林业有害生物航空遥感监测与防治技术思考

于地美，田呈明

(北京林业大学，省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083)

林业有害生物造成的危害被称为“无烟的森林火灾”。进入20世纪90年代以来，林业有害生物给我国的林业生产和生态环境建设带来了巨大影响[1]。因此，如何及时有效监测和防治林业有害生物是一项持久的重要课题。国外林业有害生物航空监测始于20世纪30年代对铁杉尺蠖落叶林的航摄观察，而对林业有害生物的航空防治则最早由德国提出[2-3]。随着遥感图像空间分辨率的提高，陆地系列卫星和航空录像逐渐应用于有害生物灾害监测。1982年，日本开始研究应用美国资源卫星调查林业有害生物[4]。1986年，美国林务局首先研制并应用航空摄录图像获取系统与实验室图像处理系统相结合对突发性林业有害生物进行监测[5]。尽管人们认识到航空监测设备的简便适用、后处理简单快速以及精度适中等优势，但直到1991年才较为成功地大面积应用。我国1952年开始利用飞机进行林区巡逻、火情监测等航空护林[6]，后逐渐开展在林区照相、资源勘探、森林病虫害防治及野生动物保护等方面应用。原林业部林业调查规划院和中国科学院戴昌达 等分别于1978年和1990年监测了云南腾冲地区超过2 000 hm2松叶蜂危害区域的健康木、虫害木以及松毛虫危害的光谱，并发展了一套提取病虫害信息的图像处理技术[7-8]。“八五”后期，中国林业科学研究院等单位根据我国国情和林区特点，在引进、消化吸收美国航空监测设备的基础上，研制的航空录像监测技术在1997年通过了原林业部科技司的鉴定，能够准确判读失叶率40%以上的灾害区，实现灾害区定位[9]，标志着我国林业有害生物监测技术进入了一个新的阶段。

20世纪50年代以后，施药专用的农业航空机被相继开发出来，直升机也被用于航空植保。1966年，美国成立了国家农业航空协会，承担了美国近20%的农场植保与100%的森林植保工作。美国农业航空以固定翼飞机为主，约占87%，旋翼飞机约为13%[10]。我国航空施药起步于20世纪50年代初，以“Y-5B(D)”、“Y-ll”等型号的载人固定翼飞机为主，并在很长一段时间内占据主要地位[11]。仅农林航空防治使用的固定翼飞机现已达1 400架，直升机60余架，防治农林业病虫草害和施肥的面积超过200万hm2，并且有进一步上升的趋势[12]。

利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置，或用车载计算机自主操纵的不载人飞机，即“无人机”，与载人飞机相比，具有体积小、造价低、使用方便、对作业环境要求低、可搭载普通数码相机、热红外相机等勘测设备等诸多优势[13]，在航拍、植保、野生动物观察、测绘等多方面发挥着重要作用。从世界范围看，日本是最先应用植保无人机的国家，也是目前该领域最发达的国家之一[14]。Yamaha公司在1985年最先推出主要用于航空施药的第一架农用“R-50”型无人机。至2005年，用于林业的无人机仅Yamaha公司的Rmax系列就有1 200多架，防治面积增至60万hm2，甚至超过有人驾驶直升机的防治面积[15]。1995年，北京科源轻型飞机实业有限公司开发的“蓝鹰AD200N”开始用于农田、林区的病虫害防治以及卫生防疫等。此后中国林业科学研究院在“海燕650B”型无人机上融合了超低容量喷洒装置和GPS导航系统，并在广西省武鸣林区进行病虫害的防治试验研究。

以遥感技术为基础的林业有害生物航空监测及航空防治，能够及时发现早期灾害，并迅速采取相应措施，有效控制林业有害生物扩散和蔓延。一般来说，有害生物灾害监测包括3方面：一是在有害生物灾害发生前，对发生的环境进行监测，掌握可能孕育有害生物发生的森林环境；二是在有害生物灾害发生过程中，及时监测发生的空间范围；三是在有害生物灾害发生之后，了解灾情和损失，及时制定防治计划进行防治，并及时了解防治效果[16]。森林被害程度、有害生物迁移规律、有害生物灾害预测预报以及有害生物防治效果是目前有害生物监测和防治的主要工作内容[17]。

1 林业有害生物航空监测与防治的优势

第八次全国森林资源清查结果显示，目前我国森林面积2.08亿hm2，森林覆盖率21.63%，森林资源呈现数量和质量持续上升的状态。由于我国林业用地广阔，山区地形复杂，生产周期长，所涉及的森林系统结构复杂等原因，依靠固定监测点、临时踏查等传统人工采集数据的方式进行林业有害生物监测，不仅工作量大，效率低，且采用传统方法制定管理决策，缺乏直观性和决策过程的可视化，给经营管理带来诸多困难，有害生物监测覆盖面和准确性都面临巨大挑战，特别是山高坡陡地区易存在监测盲区。因此，林业有害生物发生特点和林区环境特征决定了航空防治技术手段是快速、精准实现有害生物有效防控的主要途径，而航空遥感技术已成为监测成片或单株立木危害状况的主要技术手段。同时，利用小型化无人机作为监测载体的方法也逐渐取得了学者们的广泛关注[18-19]。

1.1 航空遥感监测的优势

1.1.1 能够有效反映植物的一些体征变化 林业有害生物导致的叶量损失、缺绿、水分胁迫等现象是影响森林生态系统安全的一个重要因子，对受害森林群落光谱变化监测是林业有害生物遥感监测的主要依据。不同植物种类、生长阶段、养分状况和所处地形等在叶绿素吸收带与近红外区波段的反射值的光谱曲线总体上特征保持一致[20]。植物遭受病虫害侵袭后，叶片的变色或缺失从而引起的林木、林冠、生物量甚至整个森林生态系统与景观格局的变化，导致近红外与绿光区反射率的降低和红光区反射率的升高，从而以光谱的变化监测林业有害生物灾害。结合航空平台与遥感、红外探测等技术对林区有害生物灾害进行观察，及时获取遥感数据，了解有害生物发生动态变化，找到有害生物发生规律，整合分析并预测有害生物流行、蔓延与扩散趋势，建立有害生物发生模型，得出更长期且更有科学性的林业有害生物预测结果。

1.1.2 能够及时全面掌握林业有害生物发生发展动态 林业有害生物多发生在人烟稀少、交通不便的林区，由于常规地面调查监测方法很难迅速、全面、客观地反映有害生物发生发展动态，从而不能及时地、有针对性地采取防治措施。航空监测能够发挥宏观、综合、动态、快速等特点，在林业有害生物的早期发现、林木状态的异常诊断、发生区域以及分布格局等方面具有监测面积大、监测周期短、获取的信息不受干扰等优势。

1.1.3 能够节省大量人力财力物力 航空遥感监测具有效率高、时效性强、分辨率高等优点，可以对某一区域进行长时间、高密度的动态监测，不仅节省大量人力、物力和时间，也能减少调查中人为因素造成的误差。同时，航空遥感监测可以不受大气和地物辐射反射影响，能够按照实际防治作业的要求选择航拍时间，避免由于作业地区地形和光照产生的阴影，有效区分乔木和林下植被的被害特征。同时，可以实时监测受灾区域林业有害生物的发生面积、危害程度，评估核查防治后的效果。

1.2 航空防治的优势

1.2.1 能够极大提高防治效率 林业有害生物与农田生态系统的有害生物相比，在发生特点、防治策略等方面具有其自身的特殊性，无论是航空防治的区域、对象，还是防治技术本身，都有别于农业航空防治。我国森林类型多样，林地地形地貌复杂，林区道路不通畅，树体高大，不仅普通喷雾设备难以喷到树木的冠层，而且一些山区取水困难，难以开展常规喷雾作业。航空防治可以根据监测数据，进行定向喷洒，尤其是在飞行过程中，机旋翼产生的下旋气流使得药滴能够更好地穿透森林冠层，提高药物喷洒效率，作业成本低，节省药剂，并减少了药物与工作人员的接触，更好地保证工作人员安全，保护生态环境。近年来，航空施药对防治林业有害生物的应用越来越广泛[21-22]。

1.2.2 能够有效降低防治成本 航空施药防治过程中的农药利用率较高，可实现对靶标区域的无缝覆盖。根据有害生物发生情况，通过智能装备控制细小雾滴的漂移，提高药剂在靶标作物上的沉积，减少药剂流失，实现精准施药、减量施药。同时，航空防治也具有作业面积大，速度快，机动性好，可有效、快速除治有害生物等优势。

2 林业有害生物航空遥感监测与防治存在的主要问题

利用遥感技术监测有害生物的研究及应用逐步普及，但由于林业有害生物的复杂性和遥感技术的待完善性，林业有害生物航空监测和防治仍存在诸多问题。

2.1 航空遥感监测存在的主要问题 林业有害生物航空遥感监测的图像采集与分析系统仍不成熟。1)在数据源的选择方面，高精确度、高光谱、高分辨率遥感是林业有害生物监测的有效手段，但是由于其成本太高，航空监测系统获取的影像只能输出红、绿、蓝3个波段的可见光；不同航线及不同时间获取的图像由于太阳角的变换存在较为明显的明暗差异[23]，导致自动判别和分类缺陷较大。2)在数据的处理和辅助信息的利用方面，为了提高遥感监测的精度并突出和增强灾害信息，需利用地面的各种资料、数据、图形建立相应的背景信息数据库，对遥感数据作辐射校正来消除部分大气和地物反射的影响，结合多源遥感数据和不同受害阶段的生物理化指标分析整个树木和冠层的结构特征。对于如何抑制噪声、识别和剔除林下植被或其它环境因素、太阳高度角及地形信息的影响、突出森林灾害信息，如何选择适合的图像增强、变换及分类方法，如何将地面调查的光谱数据与影像数据有效地结合起来都缺乏成熟的技术支撑。

另外，时间序列、小波理论、模糊数学等数学方法有效融入到林业有害生物监测技术中还不够。

2.2 航空防治存在的主要问题

2.2.1 航空施药安全水平有待提高 航空施药需注意保护环境中生物多样性，在飞防作业设计，尤其是航线设计中缺少提前做好避让敏感作物及生物的方案，导致在防治过程中，虽然根据监测数据及时进行施药防治，也选择了如灭幼脲、除虫脲、氟铃脲等低毒、持效期较长、渗透性较强、对人畜无害、环境友好的仿生制剂，并注意不同药剂的轮换使用以防增加有害生物的抗药性，但依然发生很多与防治有关的药害事件。究其原因主要是飞机开展超低容量喷雾时，缺少风险评估，尤其是一些首次使用的药剂，缺少预试验，从而不可避免地造成环境影响。同时缺少免蒸发、少飘逸的飞防专用助剂，导致液体肥料、矿物油、非离子表面活性剂等助剂诱发的次生灾害现象频发。

2.2.2 药剂使用计量不精准、安全性差 在短时间内人工完成配制够一架次使用的药液，药水混合过程中的搅拌不够充分，导致进入飞机储药箱的药液浓度不均一，达不到要求的悬浊度。再加上飞防作业的药液配比不精准，不同药液在倾倒过程中的挂壁残留，以及配药、输送药液、加注药液等过程中，药液从配药桶、输液管道、飞机药箱的溢出现象时有发生，不仅造成农药配制与加注的不精准，也存在人身安全隐患。同时用过的农药包装物无人管理，更无回收利用，极易造成环境污染。

2.2.3 缺乏防治效果验收的规程及标准 目前，航空施药过程的实时监控和作业数据采集虽然部分地方或企业有所涉及但并不普及，即使在航空施药结束后进行了防治效果的评价和验收，但在整个防治过程中不能瞬时或及时监测以及核查每次航空施药的作业面积、有效飞行架次、飞行轨迹、总配药量及最终施药量、实时喷药数据等记录；也缺乏定期核查飞防作业区有害生物防治质量，监测飞防作业区及周围一定区域内的次生灾害发生情况；飞防作业后出现防治效果未达到预期、或产生次生灾害后造成损失等情况，相关责任划分和责任追究、损害赔偿等尚无明确的规定和标准。

2.3 航空遥感监测与防治存在的共性问题

2.3.1 对航空精准施药的认识不足 近20 a，我国航空植保主要遵循航空植保发达国家的发展路线，学习和使用先进的航空施药技术。目前，多数人对精准施药的认识不足，往往通过“大雾量、雨淋式”的喷雾方式防治有害生物，而对各级推广部门引进的精量安全施药机械持怀疑态度，认为这些施药机械施药量太少，不足以根治有害生物。

林业航空施药环境较为复杂，关于航空施药雾滴沉积的空气动力学及其与空气温湿度、风速等外界环境因素的相互作用等方面缺少研究，对于技术的适用性缺乏足够认识，如在西部干旱高温区域、山地森林区域依然广泛使用低容量喷雾、超低容量的逆温喷雾等技术，难免造成药液的漂移、损失以及靶标丢失，也可能带来环境污染和毗邻非靶标生物的药害。同时由于缺少飞行参数和优良的雾化系统(如喷头的选择、加药系统的优化、喷头与喷雾流场的匹配喷头、喷雾计控等智能化装备)来优化雾化与雾滴的沉积状态，飞防参数只能采用统一性参数，难以实现实时调整不同施药环境下参数来保证航空施药发挥其最大功效。

2.3.2 飞防管理缺乏规范性技术标准 林业航空防治乱象丛生，防治技术水平差异很大，防治效果参差不齐，缺少规范性标准。尤其对于无人机而言，其飞防成本高，技术不成熟，一些基层单位或地方政府对传统喷药技术的危害缺乏正确认识，也不能够正确对待航空施药，因而对使用者缺乏主动正确的引导。目前虽然开展各种先进喷药技术及其机具研究的企业和科研单位很多，对各种药械的生产提出了严格要求，并在理论层面上取得了重大突破，也开展相关的技术培训，但对药械的使用却没有相应的规定，药械的研究与推广应用脱节。

缺乏市场化的管理平台。随着无人植保机需求量不断增大，植保无人机市场化运营，需要政府、科研机构、企业和用户各方面的共同参与，制定无人机航空施药的管理机制及相关政策。无人植保机目前以遥控为主，施药质量严重依赖操控员技术水平，随着操控员的操纵负荷增大，极易发生误喷、重复施药等操作[24]。操控员急需提升基础的航空理论和飞行技术，以及突发问题的处置能力[25]。此外，植保无人机价格昂贵，操作难度大，学习成本高，农民用机困难，而拥有植保机的农业人员却未必有作业需求，两者没有市场化的调度平台，不仅降低了作业效率，也导致了资源浪费[26]。

航空防治企业技术水平良莠不齐。我国飞防技术的应用与发展水平相对较晚，农业上主要以大型喷杆式自走喷雾机最为常见，大多用于防治平原和大块田的小麦、玉米等虫害[27]。2008年，国内各大科研机构在我国“863项目”资助下开始着手研制无人施药机[28]，并于2010年研制出世界上第一款多旋翼电动植保无人机。一些大型农药化学公司逐渐认识到航空施药的巨大发展空间，开始研发植保无人施药机以及低空喷雾技术，众多航空作业服务公司也应运而生，并开始服务于林业有害生物航空防治[29]。2015年，国内注册无人机企业达400多家，但仅有100家左右能真正生产出产品[30]，而除少数植保无人机企业具有一定技术优势外，众多企业只具备从事遥感、电力架线、高空摄影等行业经验，对有害生物防治知识不了解，加上企业自身管理混乱，导致最终施药效果不佳[31-32]。

2.3.3 飞行人员培训体系不健全，配套服务不足 一般的防治企业无法单独完成有害生物防治作业，需要具有丰富飞防经验和能力的专业化飞防组织，开发系统、专业的有害生物防治体系，以应对复杂的、大规模的有害生物防治。飞行人员的技术水平以及防治作业技能缺乏统一的规范，亟待对从事飞防作业的飞行员进行上岗培训，以适应林业有害生物航空防治需求。同时配套服务不足，如机械损毁时不能得到及时维修或维修时间长、成本高，也是航空防治实际应用中的一个瓶颈。与此同时，虽然飞防事业不断发展，但无人施药机的机型仍然缺少。

2.3.4 空域申请较困难 空域属于国家公共资源，由于我国民用无人机行业标准和管理规范的缺失，在法律法规方面出现许多飞行空域管制问题[33]。按照《中华人民共和国民用航空法》规定，无人机属于通用航空飞行类别，其飞行活动都应当获取民航局登记许可[34]。缺乏明确的规定以及无人机注册登记管理制度的空缺，使得无人机在实际作业中飞行范围的申请上难度很大[35]。

3 林业有害生物航空监测与防治技术对策

3.1 林业有害生物航空监测

3.1.1 需要具有合格的航摄系统 根据植物受到有害生物侵袭会导致植物的光谱在各个波段上的波谱值发生变化的规律，要求系统至少搭载可见光数码照相机和多光谱摄影机2套传感器，通过GPS、GIS、摄影(自然光，红外，NDVI多光谱雷达等)等多方面数据融合，获取高准确度的监测数据。同时，飞行平台仍需地理信息系统、精准导航系统、变量喷施系统、作物处方图、精准航空喷施系统等操作管理系统。一般传感器要求探测器像素高于2 000万像素，快门速度不低于1 000-1秒，影像储存数量大于128 GB，且电池使用时间大于2 h。要求飞机续航时间较长，能进行大于1.5 h的长时间作业，平台升限大于3 000 m。

3.1.2 规范的航摄作业计划与设计 航空遥感监测区域主要是人工调查难以触及的山区等复杂地形，经常会出现由于山体对数据传输电子信号的屏蔽，地面站无法接收到飞机回传数据等现象，一旦飞机出现问题，地面站也无法及时处理，有可能造成严重事故。因此，在构建无人遥感飞机系统时，应提高系统数据链的性能，增大传输距离，加装简易中转站。作业区规划需采用1∶10 000的林相图或更大比例尺遥感影像图、地形图等进行规划。飞行作业设计时，地面分辨率不低于10～15 m，同一航线上相邻像片的航高差不超过30 m，同时实际航高与设计航高差不高于50 m。摄影时太阳高度角应大于30～40°，且晴天正午前后2 h内不宜摄影。

3.1.3 具有较高质量的摄影图像 一般要求飞行质量达到航摄相片航向重叠度50%～70%，旁向重叠度10%～50%，倾角不大于7°，旋角不大于15°，且同一航线高差不大于30 m，实际航高与设计航高不大于50 m，才能最大限度地保障影像的清晰度、层次丰富度、反差和色调的正常。另外，像点位移不超过3个像素，避免造成模糊、重影和错位现象。

3.1.4 应具有比较强的信息提取与数据处理分析能力 具备完整的图像图形分析处理软件系统，完成遥感图像的拼接、校正、分析、储存等工作，病虫害木图像的位置精度误差应小于15 m，判别精度优于85%，漏判率低于3%。飞行数据获取后处理时效不超过36 h。

3.1.5 按照规定和规范编制监测报告 监测报告包括监测项目的基本情况、监测区概况、使用的技术原理与数据处理方法、划定的航测区域及航线设计、飞行作业安排、影像获取及病虫害木信息提取、地面验证航测结果、病虫害木航测结果统计及存在的问题等。

3.2 林业有害生物航空防治

3.2.1 飞防前作业准备 作业边界勘测点位置偏差应小于10 m；对飞防区域地理环境、林木、非靶标野生生物、特种养殖生物、水源保护地、高大障碍物等进行详尽勘察，定位其经纬度坐标并标注在电子地图上。特种养殖生物定位偏差应小于3 m，并根据非靶标生物敏感区调查结果、农药环境毒理数据结合雾滴大小、漂移规律、气象条件、养殖方法等因子的关联和影响，划定合适的飞防安全避让区，对药剂特别敏感的生物，安全距离应大于5 000 m。

3.2.2 通过辅助作业系统进行飞防设计和管理 在作业辅助系统、机载变量施药控制系统以及作业监控系统的帮助下进行飞防作业设计与管理。根据作业区域及飞防参数，结合实际飞防需求设计飞行路径，综合考虑飞防载人机或无人机的能耗问题，合理分布多架次的返航点和喷药量，自动规划和生成飞机的最优航线。在飞机飞行过程中，要求辅助系统具备施药边界、偏航提示与障碍物预警等功能，以便引导飞行员飞行；要求施药控制系统可以根据飞机飞行状态信息自动调节施药管道流量，水平定位误差控制在2.5 m以内，且施药量精度在±5%以内，同时在需要进行航空防治有害生物的作业区，随机布设农药挥发测定仪以及雾滴粒径测量传感器等设备，以便收集数据测评航空施药效果。目前无人机可以全自主航线规划，具有离心雾化喷头，并可装备视觉避障系统。

3.2.3 推广使用智能化自主飞行监测技术 在飞机飞行过程中，其速度、角度、作业状态、燃料状态和药箱剩余量等都在动态变化中，对于作业监控系统，要求可远程实时监控当前飞机作业期间产生的数据，并可以在线统计飞行架次、作业面积，自动生成报表等，将整个作业可视化，随时掌握动态信息，且在出现异常情况时可以及时发现并给出警报以保证作业安全。所有飞防过程中的数据均需记录准确、完备，存档备查。农药配制与飞防作业全过程的监控数据须自动记录并可回查、回溯。

3.2.4 合理使用专用飞防药剂及助剂 对于航空防治专用药剂及添加剂，要求LD50>2 000 mg/kg，且首次应用于飞防的药剂须进行飞防试验，所使用的药剂应留样备查。所使用药剂的配制与加注，须在密闭容器中充分搅拌混匀。药剂配制浓度误差须小于1%，药液加注量误差须小于5%。

3.2.5 选择最佳飞防作业决策模型 飞防所用航空器类型、雾化系统、喷头及控制系统的精度、作业速度、喷洒高度等对施药质量起决定性作用，且施药时的温度、相对湿度、风速等气象条件也影响药剂的挥发、沉积、漂移和附着。因此，应根据飞防药液添加剂、施药喷嘴模型、模拟药液漂移模型、最佳适宜施药气候等方面，筛选最佳飞防作业决策模型。机载喷洒设备药液输出流量误差须小于5%。在平原、丘陵地区作业距离靶标相对高度须小于10 m，飞行路径与目标路径平均偏差须小于5 m。在山地作业距离靶标相对高度须小于15 m，飞行路径与目标平均偏差须小于10 m。施药后需保证施药覆盖率大于95%，施药区雾滴点密度均匀性变异系数[36-37]不大于60%，喷施率误差控制在5%以内。目前一些公司可实时提供路线导航及药液喷洒信息，并瞬时调节喷施量的变化，实现粉末及颗粒等喷洒材料的精密流量控制。

3.2.6 规范防治效果验收规程 根据智能化作业监控系统统计航空作业期间关键信息，制成飞防效果验收统计表，分别核查每次航空施药的作业面积、飞机架次、总配药量及最终施药量等；根据不同施药区及施药种类需要，定期核查飞防作业区有害生物防治质量，监测飞防作业区及周围一定区域内的次生灾害发生情况，明确未能达到预期飞防作业效果、或产生次生灾害损失时的责任承担者及相关标准，制定规范化的防治效果验收统计项目及规程。

林业有害生物航空监测与防治，主要难度在于航摄信息提取与图像处理、航空施药过程中专用药剂及助剂的筛选和研发、“飞机+喷洒设备+智控设备+专用药剂”技术集成与优化、“互联网+”等技术的推广应用与规范，以及防治绩效承包项目监理规范与市场化管理平台等方面。作为管理和研究监测、防控林业有害生物的重要技术手段，航空监测是卫星遥感等其它监测技术的重要补充，也是现代林业对调查工作的新要求，将成为林业调查和遥感测绘重要航空遥感平台和未来林业有害生物灾害监控和防治的重要常用工具，成为现代林业建设体系中一个重要组成部分并发挥巨大的作用。