数字技术在林业有害生物防控中的应用

杨霞，朱佳敏，赵玉雪

(贵州省核桃研究所，贵州 贵阳550005)

数字技术在农林业方面的应用主要包括生物信息学、作物学、动物模拟模型与信息实时采集技术、虚拟现实技术、专家系统技术、信息服务技术、智能控制与智能设备等技术的结合。2001年国家林业局提出“数字林业”的概念，它的含义为“融合、分析与数字信息维持管理的科学和技术”。它是“数字农业”的推广，概念来源于“数字地球”，均是用数字化技术，按人类需要的目标，对农业和林业涉及的对象和全过程进行数字化和可视化的表达、设计、控制及管理的行业[1]。林业有害生物是威胁森林健康和安全的重要因素，随着人工林面积的发展，林业有害生物的问题越来越突出，松材线虫病、美国白蛾、红脂大小蠹、苹果蠹蛾、枣实蝇、松疱锈病菌等有害生物给我国乃至世界的森林造成了巨大损失。因此，对林业有害生物及时有效监测和防治是一项需要持续的重要课题。当前，随着信息技术的发展，各种数字技术逐步应用到有害生物的监测和防控领域。

1 国内外研究进展

1.1 遥感技术的应用

国外林业有害生物监测起步较早，始于20世纪30年代，而德国最早提出了林业有害生物的航空防治[2-5]。随后，日本和美国也相继开始用卫星和航空拍摄技术监测林业有害生物。我国最早使用遥感技术视察林业有害生物是在1978年监测了云南腾冲地区松叶蜂危害区域的健康木、虫害木以及松毛虫危害的光谱[6-7]。1997年，中国林业科学研究院等单位研制的航空录像监测技术能够准确判读失叶率在40%以上的灾害区，成功定位了森林灾害区[8]，预示着我国林业有害生物监测技术进入了一个新的阶段。随着遥感技术的发展，基于遥感光谱分析对有害生物的监测技术得到了快速发展，尤其在农业领域应用较多。如利用高光谱遥感对冬小麦条锈病的病情进行监测，分析了在不同生长期内冬小麦条锈病冠层不同病情指数的光谱特征，建立了遥感监测小麦条锈病病情指数的多波段下组合诊断模式的定量模型[9]。利用多光谱传感器在不同时间和空间维度下，从不同形态学特征出发，获取不同病虫害胁迫区域的多光谱影像，通过提取光谱信息建立分类模型，成功识别了小麦蚜虫、棉花枯萎病的病虫害受害区域[10-11]。在林业上，基于遥感信息，利用结合像素的方法，评估了Gaofen-2图像和Sentinel-2(S2)图像检测在不同空间分辨率(1和4 m)下的红脂大小蠹爆发早期的树死亡率[12]。松材线虫病防治的关键战略之一是通过大规模森林监测及早确定疫区，而高光谱技术可以实现松材线虫病的大规模森林监测[13]，基于高光谱与激光雷达技术，可以对松材线虫病的发病早期进行监测。

1.2 GIS技术的应用

地理信息系统对于农田或林地的信息管理也具有重要作用，把GIS应用于作物病害的诊断是全球GIS发展的一个方向。中国农业大学精细农业研究中心设计了一套基于GIS技术、人工神经网络技术和Internet技术的苹果病虫害管理信息系统，其中包括苹果病虫害基础数据处理子系统、苹果虫害预测预报子系统和苹果病虫害网络发布子系统[14]。广西科学院以ArcView为平台，设计开发了基于GIS的广西红树林虫害信息管理系统。该系统由基础数据库维护、虫害发生时空查询、信息录入、害虫特征查询、空间分析、害虫种类检索、系统管理等系统组成，重点突出了白骨壤害虫、广州小斑螟和其他危害红树植物的害虫袋蛾点上与面上监测的特点和相关的环境背景，为红树林害虫的防治研究和管理控制提供了技术手段[15]。在病害监测模型方面，宋晨勇[16]等提出了在GooLeNet模型的基础上减少inception模块上的数量，并优化模型前段的网络结构以捕获更多的特征信息，最后系统依据建立的算法模型和Tornado框架构建病害识别网络视图，提高了模型的精准率，为苹果病害实时、便利的图像自动识别提供可靠的依据。岳有军[17]针对苹果树叶病斑提出了一种改进的YOLOv3病斑检测模型，提高了模型的监测精准度。

1.3 数字图像处理技术的应用

基于数字图像处理技术，可以监测作物的病虫草害，在农业上应用较多。基于多光谱图像对大豆叶锈病、葡萄卷叶病、小麦白粉病、小麦条锈病等病害进行了大量监测研究[18-20]。吴叶兰[21]基于高光谱成像技术和机器学习方法，研究了柑橘病叶分类，为柑橘病虫害的无损识别提供了理论根据。王霜利[22]运用高光谱遥感图像，针对马尾松病虫害的等级分类进行研究和方法探索，结合基于均方协预测误差的盲源提取算法(MSCPEBSE)，对各等级病虫害的马尾松进行了等级判定。

1.4 航空防治技术的应用

随着无人机航空技术的发展，航空防治技术已发展成为林木有害生物防控的重要技术手段，基于无人机的航空防治技术具有快速、精准、成本低等特点。日本的航空防治出现较早，Yamaha 公司在1985 年最先推出了用于航空施药的第一架农用“R-50”型无人机[23]。中国的航空防治也得到了较快发展，北京研发的“蓝鹰AD200N”于1995年也开始用在农田、林区的病虫害防治等方面。此后中国林业科学研究院研发了“海燕 650B”型无人机，融合了超低容量喷洒装置和 GPS 导航系统，并在林间进行了试验[24]。航空防治可以不受地形的限制，更适用于地形地貌复杂的山区，在山区松叶蜂、松毛虫等防治方面起了较大作用。基于遥感技术的航空监测及航空防治技术，能够对林业有害生物灾害及时发现，通过迅速采取相应防治措施，可以有效防止灾害蔓延，保护森林健康。

2数字技术在林业有害生物防控中的发展与展望

数字林业技术的建立是以空间定位、人工智能、网络信息等技术为支撑的。通过现代数字技术、计算机网络技术和传输技术的发展，可将林业管理的各个环节最大程度地集中起来，提供快速高效、便捷的服务模式，所整合的信息还可以为林业发展和建设提供决策依据[25]。目前在林业有害生物监测方面，已经广泛开发应用了遥感光谱、影像处理技术等，在病虫害诊断方面也基于GIS技术建立了一些病虫害诊断模型，航空防治技术也得到了一定发展。然而，由于我国地形复杂多样，森林有害生物种类繁多，使用无人机遥感监测平台监测病虫害时，如何更加精准、快速地识别病虫害仍是需要攻克的问题。在使用无人机遥感图像分析时，还需要提高病虫害特征的选择训练，以提高病虫害分类识别精准度，进行传感器优化，加强遥感影像分析处理技术等。目前，应用在林业上的遥感技术主要还是集中在松树病虫害的研究上，其他林业树种的研究较少，技术应用程度还远远达不到生产要求。而在防治中，航空防治虽然具有快捷、节约成本的特点，但是防治效率低、药物漂移等问题仍是发展的瓶颈，如何选择合适的飞行方式、药剂、喷洒设备等仍然是值得探讨的问题。

因此，要实现数字技术在林业有害生物防控中的综合应用，还需要从信息技术、智能设备、生物技术、病虫害防治等相关技术多点出发，融合各种技术体系，使林业有害生物能从监测、分析到防治各环节紧密联系起来，建立信息化、智能化的有害生物防控体系，推动林业有害生物防控工作的进步。