有害生物的预测预报模型，运用GIS分析平台，结合每年的监测、预警、入侵生物风险评估数据，进行多源信息分析，识别和区划不同风险等级的预测发生区，更加准确高效地开展林业有害生物预测预报工作。3)进一步加强灾害防控的辅助决策研究。林业有害生物引发的灾害要经历发生、蔓延和成灾等多个阶段，在空间范围上表现在由点到面的不断扩展过程，具有很强的空间特征[6]。依托普查监测数据和GIS平台，采集、存储、更新重大危险性林业有害生物入侵清单，对突发有害生物事件进行关联分析、耦合关系分析，运用计算机辅助决策灾害控制和治理策略。因此，GIS技术在林业有害生物监测调查领域应用的潜力巨大，各项功能还有待于进一步完善开发。

3．2 遥感技术是观测林业有害生物的有效手段，但相关配套技术需进一步完善

遥感技术主要探测林木失叶、缺绿等物理和生理变化，即林木生长过程中出现的“异常”或“灾害”状况。陆地资源卫星经过40多年的发展，形成了空间分辨率为千米级、百米级、十米级、米级、亚米级等系列数据产品，逐步满足群落、林分、小班、单木等不同尺度森林灾害监测与评估的需求，可为各级林业有害生物管理部门的管理决策提供技术支撑。低空遥感，即无人机监测技术具备机动、灵活、空间分辨率高、可实时获取数据等优势，也是林业有害生物监测工作中不可或缺的重要补充手段[3]。

然而在卫星遥感资料分析利用方面，目前工作中所能获取的卫星数据分辨率普遍较低，对林业有害生物监测及灾后评估都不够准确，国产高分卫星的数据由于涉密制约暂未面向部门服务。因此，将遥感数据成果用于林业有害生物监测或林业生物灾害调查尚需时日。从无人机搭载可见光成像设备调查结果看，本次普查中部分地区应用于华山松大小蠹、松材线虫病的航拍数据与地面踏查数据有较大差距，主要原因在于无人机搭载可见光成像设备、后期数据人工判读的方式都存在不同程度缺陷。为使无人机监测技术在林业有害生物监测工作中能够取得置信度较高的结果，今后就航空器性能、成像设备适用对象、数据后期处理等还需做大量基础性的试验比较，探索出性价比合理、实用效果好的航拍调查方式，满足林业有害生物管理需要。

3．3 昆虫信息素可有效监测林业有害生物，但仍需进一步加强相关技术与基础理论研究

传统的虫情监测预报主要是通过人工调查和黑光灯诱集等方法进行，局限性较大，调查数据偏差较大，进而影响测报准确率。昆虫信息素可监测预报害虫的发生期、危害方位和发生量，具有活性强、专一性高、灵敏度高、准确性好、使用简便、费用低廉等优点，尤其对偶发性害虫的发生和新造林地跟踪监测，可以较准确地反映害虫的发生情况[10]。总之，昆虫信息素具有很强的专一性，且对害虫诱集灵敏度高，对人畜安全，不污染环境，不伤害天敌，可以有效监测害虫的发生，具有广阔的应用前景。

此次普查工作中，昆虫信息素诱集技术也暴露出诱芯有效期或高效期较短，昆虫信息素诱捕器设置的局限性较多、诱捕效果受气象因素和林地郁闭程度影响较大、诱集专化性的种类限制较多、诱集到的昆虫寄主植物不详等缺陷。同时，昆虫信息素作为一种特殊的监测防治手段已较为广泛地投入使用，但在评价、量化昆虫信息素监控和防治效果方面，还缺乏科学的评价标准。今后还需要加强对昆虫行为学及昆虫性信息素的提取、分离、鉴定、人工合成以及昆虫种群密度变化监测手段等基础理论的研究，不断完善昆虫信息素在生产实践中的应用途径，以期更好地发挥其在林业有害生物监测工作中的作用[10]。

3．4 物联网运用于林业有害生物监测普查领域局限性较大

物联网在林业行业应用还停留在研究层面，目前比较适用于苗圃等特定区域的连续、典型数据采集与传输[11]。该项技术还存在林业有害生物监测普查专用传感器缺失、数据信息深度挖掘不足等问题，制约其在实际工作中的推广应用。同时，该技术在环境复杂多变、条件恶劣的林区难以实现相关调查因子的自动采集与传输，仪器布设局限性较强、成本过高等诸多难题有待于攻克[3]。

综上所述，现代高新技术以电子信息技术为先导，以空间技术和生物技术为核心，形成了一大批相互关联的高新技术群落，正在逐步改变着传统的林业有害生物普查监测工作思维模式和技术方法[3]。本次普查工作所运用的各项高新技术，GIS系统是内业数据汇总、整理、统计、分析、上通下达和外业工作准确定位、规范化记录、监管调查点(线)的重要手段，该项技术在本次普查工作中发挥了较为显著的作用，且与林业工作的结合程度日益广泛、深入。但更加全面详实的地理信息数据获取途径，还需国家林业和草原主管部门进一步协调规划院等相关单位进行部门间充分共享，以发挥挖掘GIS技术在林业有害生物监测普查领域巨大的应用潜力；遥感技术是灾害数据获取的重要手段，本次普查实现了在立体空间内，动态可视化跟踪林业有害生物发生发展状况的重要功能，同时也暴露出航天遥感影像分辨率不足、低空无人机成像与后期数据判读技术均存在误差等缺陷，相关技术有待于进一步完善，以取得置信度较高的监测结果；昆虫信息素是高效准确诱集昆虫的重要手段，目前已经是林业有害生物普查监测工作中较为成熟且应用广泛的重要技术，但仍需进一步加强昆虫行为学等基础理论研究，不断扩大可应用种类范围，在今后工作中发挥更大的作用；物联网是微观、特定、连续数据采集的重要手段，但目前只适用于苗圃等环境较为简单的特定地区，且使用成本较高，只适合作为其他技术的补充措施，有待于进一步深入研究开发。