劉鵬輝

（甘肅省白龍江林業(yè)生態(tài)監(jiān)測(cè)和調(diào)查規(guī)劃院，730046，甘肅蘭州）

1 我國(guó)林業(yè)病蟲(chóng)害防治現(xiàn)狀及信息技術(shù)應(yīng)用概述

林業(yè)生產(chǎn)不僅為林場(chǎng)員工提供了一定經(jīng)濟(jì)來(lái)源，保障了國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中所需的各類(lèi)木材制品的充足供給，同時(shí)林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所附帶的對(duì)于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)更是無(wú)法用金錢(qián)來(lái)衡量的。隨著我國(guó)對(duì)于林業(yè)生產(chǎn)的重視程度越來(lái)越高，由于近年來(lái)進(jìn)出口貿(mào)易量的增加，大量外來(lái)物種對(duì)我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，其中最為著名的便是松材線蟲(chóng)、美國(guó)白蛾等，在我國(guó)的部分省份松材線蟲(chóng)甚至毀滅了整個(gè)林場(chǎng)的所有松木。

為了應(yīng)對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的林業(yè)病蟲(chóng)危害，全國(guó)各級(jí)林業(yè)部門(mén)紛紛針對(duì)自身在林業(yè)生產(chǎn)和保護(hù)中所面臨的病蟲(chóng)害防治特點(diǎn)，不僅設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的防治機(jī)構(gòu)管理和指導(dǎo)各地林業(yè)部門(mén)開(kāi)展各類(lèi)病蟲(chóng)害防治工作，而且許多林業(yè)院校也紛紛投入到林業(yè)病蟲(chóng)害防治的第一線，不斷研發(fā)出開(kāi)展林業(yè)病蟲(chóng)害防治所需的各類(lèi)藥劑、設(shè)備[1]。

在傳統(tǒng)的林業(yè)病蟲(chóng)害防治過(guò)程中，通常采用人工方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但由于林場(chǎng)條件較差、占地面積也較大，而相對(duì)惡劣的工作條件又致使林業(yè)管理人員的數(shù)量極其缺乏，無(wú)法對(duì)廣闊的林場(chǎng)進(jìn)行及時(shí)的巡查和監(jiān)管。同時(shí)，在開(kāi)展防治工作時(shí)人手缺乏也會(huì)導(dǎo)致防治工作的覆蓋面較低，進(jìn)而影響整體防治效果。

近幾年各類(lèi)信息技術(shù)異軍突起，不僅信息技術(shù)的種類(lèi)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，而且各類(lèi)技術(shù)的應(yīng)用成本不斷降低，實(shí)際功效得到了顯著的提高，故林業(yè)科技人員也發(fā)現(xiàn)了諸多信息技術(shù)在林業(yè)病蟲(chóng)害防治領(lǐng)域中的應(yīng)用前景，不斷進(jìn)行探索和研究。歸納與整理目前林業(yè)病蟲(chóng)害防治中應(yīng)用的信息技術(shù)，其主要應(yīng)用于病蟲(chóng)害災(zāi)情監(jiān)測(cè)、林業(yè)有害生物數(shù)據(jù)搜集、病蟲(chóng)害滅殺等領(lǐng)域。鑒于信息技術(shù)領(lǐng)域較為寬泛，筆者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，主要論述遙感遙測(cè)技術(shù)在林業(yè)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及其探索。

2 案例分析

2.1 項(xiàng)目概況

白龍江林業(yè)保護(hù)中心經(jīng)營(yíng)范圍位于青藏高原東部邊緣與秦嶺西麓岷山山系，是長(zhǎng)江上游重要的水源涵養(yǎng)和水源補(bǔ)給區(qū)，更是甘肅南部重要的生態(tài)屏障，地理位置和生態(tài)區(qū)位十分重要。白龍江林區(qū)現(xiàn)有森林面積335 339.8 hm2，活立木蓄積量為5 260.0 萬(wàn)m3，林區(qū)內(nèi)林草植被良好，森林覆蓋率較高，加強(qiáng)對(duì)林區(qū)內(nèi)森林資源的保護(hù)和管理，對(duì)于提高長(zhǎng)江上游水源涵養(yǎng)能力、減少水土流失、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有十分重要的戰(zhàn)略意義。近年來(lái)，根據(jù)國(guó)家林草局及省自然資源廳有關(guān)要求，為加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化林業(yè)站建設(shè)規(guī)范化管理，有效發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)站模范帶頭作用，組織相關(guān)林業(yè)主管部門(mén)開(kāi)展了標(biāo)準(zhǔn)化林業(yè)工作站建設(shè)工作，其中對(duì)林業(yè)病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)管理被納入重點(diǎn)工作。為了確保區(qū)域內(nèi)林業(yè)病蟲(chóng)害擺脫“檢測(cè)靠人跑、數(shù)據(jù)靠填表”的局面，林業(yè)部門(mén)嘗試應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)來(lái)進(jìn)行病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)。

2.2 技術(shù)應(yīng)用原理

為了更好地應(yīng)用遙感遙測(cè)技術(shù)進(jìn)行林業(yè)病蟲(chóng)害防治工作，必須解決以下兩個(gè)問(wèn)題：第一，如何判斷植物是否受到病蟲(chóng)害的侵害，抑或病蟲(chóng)害對(duì)其產(chǎn)生的影響程度；第二，如何用遙感技術(shù)去發(fā)現(xiàn)植物受到了病蟲(chóng)害的影響。圖1 所示為無(wú)人機(jī)航拍實(shí)景圖。

面對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，林業(yè)學(xué)者們巧妙地利用了植物自身的生理活動(dòng)特征進(jìn)行了解釋。通常情況下各類(lèi)病蟲(chóng)害的侵蝕都會(huì)嚴(yán)重地影響植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育，如植物枝干或根系被蛀蝕、植物葉片被啃食等，在此期間植物自身的養(yǎng)分供給能力會(huì)大幅減弱，從而緩慢地走向“死亡”。由于植物內(nèi)部的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給失衡，植物出于自身的應(yīng)激反應(yīng)則會(huì)大量地提前脫落葉片，而植物葉片的大量枯萎或脫落將直接導(dǎo)致植物光合作用能力的不斷減弱。因此，在排除日照、氣溫、降水等環(huán)境因子的干擾后，通過(guò)比對(duì)檢測(cè)對(duì)象的葉面數(shù)量是否正常，抑或檢測(cè)其光合作用強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)，便可得知植物是否感染病蟲(chóng)害而導(dǎo)致生理機(jī)能退化。

基于上述兩項(xiàng)技術(shù)原理，目前相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始嘗試通過(guò)衛(wèi)星遙感影像來(lái)對(duì)植物葉面的生長(zhǎng)情況進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，但在相關(guān)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)者們發(fā)現(xiàn)由于植物葉片的面積較小，普通的遙感影像數(shù)據(jù)受到圖像分辨率的限制，無(wú)法較為精確地發(fā)現(xiàn)單體植物或是較小范圍內(nèi)植物葉片的變化情況，換而言之只有一定范圍內(nèi)大量植物因病蟲(chóng)害的侵蝕而出現(xiàn)植物葉片脫落或被破壞，該項(xiàng)技術(shù)才能夠發(fā)現(xiàn)林木感染病蟲(chóng)害問(wèn)題，有悖于林業(yè)病蟲(chóng)害防治工作中始終強(qiáng)調(diào)的“早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防”的基本原則。同時(shí)，遙感影像成果還會(huì)受到云層、日照角度等外部條件的干擾，進(jìn)一步降低該技術(shù)在林業(yè)病蟲(chóng)害防治中的應(yīng)用成效。

為此，相關(guān)學(xué)者另辟蹊徑，開(kāi)始嘗試采用光譜分析技術(shù)來(lái)檢測(cè)植物光合作用強(qiáng)度。首先，植物在光合作用過(guò)程中幾乎不需要綠光光譜波段的參與，除了一部分綠光波段穿透植物葉片被地面所吸收外，其余大部分綠色光譜被反射到環(huán)境中。其次，當(dāng)藍(lán)光和紅光照射到植物葉片表面后，由于植物光合作用需要吸收上述兩類(lèi)光線，因此造成只有極少數(shù)的藍(lán)光和紅光被植物葉片反射到環(huán)境中。最后，基于林地內(nèi)各類(lèi)植物葉片對(duì)于自然光中各波段光譜的吸收率和反射率差異，利用對(duì)林地的光譜影像分析則是遙感遙測(cè)技術(shù)用于林業(yè)病蟲(chóng)害防治的理論基礎(chǔ)。

2.3 分析模型搭建

大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，高效地應(yīng)用遙感遙測(cè)技術(shù)開(kāi)展林業(yè)病蟲(chóng)害防治工作的關(guān)鍵在于構(gòu)建起符合當(dāng)?shù)亓謽I(yè)植被現(xiàn)狀的分析數(shù)據(jù)模型。為此相關(guān)技術(shù)人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、光譜圖形采集、圖斑信息核對(duì)等工作步驟初步建立起一套較為科學(xué)合理的分析數(shù)據(jù)模型。

其一，針對(duì)項(xiàng)目所在地林地的植被分布特征，技術(shù)人員特意挑選了幾處當(dāng)?shù)亓謽I(yè)代表性植物分布密度較高的林場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)踏勘，在現(xiàn)場(chǎng)踏勘過(guò)程中必須確保所調(diào)查的林場(chǎng)內(nèi)代表性植物處于長(zhǎng)勢(shì)良好且病蟲(chóng)害率控制在10%以下，一旦發(fā)現(xiàn)調(diào)查對(duì)象內(nèi)植被長(zhǎng)勢(shì)不良或病蟲(chóng)害率超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，則必須及時(shí)更換調(diào)查對(duì)象，以免所采集的光譜數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)偏差進(jìn)而影響分析模型的準(zhǔn)確性。

其二，利用光譜分析儀對(duì)云杉、油松等植物葉片進(jìn)行光譜分析，其全光譜的分析數(shù)據(jù)表明，上述兩種植物健康的葉面對(duì)光線的發(fā)射率會(huì)在波長(zhǎng)為0.38～0.78 μm的可見(jiàn)光波段內(nèi)出現(xiàn)較為規(guī)則的波動(dòng)：在波長(zhǎng)為0.38 μm 的藍(lán)光和波長(zhǎng)為0.78 μm 的紅光區(qū)域附近出現(xiàn)兩處十分明顯的吸收谷，而上述兩個(gè)波段的光線類(lèi)型正是植物光合作用需要大量吸收的，故其能夠通過(guò)植物葉面反射的藍(lán)光與紅光較為有限，其值分別僅為5%～8%和10%～13%；反觀反射率最高的光譜波長(zhǎng)為0.55 μm 的綠光，此類(lèi)型光線也正是植物光合作用吸收量最少的，據(jù)測(cè)算反射率接近20%，從而在0.38～0.78 μm 波段內(nèi)形成一處十分明顯的反射峰。通過(guò)采集不同區(qū)域內(nèi)正常生長(zhǎng)的云杉、油松等植物的光譜數(shù)據(jù)，技術(shù)人員獲取了大量光譜分析數(shù)據(jù)信息，從而對(duì)整個(gè)項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)云杉、油松等植物的正常光譜反應(yīng)有了較為全面的掌握。

其三，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的過(guò)程中技術(shù)人員也同步采集了部分已經(jīng)出現(xiàn)病蟲(chóng)害或病蟲(chóng)害侵襲較為嚴(yán)重的植株的光譜數(shù)據(jù)，其分析結(jié)果顯示，根據(jù)病蟲(chóng)害侵襲的嚴(yán)重程度，植物葉片對(duì)于波長(zhǎng)為0.38～0.78 μm 的各種光線的反射率也出現(xiàn)了部分波動(dòng)。首先，在波長(zhǎng)為0.55 μm的綠光波段，由于植物葉片葉綠素分布密度的下降，其對(duì)于綠光的反射率也開(kāi)始呈現(xiàn)出下降的區(qū)域。其次，對(duì)波長(zhǎng)為0.38 μm 的藍(lán)光和波長(zhǎng)為0.78 μm 的紅光的反射率則因植物光合作用強(qiáng)度的降低，而出現(xiàn)光線反射率的上升。通過(guò)比對(duì)不同受害程度的植物反射光譜，技術(shù)人員也摸索出光譜圖像的部分變化規(guī)律，即病蟲(chóng)害問(wèn)題越嚴(yán)重的林木，其植物光合作用強(qiáng)度越低，造成波長(zhǎng)在0.55 μm 附近的綠光的反射率降低，波長(zhǎng)在0.38 μm 附近的藍(lán)光和波長(zhǎng)在0.78 μm 附近的紅光的反射率都得到提升，其降低和提升的程度與林木的病蟲(chóng)害情況成正比。

其四，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的同時(shí)，技術(shù)人員將調(diào)查對(duì)象劃分為長(zhǎng)寬均為100 m 的網(wǎng)格，并逐一記錄網(wǎng)格內(nèi)林木病蟲(chóng)害發(fā)生情況，通過(guò)與該網(wǎng)格內(nèi)光譜影像分析成果進(jìn)行比對(duì)，其分析成果的準(zhǔn)確率高于85%，故所建立的分析數(shù)據(jù)模型可行。

2.4 技術(shù)成效

在建立起符合項(xiàng)目所在地林木病蟲(chóng)害特征的分析模型后，技術(shù)人員對(duì)所有監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的林地進(jìn)行了光譜數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的幾何校正、輻射定標(biāo)、數(shù)據(jù)拼接等技術(shù)處理，最終形成一套涵蓋全體監(jiān)測(cè)對(duì)象的分析數(shù)據(jù)。在對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可對(duì)全域范圍內(nèi)林木的病蟲(chóng)害分布情況進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，所得出的數(shù)據(jù)成果可較為準(zhǔn)確地指導(dǎo)林業(yè)管理人員按照病蟲(chóng)害的等級(jí)合理分配防治力量。同時(shí)，將該系統(tǒng)與林業(yè)病蟲(chóng)害現(xiàn)場(chǎng)防治工作相結(jié)合，還可進(jìn)一步建立起當(dāng)?shù)夭∠x(chóng)害防治的預(yù)警預(yù)報(bào)體系，將歷年同期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，可大致預(yù)判出當(dāng)期林地病蟲(chóng)害防治工作的重點(diǎn)區(qū)域。

3 結(jié)語(yǔ)

鑒于我國(guó)的林業(yè)面積廣闊，各地林業(yè)病蟲(chóng)害防治的工作量大、任務(wù)艱巨，僅僅依靠人工已經(jīng)無(wú)法解除林業(yè)生產(chǎn)所需面對(duì)的各類(lèi)病蟲(chóng)害威脅，故采用信息技術(shù)來(lái)提升林業(yè)病蟲(chóng)害防治工作的效率既是實(shí)際工作需求，又是保持林業(yè)行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的重要保證。

除了遙感影像技術(shù)外，無(wú)人機(jī)這一適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)成本低的飛行平臺(tái)系統(tǒng)，還能夠被應(yīng)用于林區(qū)物資運(yùn)輸、藥劑噴灑等諸多工作。由于不同類(lèi)型的無(wú)人機(jī)在有效載荷、飛行高度、穩(wěn)定性等多種飛行指標(biāo)上存在較大差異，例如在進(jìn)行航拍攝影時(shí)飛行器所需搭載的設(shè)備重量較輕，但出于影像資料效果的要求，飛行器必須具備超高的穩(wěn)定性和操控性，從而保證在攝影時(shí)避免機(jī)身振動(dòng)和風(fēng)向風(fēng)速變化而造成鏡頭抖動(dòng)或傾斜；而在進(jìn)行物資運(yùn)輸或藥劑噴灑時(shí)則要求無(wú)人機(jī)平臺(tái)能夠搭載更多的物資，從而加快相關(guān)工作進(jìn)度。

通過(guò)將衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)等多種信息技術(shù)相互融合，從而破除部分單項(xiàng)技術(shù)在林業(yè)病蟲(chóng)害防治工作中的局限性，從而實(shí)現(xiàn)林業(yè)病蟲(chóng)害防治作業(yè)便利和高效的目標(biāo)，并為推動(dòng)智慧林業(yè)建設(shè)和實(shí)施提供必要參考。