高新技術應用于全國林業(yè)有害生物普查工作的現(xiàn)狀及展望

閻合田呈明李娟董瀛謙朱寧波郭宏偉

(1．北京林業(yè)大學，北京 100083；2．國家林業(yè)和草原局森林和草原病蟲害防治總站，林業(yè)有害生物監(jiān)測預警國家林業(yè)和草原局重點實驗室，遼寧 沈陽 110034；3．西豐縣林業(yè)局，遼寧 西豐 112000)

2014—2017年，我國開展了第三次全國林業(yè)有害生物普查。本次普查在技術方法上積極探索試用地理信息系統(tǒng)、遙感、物聯(lián)網、昆蟲信息素等現(xiàn)代技術。通過3年普查工作實踐，這些高新技術有力推動了普查工作的深入開展，也為今后進一步推廣應用這些技術奠定了較好基礎。但不同地區(qū)的應用情況也顯示出每項高新技術有其特定的應用條件和環(huán)境，以及應用的局限性。筆者對3年來高新技術的應用情況進行系統(tǒng)總結，以期進一步加強頂層設計，深入開展需求分析，準確把握應用的切入點，確保今后普查監(jiān)測數據的準確性、完整性，提升普查監(jiān)測工作質量和效率。本次普查共發(fā)現(xiàn)可對林木、種苗等林業(yè)植物及其產品造成危害的林業(yè)有害生物種類6 179種，其中，昆蟲類5 030種、真菌類726種、細菌類21種、病毒類18種、線蟲類6種、植原體類11種、鼠(兔)類52種、螨類76種、植物類239種；外來林業(yè)有害生物45種，與2006年普查結果相比，新發(fā)現(xiàn)13種[1－2]。

1 四項應用于林業(yè)有害生物普查的新技術

地理信息系統(tǒng)(以下簡稱GIS)、遙感和物聯(lián)網3項技術，作為國家重點推薦的高新技術在本次普查工作中被廣泛使用；各地在工作實踐中，又將近年來逐漸成熟的昆蟲信息素技術加以運用。

GIS是用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的綜合系統(tǒng)?？梢詫α謽I(yè)有害生物發(fā)生發(fā)展的空間數據按地理坐標或空間位置進行綜合處理，通過研究各種空間、動態(tài)數據的關聯(lián)關系，以及對多因素的綜合分析，可迅速獲取滿足林業(yè)有害生物普查監(jiān)測工作所需的信息，并以圖形或數據的形式表現(xiàn)出來[3]。

遙感是指非接觸的，遠距離的探測技術，目前航天遙感技術可實現(xiàn)對森林資源的可視監(jiān)測，即能在較短的時間和周期內，從空中對大范圍林區(qū)進行觀測，從而獲取有價值的圖像數據[4]。低空遙感技術，主要是將人機監(jiān)測應用于林業(yè)有害生物普查工作中，是將繁重的體力勞動、高成本、低效益向解放生產力、低成本、高效益轉變的重要手段[3]。

物聯(lián)網意為物物相連的互聯(lián)網。目前，以物聯(lián)網技術為基礎，可探索對林業(yè)有害生物信息進行自動采集，并以前端感知、傳輸和后端應用、控制的方式，對林業(yè)有害生物發(fā)生情況進行實時監(jiān)測和遠程監(jiān)控。

昆蟲信息素是指昆蟲個體分泌的在種內和種間傳遞信息和引起特定行為或生理反應的微量化學物質，是昆蟲交流的化學分子語言[5]。在林業(yè)有害生物監(jiān)測普查工作中，利用昆蟲信息素作為化學通訊媒介對昆蟲的集群作用，可有效監(jiān)測有害昆蟲的發(fā)生種類、發(fā)生范圍、發(fā)生期、發(fā)生量等情況，為害蟲治理提供科學依據，且有助于采集高質量、無損傷的昆蟲標本。

2 四項新技術在林業(yè)有害生物普查工作中的應用

參與此次林業(yè)有害生物普查的35個省(區(qū)、市、森工集團)森防部門，運用“開發(fā)基于GIS的軟件系統(tǒng)”、“遙感與無人機”、“昆蟲信息素”和“物聯(lián)網”技術的部門分別為15，11，28，1個。各地運用昆蟲信息素誘集技術較為普遍，使用率達到80%；開發(fā)基于GIS的軟件系統(tǒng)與遙感無人機2種措施較為順利，使用率分別占比42%、31%，部分地區(qū)運用較為深入；物聯(lián)網技術僅在1個單位試用。

2．1 基于GIS的普查軟件實現(xiàn)了內業(yè)數據分析與外業(yè)調查規(guī)劃一體化管理

本次普查，原國家林業(yè)局森林病蟲害防治總站與天津、遼寧、安徽、江西、河南、湖南、廣東、廣西、重慶、云南、甘肅、寧夏、新疆建設兵團、內蒙古森工集團等14個省級森防部門開發(fā)了基于GIS的普查監(jiān)測軟件系統(tǒng)。各地林業(yè)有害生物普查系統(tǒng)主要具備外業(yè)調查規(guī)劃管理與數據上傳，內業(yè)信息匯總整理與數據分析等功能，實現(xiàn)了林業(yè)有害生物普查內、外業(yè)一體化。內業(yè)工作中，市(縣)森防機構運用GIS相關系統(tǒng)基本實現(xiàn)了對轄區(qū)內林業(yè)有害生物監(jiān)測調查、普查數據的記錄更新、查詢顯示、統(tǒng)計報表、空間分析、預測預報等功能[3]。在國家級與省級單位層面，GIS系統(tǒng)通過對基層上報的數據進行統(tǒng)計匯總和簡單時空分析，可實現(xiàn)林業(yè)有害生物預測預報、輔助制定科學防治措施和信息共享等功能。外業(yè)工作中，帶有操作系統(tǒng)、集成GPS、拍照等功能于一體的智能終端設備(PDA)作為GIS系統(tǒng)的智能終端，由普查人員隨身攜帶，實時接收GPS定位信息，實現(xiàn)了準確導航踏查路線、標準化采集危害圖片、規(guī)范化記錄調查點(線)位置數據等功能，解決同種重復、異種重復等繁瑣的統(tǒng)計任務，同時也為普查工作的監(jiān)督檢查提供可信依據[6]。

原國家林業(yè)局森林病蟲害防治總站組織開發(fā)的“全國林業(yè)有害生物普查匯總系統(tǒng)”用于國家、省、市3級林業(yè)有害生物相關信息的匯總和影像資料收集，可匯總林業(yè)有害生物的分布范圍、發(fā)生范圍、發(fā)生面積、寄主植物及危害程度等情況以及有害生物生物學、形態(tài)學、危害狀等影像資料。重慶市開發(fā)的林業(yè)有害生物防控信息系統(tǒng)，應用基于GIS、GPS、GRS技術的智能終端開展林業(yè)有害生物監(jiān)測、除治和監(jiān)管，為防控工作提供全過程、多層次、實景式、可視化的信息服務，初步實現(xiàn)了林業(yè)有害生物監(jiān)測可視化，極大提高了林業(yè)有害生物的監(jiān)測防控管理能力。遼寧省本溪市作為GIS系統(tǒng)試點單位，開發(fā)了基于移動GIS前后臺一體化的林業(yè)有害生物普查信息管理系統(tǒng)，全面應用PDA技術開展普查，并建立野外調查數據庫，實現(xiàn)了全市林業(yè)有害生物種類、分布、危害的空間數據動態(tài)管理。

2．2 遙感技術實現(xiàn)了對林業(yè)有害生物的宏觀觀測和微觀測量

遙感技術在全國林業(yè)有害生物普查工作中發(fā)揮了較為顯著的作用，全國共有內蒙古、江蘇、浙江、福建、山東、湖南、廣東、廣西、重慶、云南、內蒙古森工集團等11個省級森防部門運用了該項技術。其中，航天遙感技術實現(xiàn)了在短時間內，從高空對大范圍地區(qū)森林資源進行宏觀觀測，及時掌握當地林業(yè)有害生物發(fā)生情況。對同一地區(qū)進行周期性、重復觀測，動態(tài)跟蹤當地林業(yè)有害生物發(fā)展形勢，所獲取的遙感數據，還可為當地林業(yè)有害生物預測預報提供科學依據。同時，結合低空遙感，即無人機監(jiān)測，彌補了遙感技術針對具體區(qū)域觀測不夠精密和經常因云層遮擋獲取不到影像、重訪周期過長等問題，實現(xiàn)對具體林班林業(yè)有害生物危害情況的準確觀測。通過無人機低空攝影測量，適時對林業(yè)有害生物危害區(qū)域地理位置進行GPS標定，并利用多光譜技術結合矢量化的小班資料數據，可初步確定林業(yè)有害生物發(fā)生范圍、面積和危害程度。

廣東省應用航天遙感技術監(jiān)測松材線蟲病、薇甘菊等疫情動態(tài)，克服了人工調查周期長、主觀性強等缺點。通過無人機低空航空攝影測量，確定松材線蟲病發(fā)生范圍、面積、危害程度和開花期薇甘菊分布面積及危害程度，為松材線蟲病和薇甘菊防控效果評估提供依據。云南省昆明市作為無人機遙感技術應用試點單位，完成了松小蠹危害情況航拍監(jiān)測，獲取了精度達0．2 m地面分辨率的航拍圖像，完成并標定了云南松小蠹蟲的災害分布圖。湖北省在對神農架林區(qū)華山松大小蠹進行遙感信息處理的基礎上，結合無人機航拍數據，進行同期2種調查數據應用效果的評估。同時，利用全省普查掌握的2013—2015年大面積發(fā)生的櫟類和竹類食葉害蟲林地定位信息和蟲情數據，通過衛(wèi)星遙感數據劃分發(fā)生范圍，將高分衛(wèi)星遙感數據應用于食葉害蟲的增殖—猖獗—消退的危害過程分析。

2．3 昆蟲信息素技術提高了對昆蟲種類、危害等信息調查的準確程度

本次普查，共有天津、河北、山西、內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、上海、江蘇、安徽、福建、江西、山東、河南、湖北、湖南、廣東、廣西、重慶、四川、云南、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆、內蒙古森防集團、大興安嶺森工集團等28個省級森防部門運用昆蟲信息素技術。傳統(tǒng)的蟲情監(jiān)測預報主要是通過人工調查和黑光燈誘集等方法進行，對于生活隱蔽、趨光性較弱、蟲口密度較低的林地和一些地形較為復雜及人員難以到達的林地內的害蟲，采用傳統(tǒng)的蟲情監(jiān)測預報局限性較大，致使調查數據偏差較大，影響監(jiān)測準確率[7]。本次普查大部分地區(qū)引入昆蟲信息素誘集技術，根據不同昆蟲的生物學特性，科學設置誘捕器與誘捕時間，不僅可以準確調查當地昆蟲種類與危害程度，排查重大危險性林業(yè)有害生物是否傳入，還可準確監(jiān)測預報害蟲的發(fā)生期、危害方位和發(fā)生量。尤其對偶發(fā)性害蟲的發(fā)生和新造林地跟蹤監(jiān)測，可以較準確地反映其發(fā)生情況[7]。

隨著昆蟲信息素技術的日漸成熟，各地選用該項技術開展林業(yè)有害生物普查、監(jiān)測的范圍和程度在日趨加大。重慶市26個區(qū)(縣)使用了松褐天牛引誘劑誘集松褐天牛成蟲及松小蠹蟲。內蒙古森工10個林業(yè)局共懸掛了2 400多件昆蟲信息素誘捕器。云南全省多地廣泛應用昆蟲信息素引誘劑進行主要林業(yè)有害昆蟲主要種類、分布范圍的調查。昆蟲信息素誘集技術已經成為當下林業(yè)有害生物普查、日常監(jiān)測，乃至重大害蟲防治的主要措施之一。

2．4 物聯(lián)網技術目前適用范圍較為有限

本次普查，僅北京市通州區(qū)作為試點引進佳多農林病蟲害自動測控物聯(lián)網系統(tǒng)，利用其蟲情信息自動采集系統(tǒng)，嘗試對林業(yè)有害生物進行實時監(jiān)測和遠程監(jiān)控。

3 新技術在林業(yè)有害生物普查工作中的應用評價及展望

林業(yè)有害生物普查工作技術要求高、任務重、涉及范圍廣，情況千差萬別，各種高新技術有其特定的應用條件和環(huán)境，優(yōu)勢與局限共存，不同地區(qū)需要因地制宜，明確目標，綜合使用[3]。

3．1 GIS技術大幅提高普查效率與質量，在林業(yè)有害生物監(jiān)測調查領域發(fā)展?jié)摿薮?/h3>

基于GIS技術的普查軟件系統(tǒng)目前在林業(yè)有害生物監(jiān)測管理中的應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在3個方面:一是普查匯總系統(tǒng)可高效、準確、實時匯總林業(yè)有害生物分布范圍、危害程度、寄主植物等重要發(fā)生信息，并通過對不同種類有害生物的分類編碼，實現(xiàn)對已有數據庫的補充完善和數據查詢利用效率的提高；二是基于GIS技術的普查系統(tǒng)可綜合分析空間數據和屬性數據，可全面掌握有害生物發(fā)生發(fā)展的時空動態(tài)；三是運用GIS技術制作相關專題地圖，使有害生物發(fā)生發(fā)展的狀況能更加直觀地呈現(xiàn)[8]。隨著電子技術的飛速發(fā)展，PDA也日新月異。配置相應功能的GIS軟件后，更有利于普查數據規(guī)范化記錄，危害圖片標準化采集，調查點(線)位置準確定位，并解決同種重復、異種重復等繁瑣的統(tǒng)計任務，確保調查質量，提升調查效率[9]。

雖然GIS系統(tǒng)在此次普查工作中得到了較為有效的應用，但該項技術用于林業(yè)有害生物監(jiān)測調查領域的廣度和深度還遠遠不夠，可挖掘探索的內容還很多，可發(fā)揮更大作用。1)進一步將普查與日常監(jiān)測工作相結合。借助于GIS，利用普查數據構建當地林業(yè)有害生物基礎數據庫，不斷以日常監(jiān)測數據對基礎數據庫進行補充，并運用GIS的空間數據操作和圖形處理分析等功能，對數據庫進行分析和信息提取，輔助進行管理決策，更加有效地開展林業(yè)有害生物監(jiān)測管理工作[8]。2)進一步將普查監(jiān)測與預測預報相結合。依托普查與日常監(jiān)測的矢量化數據，研究建立主要林業(yè)有害生物的預測預報模型，運用GIS分析平臺，結合每年的監(jiān)測、預警、入侵生物風險評估數據，進行多源信息分析，識別和區(qū)劃不同風險等級的預測發(fā)生區(qū)，更加準確高效地開展林業(yè)有害生物預測預報工作。3)進一步加強災害防控的輔助決策研究。林業(yè)有害生物引發(fā)的災害要經歷發(fā)生、蔓延和成災等多個階段，在空間范圍上表現(xiàn)在由點到面的不斷擴展過程，具有很強的空間特征[6]。依托普查監(jiān)測數據和GIS平臺，采集、存儲、更新重大危險性林業(yè)有害生物入侵清單，對突發(fā)有害生物事件進行關聯(lián)分析、耦合關系分析，運用計算機輔助決策災害控制和治理策略。因此，GIS技術在林業(yè)有害生物監(jiān)測調查領域應用的潛力巨大，各項功能還有待于進一步完善開發(fā)。

3．2 遙感技術是觀測林業(yè)有害生物的有效手段，但相關配套技術需進一步完善

遙感技術主要探測林木失葉、缺綠等物理和生理變化，即林木生長過程中出現(xiàn)的“異常”或“災害”狀況。陸地資源衛(wèi)星經過40多年的發(fā)展，形成了空間分辨率為千米級、百米級、十米級、米級、亞米級等系列數據產品，逐步滿足群落、林分、小班、單木等不同尺度森林災害監(jiān)測與評估的需求，可為各級林業(yè)有害生物管理部門的管理決策提供技術支撐。低空遙感，即無人機監(jiān)測技術具備機動、靈活、空間分辨率高、可實時獲取數據等優(yōu)勢，也是林業(yè)有害生物監(jiān)測工作中不可或缺的重要補充手段[3]。

然而在衛(wèi)星遙感資料分析利用方面，目前工作中所能獲取的衛(wèi)星數據分辨率普遍較低，對林業(yè)有害生物監(jiān)測及災后評估都不夠準確，國產高分衛(wèi)星的數據由于涉密制約暫未面向部門服務。因此，將遙感數據成果用于林業(yè)有害生物監(jiān)測或林業(yè)生物災害調查尚需時日。從無人機搭載可見光成像設備調查結果看，本次普查中部分地區(qū)應用于華山松大小蠹、松材線蟲病的航拍數據與地面踏查數據有較大差距，主要原因在于無人機搭載可見光成像設備、后期數據人工判讀的方式都存在不同程度缺陷。為使無人機監(jiān)測技術在林業(yè)有害生物監(jiān)測工作中能夠取得置信度較高的結果，今后就航空器性能、成像設備適用對象、數據后期處理等還需做大量基礎性的試驗比較，探索出性價比合理、實用效果好的航拍調查方式，滿足林業(yè)有害生物管理需要。

3．3 昆蟲信息素可有效監(jiān)測林業(yè)有害生物，但仍需進一步加強相關技術與基礎理論研究

傳統(tǒng)的蟲情監(jiān)測預報主要是通過人工調查和黑光燈誘集等方法進行，局限性較大，調查數據偏差較大，進而影響測報準確率。昆蟲信息素可監(jiān)測預報害蟲的發(fā)生期、危害方位和發(fā)生量，具有活性強、專一性高、靈敏度高、準確性好、使用簡便、費用低廉等優(yōu)點，尤其對偶發(fā)性害蟲的發(fā)生和新造林地跟蹤監(jiān)測，可以較準確地反映害蟲的發(fā)生情況[10]?？傊?，昆蟲信息素具有很強的專一性，且對害蟲誘集靈敏度高，對人畜安全，不污染環(huán)境，不傷害天敵，可以有效監(jiān)測害蟲的發(fā)生，具有廣闊的應用前景。

此次普查工作中，昆蟲信息素誘集技術也暴露出誘芯有效期或高效期較短，昆蟲信息素誘捕器設置的局限性較多、誘捕效果受氣象因素和林地郁閉程度影響較大、誘集專化性的種類限制較多、誘集到的昆蟲寄主植物不詳等缺陷。同時，昆蟲信息素作為一種特殊的監(jiān)測防治手段已較為廣泛地投入使用，但在評價、量化昆蟲信息素監(jiān)控和防治效果方面，還缺乏科學的評價標準。今后還需要加強對昆蟲行為學及昆蟲性信息素的提取、分離、鑒定、人工合成以及昆蟲種群密度變化監(jiān)測手段等基礎理論的研究，不斷完善昆蟲信息素在生產實踐中的應用途徑，以期更好地發(fā)揮其在林業(yè)有害生物監(jiān)測工作中的作用[10]。

3．4 物聯(lián)網運用于林業(yè)有害生物監(jiān)測普查領域局限性較大

物聯(lián)網在林業(yè)行業(yè)應用還停留在研究層面，目前比較適用于苗圃等特定區(qū)域的連續(xù)、典型數據采集與傳輸[11]。該項技術還存在林業(yè)有害生物監(jiān)測普查專用傳感器缺失、數據信息深度挖掘不足等問題，制約其在實際工作中的推廣應用。同時，該技術在環(huán)境復雜多變、條件惡劣的林區(qū)難以實現(xiàn)相關調查因子的自動采集與傳輸，儀器布設局限性較強、成本過高等諸多難題有待于攻克[3]。

綜上所述，現(xiàn)代高新技術以電子信息技術為先導，以空間技術和生物技術為核心，形成了一大批相互關聯(lián)的高新技術群落，正在逐步改變著傳統(tǒng)的林業(yè)有害生物普查監(jiān)測工作思維模式和技術方法[3]。本次普查工作所運用的各項高新技術，GIS系統(tǒng)是內業(yè)數據匯總、整理、統(tǒng)計、分析、上通下達和外業(yè)工作準確定位、規(guī)范化記錄、監(jiān)管調查點(線)的重要手段，該項技術在本次普查工作中發(fā)揮了較為顯著的作用，且與林業(yè)工作的結合程度日益廣泛、深入。但更加全面詳實的地理信息數據獲取途徑，還需國家林業(yè)和草原主管部門進一步協(xié)調規(guī)劃院等相關單位進行部門間充分共享，以發(fā)揮挖掘GIS技術在林業(yè)有害生物監(jiān)測普查領域巨大的應用潛力；遙感技術是災害數據獲取的重要手段，本次普查實現(xiàn)了在立體空間內，動態(tài)可視化跟蹤林業(yè)有害生物發(fā)生發(fā)展狀況的重要功能，同時也暴露出航天遙感影像分辨率不足、低空無人機成像與后期數據判讀技術均存在誤差等缺陷，相關技術有待于進一步完善，以取得置信度較高的監(jiān)測結果；昆蟲信息素是高效準確誘集昆蟲的重要手段，目前已經是林業(yè)有害生物普查監(jiān)測工作中較為成熟且應用廣泛的重要技術，但仍需進一步加強昆蟲行為學等基礎理論研究，不斷擴大可應用種類范圍，在今后工作中發(fā)揮更大的作用；物聯(lián)網是微觀、特定、連續(xù)數據采集的重要手段，但目前只適用于苗圃等環(huán)境較為簡單的特定地區(qū)，且使用成本較高，只適合作為其他技術的補充措施，有待于進一步深入研究開發(fā)。