林業(yè)有害生物航空遙感監(jiān)測(cè)與防治技術(shù)思考

于地美，田呈明

(北京林業(yè)大學(xué)，省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

林業(yè)有害生物造成的危害被稱為“無(wú)煙的森林火災(zāi)”。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，林業(yè)有害生物給我國(guó)的林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)帶來(lái)了巨大影響[1]。因此，如何及時(shí)有效監(jiān)測(cè)和防治林業(yè)有害生物是一項(xiàng)持久的重要課題。國(guó)外林業(yè)有害生物航空監(jiān)測(cè)始于20世紀(jì)30年代對(duì)鐵杉尺蠖落葉林的航攝觀察，而對(duì)林業(yè)有害生物的航空防治則最早由德國(guó)提出[2-3]。隨著遙感圖像空間分辨率的提高，陸地系列衛(wèi)星和航空錄像逐漸應(yīng)用于有害生物災(zāi)害監(jiān)測(cè)。1982年，日本開始研究應(yīng)用美國(guó)資源衛(wèi)星調(diào)查林業(yè)有害生物[4]。1986年，美國(guó)林務(wù)局首先研制并應(yīng)用航空攝錄圖像獲取系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室圖像處理系統(tǒng)相結(jié)合對(duì)突發(fā)性林業(yè)有害生物進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。盡管人們認(rèn)識(shí)到航空監(jiān)測(cè)設(shè)備的簡(jiǎn)便適用、后處理簡(jiǎn)單快速以及精度適中等優(yōu)勢(shì)，但直到1991年才較為成功地大面積應(yīng)用。我國(guó)1952年開始利用飛機(jī)進(jìn)行林區(qū)巡邏、火情監(jiān)測(cè)等航空護(hù)林[6]，后逐漸開展在林區(qū)照相、資源勘探、森林病蟲害防治及野生動(dòng)物保護(hù)等方面應(yīng)用。原林業(yè)部林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院和中國(guó)科學(xué)院戴昌達(dá) 等分別于1978年和1990年監(jiān)測(cè)了云南騰沖地區(qū)超過(guò)2 000 hm2松葉蜂危害區(qū)域的健康木、蟲害木以及松毛蟲危害的光譜，并發(fā)展了一套提取病蟲害信息的圖像處理技術(shù)[7-8]。“八五”后期，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院等單位根據(jù)我國(guó)國(guó)情和林區(qū)特點(diǎn)，在引進(jìn)、消化吸收美國(guó)航空監(jiān)測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上，研制的航空錄像監(jiān)測(cè)技術(shù)在1997年通過(guò)了原林業(yè)部科技司的鑒定，能夠準(zhǔn)確判讀失葉率40%以上的災(zāi)害區(qū)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害區(qū)定位[9]，標(biāo)志著我國(guó)林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。

20世紀(jì)50年代以后，施藥專用的農(nóng)業(yè)航空機(jī)被相繼開發(fā)出來(lái)，直升機(jī)也被用于航空植保。1966年，美國(guó)成立了國(guó)家農(nóng)業(yè)航空協(xié)會(huì)，承擔(dān)了美國(guó)近20%的農(nóng)場(chǎng)植保與100%的森林植保工作。美國(guó)農(nóng)業(yè)航空以固定翼飛機(jī)為主，約占87%，旋翼飛機(jī)約為13%[10]。我國(guó)航空施藥起步于20世紀(jì)50年代初，以“Y-5B(D)”、“Y-ll”等型號(hào)的載人固定翼飛機(jī)為主，并在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)主要地位[11]。僅農(nóng)林航空防治使用的固定翼飛機(jī)現(xiàn)已達(dá)1 400架，直升機(jī)60余架，防治農(nóng)林業(yè)病蟲草害和施肥的面積超過(guò)200萬(wàn)hm2，并且有進(jìn)一步上升的趨勢(shì)[12]。

利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置，或用車載計(jì)算機(jī)自主操縱的不載人飛機(jī)，即“無(wú)人機(jī)”，與載人飛機(jī)相比，具有體積小、造價(jià)低、使用方便、對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低、可搭載普通數(shù)碼相機(jī)、熱紅外相機(jī)等勘測(cè)設(shè)備等諸多優(yōu)勢(shì)[13]，在航拍、植保、野生動(dòng)物觀察、測(cè)繪等多方面發(fā)揮著重要作用。從世界范圍看，日本是最先應(yīng)用植保無(wú)人機(jī)的國(guó)家，也是目前該領(lǐng)域最發(fā)達(dá)的國(guó)家之一[14]。Yamaha公司在1985年最先推出主要用于航空施藥的第一架農(nóng)用“R-50”型無(wú)人機(jī)。至2005年，用于林業(yè)的無(wú)人機(jī)僅Yamaha公司的Rmax系列就有1 200多架，防治面積增至60萬(wàn)hm2，甚至超過(guò)有人駕駛直升機(jī)的防治面積[15]。1995年，北京科源輕型飛機(jī)實(shí)業(yè)有限公司開發(fā)的“藍(lán)鷹AD200N”開始用于農(nóng)田、林區(qū)的病蟲害防治以及衛(wèi)生防疫等。此后中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院在“海燕650B”型無(wú)人機(jī)上融合了超低容量噴灑裝置和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，并在廣西省武鳴林區(qū)進(jìn)行病蟲害的防治試驗(yàn)研究。

以遙感技術(shù)為基礎(chǔ)的林業(yè)有害生物航空監(jiān)測(cè)及航空防治，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期災(zāi)害，并迅速采取相應(yīng)措施，有效控制林業(yè)有害生物擴(kuò)散和蔓延。一般來(lái)說(shuō)，有害生物災(zāi)害監(jiān)測(cè)包括3方面：一是在有害生物災(zāi)害發(fā)生前，對(duì)發(fā)生的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握可能孕育有害生物發(fā)生的森林環(huán)境；二是在有害生物災(zāi)害發(fā)生過(guò)程中，及時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)生的空間范圍；三是在有害生物災(zāi)害發(fā)生之后，了解災(zāi)情和損失，及時(shí)制定防治計(jì)劃進(jìn)行防治，并及時(shí)了解防治效果[16]。森林被害程度、有害生物遷移規(guī)律、有害生物災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以及有害生物防治效果是目前有害生物監(jiān)測(cè)和防治的主要工作內(nèi)容[17]。

1 林業(yè)有害生物航空監(jiān)測(cè)與防治的優(yōu)勢(shì)

第八次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示，目前我國(guó)森林面積2.08億hm2，森林覆蓋率21.63%，森林資源呈現(xiàn)數(shù)量和質(zhì)量持續(xù)上升的狀態(tài)。由于我國(guó)林業(yè)用地廣闊，山區(qū)地形復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，所涉及的森林系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，依靠固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)、臨時(shí)踏查等傳統(tǒng)人工采集數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)，不僅工作量大，效率低，且采用傳統(tǒng)方法制定管理決策，缺乏直觀性和決策過(guò)程的可視化，給經(jīng)營(yíng)管理帶來(lái)諸多困難，有害生物監(jiān)測(cè)覆蓋面和準(zhǔn)確性都面臨巨大挑戰(zhàn)，特別是山高坡陡地區(qū)易存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)。因此，林業(yè)有害生物發(fā)生特點(diǎn)和林區(qū)環(huán)境特征決定了航空防治技術(shù)手段是快速、精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)有害生物有效防控的主要途徑，而航空遙感技術(shù)已成為監(jiān)測(cè)成片或單株立木危害狀況的主要技術(shù)手段。同時(shí)，利用小型化無(wú)人機(jī)作為監(jiān)測(cè)載體的方法也逐漸取得了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[18-19]。

1.1 航空遙感監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)

1.1.1 能夠有效反映植物的一些體征變化 林業(yè)有害生物導(dǎo)致的葉量損失、缺綠、水分脅迫等現(xiàn)象是影響森林生態(tài)系統(tǒng)安全的一個(gè)重要因子，對(duì)受害森林群落光譜變化監(jiān)測(cè)是林業(yè)有害生物遙感監(jiān)測(cè)的主要依據(jù)。不同植物種類、生長(zhǎng)階段、養(yǎng)分狀況和所處地形等在葉綠素吸收帶與近紅外區(qū)波段的反射值的光譜曲線總體上特征保持一致[20]。植物遭受病蟲害侵襲后，葉片的變色或缺失從而引起的林木、林冠、生物量甚至整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)與景觀格局的變化，導(dǎo)致近紅外與綠光區(qū)反射率的降低和紅光區(qū)反射率的升高，從而以光譜的變化監(jiān)測(cè)林業(yè)有害生物災(zāi)害。結(jié)合航空平臺(tái)與遙感、紅外探測(cè)等技術(shù)對(duì)林區(qū)有害生物災(zāi)害進(jìn)行觀察，及時(shí)獲取遙感數(shù)據(jù)，了解有害生物發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，找到有害生物發(fā)生規(guī)律，整合分析并預(yù)測(cè)有害生物流行、蔓延與擴(kuò)散趨勢(shì)，建立有害生物發(fā)生模型，得出更長(zhǎng)期且更有科學(xué)性的林業(yè)有害生物預(yù)測(cè)結(jié)果。

1.1.2 能夠及時(shí)全面掌握林業(yè)有害生物發(fā)生發(fā)展動(dòng)態(tài) 林業(yè)有害生物多發(fā)生在人煙稀少、交通不便的林區(qū)，由于常規(guī)地面調(diào)查監(jiān)測(cè)方法很難迅速、全面、客觀地反映有害生物發(fā)生發(fā)展動(dòng)態(tài)，從而不能及時(shí)地、有針對(duì)性地采取防治措施。航空監(jiān)測(cè)能夠發(fā)揮宏觀、綜合、動(dòng)態(tài)、快速等特點(diǎn)，在林業(yè)有害生物的早期發(fā)現(xiàn)、林木狀態(tài)的異常診斷、發(fā)生區(qū)域以及分布格局等方面具有監(jiān)測(cè)面積大、監(jiān)測(cè)周期短、獲取的信息不受干擾等優(yōu)勢(shì)。

1.1.3 能夠節(jié)省大量人力財(cái)力物力 航空遙感監(jiān)測(cè)具有效率高、時(shí)效性強(qiáng)、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、高密度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，不僅節(jié)省大量人力、物力和時(shí)間，也能減少調(diào)查中人為因素造成的誤差。同時(shí)，航空遙感監(jiān)測(cè)可以不受大氣和地物輻射反射影響，能夠按照實(shí)際防治作業(yè)的要求選擇航拍時(shí)間，避免由于作業(yè)地區(qū)地形和光照產(chǎn)生的陰影，有效區(qū)分喬木和林下植被的被害特征。同時(shí)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受災(zāi)區(qū)域林業(yè)有害生物的發(fā)生面積、危害程度，評(píng)估核查防治后的效果。

1.2 航空防治的優(yōu)勢(shì)

1.2.1 能夠極大提高防治效率 林業(yè)有害生物與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的有害生物相比，在發(fā)生特點(diǎn)、防治策略等方面具有其自身的特殊性，無(wú)論是航空防治的區(qū)域、對(duì)象，還是防治技術(shù)本身，都有別于農(nóng)業(yè)航空防治。我國(guó)森林類型多樣，林地地形地貌復(fù)雜，林區(qū)道路不通暢，樹體高大，不僅普通噴霧設(shè)備難以噴到樹木的冠層，而且一些山區(qū)取水困難，難以開展常規(guī)噴霧作業(yè)。航空防治可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行定向噴灑，尤其是在飛行過(guò)程中，機(jī)旋翼產(chǎn)生的下旋氣流使得藥滴能夠更好地穿透森林冠層，提高藥物噴灑效率，作業(yè)成本低，節(jié)省藥劑，并減少了藥物與工作人員的接觸，更好地保證工作人員安全，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。近年來(lái)，航空施藥對(duì)防治林業(yè)有害生物的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[21-22]。

1.2.2 能夠有效降低防治成本 航空施藥防治過(guò)程中的農(nóng)藥利用率較高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)靶標(biāo)區(qū)域的無(wú)縫覆蓋。根據(jù)有害生物發(fā)生情況，通過(guò)智能裝備控制細(xì)小霧滴的漂移，提高藥劑在靶標(biāo)作物上的沉積，減少藥劑流失，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥、減量施藥。同時(shí)，航空防治也具有作業(yè)面積大，速度快，機(jī)動(dòng)性好，可有效、快速除治有害生物等優(yōu)勢(shì)。

2 林業(yè)有害生物航空遙感監(jiān)測(cè)與防治存在的主要問(wèn)題

利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)有害生物的研究及應(yīng)用逐步普及，但由于林業(yè)有害生物的復(fù)雜性和遙感技術(shù)的待完善性，林業(yè)有害生物航空監(jiān)測(cè)和防治仍存在諸多問(wèn)題。

2.1 航空遙感監(jiān)測(cè)存在的主要問(wèn)題 林業(yè)有害生物航空遙感監(jiān)測(cè)的圖像采集與分析系統(tǒng)仍不成熟。1)在數(shù)據(jù)源的選擇方面，高精確度、高光譜、高分辨率遙感是林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)的有效手段，但是由于其成本太高，航空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的影像只能輸出紅、綠、藍(lán)3個(gè)波段的可見光；不同航線及不同時(shí)間獲取的圖像由于太陽(yáng)角的變換存在較為明顯的明暗差異[23]，導(dǎo)致自動(dòng)判別和分類缺陷較大。2)在數(shù)據(jù)的處理和輔助信息的利用方面，為了提高遙感監(jiān)測(cè)的精度并突出和增強(qiáng)災(zāi)害信息，需利用地面的各種資料、數(shù)據(jù)、圖形建立相應(yīng)的背景信息數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)遙感數(shù)據(jù)作輻射校正來(lái)消除部分大氣和地物反射的影響，結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù)和不同受害階段的生物理化指標(biāo)分析整個(gè)樹木和冠層的結(jié)構(gòu)特征。對(duì)于如何抑制噪聲、識(shí)別和剔除林下植被或其它環(huán)境因素、太陽(yáng)高度角及地形信息的影響、突出森林災(zāi)害信息，如何選擇適合的圖像增強(qiáng)、變換及分類方法，如何將地面調(diào)查的光譜數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)有效地結(jié)合起來(lái)都缺乏成熟的技術(shù)支撐。

另外，時(shí)間序列、小波理論、模糊數(shù)學(xué)等數(shù)學(xué)方法有效融入到林業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)技術(shù)中還不夠。

2.2 航空防治存在的主要問(wèn)題

2.2.1 航空施藥安全水平有待提高 航空施藥需注意保護(hù)環(huán)境中生物多樣性，在飛防作業(yè)設(shè)計(jì)，尤其是航線設(shè)計(jì)中缺少提前做好避讓敏感作物及生物的方案，導(dǎo)致在防治過(guò)程中，雖然根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行施藥防治，也選擇了如滅幼脲、除蟲脲、氟鈴脲等低毒、持效期較長(zhǎng)、滲透性較強(qiáng)、對(duì)人畜無(wú)害、環(huán)境友好的仿生制劑，并注意不同藥劑的輪換使用以防增加有害生物的抗藥性，但依然發(fā)生很多與防治有關(guān)的藥害事件。究其原因主要是飛機(jī)開展超低容量噴霧時(shí)，缺少風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，尤其是一些首次使用的藥劑，缺少預(yù)試驗(yàn)，從而不可避免地造成環(huán)境影響。同時(shí)缺少免蒸發(fā)、少飄逸的飛防專用助劑，導(dǎo)致液體肥料、礦物油、非離子表面活性劑等助劑誘發(fā)的次生災(zāi)害現(xiàn)象頻發(fā)。

2.2.2 藥劑使用計(jì)量不精準(zhǔn)、安全性差 在短時(shí)間內(nèi)人工完成配制夠一架次使用的藥液，藥水混合過(guò)程中的攪拌不夠充分，導(dǎo)致進(jìn)入飛機(jī)儲(chǔ)藥箱的藥液濃度不均一，達(dá)不到要求的懸濁度。再加上飛防作業(yè)的藥液配比不精準(zhǔn)，不同藥液在傾倒過(guò)程中的掛壁殘留，以及配藥、輸送藥液、加注藥液等過(guò)程中，藥液從配藥桶、輸液管道、飛機(jī)藥箱的溢出現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，不僅造成農(nóng)藥配制與加注的不精準(zhǔn)，也存在人身安全隱患。同時(shí)用過(guò)的農(nóng)藥包裝物無(wú)人管理，更無(wú)回收利用，極易造成環(huán)境污染。

2.2.3 缺乏防治效果驗(yàn)收的規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn) 目前，航空施藥過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和作業(yè)數(shù)據(jù)采集雖然部分地方或企業(yè)有所涉及但并不普及，即使在航空施藥結(jié)束后進(jìn)行了防治效果的評(píng)價(jià)和驗(yàn)收，但在整個(gè)防治過(guò)程中不能瞬時(shí)或及時(shí)監(jiān)測(cè)以及核查每次航空施藥的作業(yè)面積、有效飛行架次、飛行軌跡、總配藥量及最終施藥量、實(shí)時(shí)噴藥數(shù)據(jù)等記錄；也缺乏定期核查飛防作業(yè)區(qū)有害生物防治質(zhì)量，監(jiān)測(cè)飛防作業(yè)區(qū)及周圍一定區(qū)域內(nèi)的次生災(zāi)害發(fā)生情況；飛防作業(yè)后出現(xiàn)防治效果未達(dá)到預(yù)期、或產(chǎn)生次生災(zāi)害后造成損失等情況，相關(guān)責(zé)任劃分和責(zé)任追究、損害賠償?shù)壬袩o(wú)明確的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 航空遙感監(jiān)測(cè)與防治存在的共性問(wèn)題

2.3.1 對(duì)航空精準(zhǔn)施藥的認(rèn)識(shí)不足 近20 a，我國(guó)航空植保主要遵循航空植保發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展路線，學(xué)習(xí)和使用先進(jìn)的航空施藥技術(shù)。目前，多數(shù)人對(duì)精準(zhǔn)施藥的認(rèn)識(shí)不足，往往通過(guò)“大霧量、雨淋式”的噴霧方式防治有害生物，而對(duì)各級(jí)推廣部門引進(jìn)的精量安全施藥機(jī)械持懷疑態(tài)度，認(rèn)為這些施藥機(jī)械施藥量太少，不足以根治有害生物。

林業(yè)航空施藥環(huán)境較為復(fù)雜，關(guān)于航空施藥?kù)F滴沉積的空氣動(dòng)力學(xué)及其與空氣溫濕度、風(fēng)速等外界環(huán)境因素的相互作用等方面缺少研究，對(duì)于技術(shù)的適用性缺乏足夠認(rèn)識(shí)，如在西部干旱高溫區(qū)域、山地森林區(qū)域依然廣泛使用低容量噴霧、超低容量的逆溫噴霧等技術(shù)，難免造成藥液的漂移、損失以及靶標(biāo)丟失，也可能帶來(lái)環(huán)境污染和毗鄰非靶標(biāo)生物的藥害。同時(shí)由于缺少飛行參數(shù)和優(yōu)良的霧化系統(tǒng)(如噴頭的選擇、加藥系統(tǒng)的優(yōu)化、噴頭與噴霧流場(chǎng)的匹配噴頭、噴霧計(jì)控等智能化裝備)來(lái)優(yōu)化霧化與霧滴的沉積狀態(tài)，飛防參數(shù)只能采用統(tǒng)一性參數(shù)，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整不同施藥環(huán)境下參數(shù)來(lái)保證航空施藥發(fā)揮其最大功效。

2.3.2 飛防管理缺乏規(guī)范性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 林業(yè)航空防治亂象叢生，防治技術(shù)水平差異很大，防治效果參差不齊，缺少規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)。尤其對(duì)于無(wú)人機(jī)而言，其飛防成本高，技術(shù)不成熟，一些基層單位或地方政府對(duì)傳統(tǒng)噴藥技術(shù)的危害缺乏正確認(rèn)識(shí)，也不能夠正確對(duì)待航空施藥，因而對(duì)使用者缺乏主動(dòng)正確的引導(dǎo)。目前雖然開展各種先進(jìn)噴藥技術(shù)及其機(jī)具研究的企業(yè)和科研單位很多，對(duì)各種藥械的生產(chǎn)提出了嚴(yán)格要求，并在理論層面上取得了重大突破，也開展相關(guān)的技術(shù)培訓(xùn)，但對(duì)藥械的使用卻沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)定，藥械的研究與推廣應(yīng)用脫節(jié)。

缺乏市場(chǎng)化的管理平臺(tái)。隨著無(wú)人植保機(jī)需求量不斷增大，植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)，需要政府、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)和用戶各方面的共同參與，制定無(wú)人機(jī)航空施藥的管理機(jī)制及相關(guān)政策。無(wú)人植保機(jī)目前以遙控為主，施藥質(zhì)量嚴(yán)重依賴操控員技術(shù)水平，隨著操控員的操縱負(fù)荷增大，極易發(fā)生誤噴、重復(fù)施藥等操作[24]。操控員急需提升基礎(chǔ)的航空理論和飛行技術(shù)，以及突發(fā)問(wèn)題的處置能力[25]。此外，植保無(wú)人機(jī)價(jià)格昂貴，操作難度大，學(xué)習(xí)成本高，農(nóng)民用機(jī)困難，而擁有植保機(jī)的農(nóng)業(yè)人員卻未必有作業(yè)需求，兩者沒(méi)有市場(chǎng)化的調(diào)度平臺(tái)，不僅降低了作業(yè)效率，也導(dǎo)致了資源浪費(fèi)[26]。

航空防治企業(yè)技術(shù)水平良莠不齊。我國(guó)飛防技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展水平相對(duì)較晚，農(nóng)業(yè)上主要以大型噴桿式自走噴霧機(jī)最為常見，大多用于防治平原和大塊田的小麥、玉米等蟲害[27]。2008年，國(guó)內(nèi)各大科研機(jī)構(gòu)在我國(guó)“863項(xiàng)目”資助下開始著手研制無(wú)人施藥機(jī)[28]，并于2010年研制出世界上第一款多旋翼電動(dòng)植保無(wú)人機(jī)。一些大型農(nóng)藥化學(xué)公司逐漸認(rèn)識(shí)到航空施藥的巨大發(fā)展空間，開始研發(fā)植保無(wú)人施藥機(jī)以及低空噴霧技術(shù)，眾多航空作業(yè)服務(wù)公司也應(yīng)運(yùn)而生，并開始服務(wù)于林業(yè)有害生物航空防治[29]。2015年，國(guó)內(nèi)注冊(cè)無(wú)人機(jī)企業(yè)達(dá)400多家，但僅有100家左右能真正生產(chǎn)出產(chǎn)品[30]，而除少數(shù)植保無(wú)人機(jī)企業(yè)具有一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，眾多企業(yè)只具備從事遙感、電力架線、高空攝影等行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)有害生物防治知識(shí)不了解，加上企業(yè)自身管理混亂，導(dǎo)致最終施藥效果不佳[31-32]。

2.3.3 飛行人員培訓(xùn)體系不健全，配套服務(wù)不足 一般的防治企業(yè)無(wú)法單獨(dú)完成有害生物防治作業(yè)，需要具有豐富飛防經(jīng)驗(yàn)和能力的專業(yè)化飛防組織，開發(fā)系統(tǒng)、專業(yè)的有害生物防治體系，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的、大規(guī)模的有害生物防治。飛行人員的技術(shù)水平以及防治作業(yè)技能缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，亟待對(duì)從事飛防作業(yè)的飛行員進(jìn)行上崗培訓(xùn)，以適應(yīng)林業(yè)有害生物航空防治需求。同時(shí)配套服務(wù)不足，如機(jī)械損毀時(shí)不能得到及時(shí)維修或維修時(shí)間長(zhǎng)、成本高，也是航空防治實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)瓶頸。與此同時(shí)，雖然飛防事業(yè)不斷發(fā)展，但無(wú)人施藥機(jī)的機(jī)型仍然缺少。

2.3.4 空域申請(qǐng)較困難 空域?qū)儆趪?guó)家公共資源，由于我國(guó)民用無(wú)人機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范的缺失，在法律法規(guī)方面出現(xiàn)許多飛行空域管制問(wèn)題[33]。按照《中華人民共和國(guó)民用航空法》規(guī)定，無(wú)人機(jī)屬于通用航空飛行類別，其飛行活動(dòng)都應(yīng)當(dāng)獲取民航局登記許可[34]。缺乏明確的規(guī)定以及無(wú)人機(jī)注冊(cè)登記管理制度的空缺，使得無(wú)人機(jī)在實(shí)際作業(yè)中飛行范圍的申請(qǐng)上難度很大[35]。

3 林業(yè)有害生物航空監(jiān)測(cè)與防治技術(shù)對(duì)策

3.1 林業(yè)有害生物航空監(jiān)測(cè)

3.1.1 需要具有合格的航攝系統(tǒng) 根據(jù)植物受到有害生物侵襲會(huì)導(dǎo)致植物的光譜在各個(gè)波段上的波譜值發(fā)生變化的規(guī)律，要求系統(tǒng)至少搭載可見光數(shù)碼照相機(jī)和多光譜攝影機(jī)2套傳感器，通過(guò)GPS、GIS、攝影(自然光，紅外，NDVI多光譜雷達(dá)等)等多方面數(shù)據(jù)融合，獲取高準(zhǔn)確度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，飛行平臺(tái)仍需地理信息系統(tǒng)、精準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)、變量噴施系統(tǒng)、作物處方圖、精準(zhǔn)航空噴施系統(tǒng)等操作管理系統(tǒng)。一般傳感器要求探測(cè)器像素高于2 000萬(wàn)像素，快門速度不低于1 000-1秒，影像儲(chǔ)存數(shù)量大于128 GB，且電池使用時(shí)間大于2 h。要求飛機(jī)續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)，能進(jìn)行大于1.5 h的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，平臺(tái)升限大于3 000 m。

3.1.2 規(guī)范的航攝作業(yè)計(jì)劃與設(shè)計(jì) 航空遙感監(jiān)測(cè)區(qū)域主要是人工調(diào)查難以觸及的山區(qū)等復(fù)雜地形，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于山體對(duì)數(shù)據(jù)傳輸電子信號(hào)的屏蔽，地面站無(wú)法接收到飛機(jī)回傳數(shù)據(jù)等現(xiàn)象，一旦飛機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，地面站也無(wú)法及時(shí)處理，有可能造成嚴(yán)重事故。因此，在構(gòu)建無(wú)人遙感飛機(jī)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈的性能，增大傳輸距離，加裝簡(jiǎn)易中轉(zhuǎn)站。作業(yè)區(qū)規(guī)劃需采用1∶10 000的林相圖或更大比例尺遙感影像圖、地形圖等進(jìn)行規(guī)劃。飛行作業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，地面分辨率不低于10～15 m，同一航線上相鄰像片的航高差不超過(guò)30 m，同時(shí)實(shí)際航高與設(shè)計(jì)航高差不高于50 m。攝影時(shí)太陽(yáng)高度角應(yīng)大于30～40°，且晴天正午前后2 h內(nèi)不宜攝影。

3.1.3 具有較高質(zhì)量的攝影圖像 一般要求飛行質(zhì)量達(dá)到航攝相片航向重疊度50%～70%，旁向重疊度10%～50%，傾角不大于7°，旋角不大于15°，且同一航線高差不大于30 m，實(shí)際航高與設(shè)計(jì)航高不大于50 m，才能最大限度地保障影像的清晰度、層次豐富度、反差和色調(diào)的正常。另外，像點(diǎn)位移不超過(guò)3個(gè)像素，避免造成模糊、重影和錯(cuò)位現(xiàn)象。

3.1.4 應(yīng)具有比較強(qiáng)的信息提取與數(shù)據(jù)處理分析能力 具備完整的圖像圖形分析處理軟件系統(tǒng)，完成遙感圖像的拼接、校正、分析、儲(chǔ)存等工作，病蟲害木圖像的位置精度誤差應(yīng)小于15 m，判別精度優(yōu)于85%，漏判率低于3%。飛行數(shù)據(jù)獲取后處理時(shí)效不超過(guò)36 h。

3.1.5 按照規(guī)定和規(guī)范編制監(jiān)測(cè)報(bào)告 監(jiān)測(cè)報(bào)告包括監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的基本情況、監(jiān)測(cè)區(qū)概況、使用的技術(shù)原理與數(shù)據(jù)處理方法、劃定的航測(cè)區(qū)域及航線設(shè)計(jì)、飛行作業(yè)安排、影像獲取及病蟲害木信息提取、地面驗(yàn)證航測(cè)結(jié)果、病蟲害木航測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)及存在的問(wèn)題等。

3.2 林業(yè)有害生物航空防治

3.2.1 飛防前作業(yè)準(zhǔn)備 作業(yè)邊界勘測(cè)點(diǎn)位置偏差應(yīng)小于10 m；對(duì)飛防區(qū)域地理環(huán)境、林木、非靶標(biāo)野生生物、特種養(yǎng)殖生物、水源保護(hù)地、高大障礙物等進(jìn)行詳盡勘察，定位其經(jīng)緯度坐標(biāo)并標(biāo)注在電子地圖上。特種養(yǎng)殖生物定位偏差應(yīng)小于3 m，并根據(jù)非靶標(biāo)生物敏感區(qū)調(diào)查結(jié)果、農(nóng)藥環(huán)境毒理數(shù)據(jù)結(jié)合霧滴大小、漂移規(guī)律、氣象條件、養(yǎng)殖方法等因子的關(guān)聯(lián)和影響，劃定合適的飛防安全避讓區(qū)，對(duì)藥劑特別敏感的生物，安全距離應(yīng)大于5 000 m。

3.2.2 通過(guò)輔助作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行飛防設(shè)計(jì)和管理 在作業(yè)輔助系統(tǒng)、機(jī)載變量施藥控制系統(tǒng)以及作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的幫助下進(jìn)行飛防作業(yè)設(shè)計(jì)與管理。根據(jù)作業(yè)區(qū)域及飛防參數(shù)，結(jié)合實(shí)際飛防需求設(shè)計(jì)飛行路徑，綜合考慮飛防載人機(jī)或無(wú)人機(jī)的能耗問(wèn)題，合理分布多架次的返航點(diǎn)和噴藥量，自動(dòng)規(guī)劃和生成飛機(jī)的最優(yōu)航線。在飛機(jī)飛行過(guò)程中，要求輔助系統(tǒng)具備施藥邊界、偏航提示與障礙物預(yù)警等功能，以便引導(dǎo)飛行員飛行；要求施藥控制系統(tǒng)可以根據(jù)飛機(jī)飛行狀態(tài)信息自動(dòng)調(diào)節(jié)施藥管道流量，水平定位誤差控制在2.5 m以內(nèi)，且施藥量精度在±5%以內(nèi)，同時(shí)在需要進(jìn)行航空防治有害生物的作業(yè)區(qū)，隨機(jī)布設(shè)農(nóng)藥揮發(fā)測(cè)定儀以及霧滴粒徑測(cè)量傳感器等設(shè)備，以便收集數(shù)據(jù)測(cè)評(píng)航空施藥效果。目前無(wú)人機(jī)可以全自主航線規(guī)劃，具有離心霧化噴頭，并可裝備視覺(jué)避障系統(tǒng)。

3.2.3 推廣使用智能化自主飛行監(jiān)測(cè)技術(shù) 在飛機(jī)飛行過(guò)程中，其速度、角度、作業(yè)狀態(tài)、燃料狀態(tài)和藥箱剩余量等都在動(dòng)態(tài)變化中，對(duì)于作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，要求可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前飛機(jī)作業(yè)期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并可以在線統(tǒng)計(jì)飛行架次、作業(yè)面積，自動(dòng)生成報(bào)表等，將整個(gè)作業(yè)可視化，隨時(shí)掌握動(dòng)態(tài)信息，且在出現(xiàn)異常情況時(shí)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并給出警報(bào)以保證作業(yè)安全。所有飛防過(guò)程中的數(shù)據(jù)均需記錄準(zhǔn)確、完備，存檔備查。農(nóng)藥配制與飛防作業(yè)全過(guò)程的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)須自動(dòng)記錄并可回查、回溯。

3.2.4 合理使用專用飛防藥劑及助劑 對(duì)于航空防治專用藥劑及添加劑，要求LD50>2 000 mg/kg，且首次應(yīng)用于飛防的藥劑須進(jìn)行飛防試驗(yàn)，所使用的藥劑應(yīng)留樣備查。所使用藥劑的配制與加注，須在密閉容器中充分?jǐn)嚢杌靹颉Ｋ巹┡渲茲舛日`差須小于1%，藥液加注量誤差須小于5%。

3.2.5 選擇最佳飛防作業(yè)決策模型 飛防所用航空器類型、霧化系統(tǒng)、噴頭及控制系統(tǒng)的精度、作業(yè)速度、噴灑高度等對(duì)施藥質(zhì)量起決定性作用，且施藥時(shí)的溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象條件也影響藥劑的揮發(fā)、沉積、漂移和附著。因此，應(yīng)根據(jù)飛防藥液添加劑、施藥噴嘴模型、模擬藥液漂移模型、最佳適宜施藥氣候等方面，篩選最佳飛防作業(yè)決策模型。機(jī)載噴灑設(shè)備藥液輸出流量誤差須小于5%。在平原、丘陵地區(qū)作業(yè)距離靶標(biāo)相對(duì)高度須小于10 m，飛行路徑與目標(biāo)路徑平均偏差須小于5 m。在山地作業(yè)距離靶標(biāo)相對(duì)高度須小于15 m，飛行路徑與目標(biāo)平均偏差須小于10 m。施藥后需保證施藥覆蓋率大于95%，施藥區(qū)霧滴點(diǎn)密度均勻性變異系數(shù)[36-37]不大于60%，噴施率誤差控制在5%以內(nèi)。目前一些公司可實(shí)時(shí)提供路線導(dǎo)航及藥液噴灑信息，并瞬時(shí)調(diào)節(jié)噴施量的變化，實(shí)現(xiàn)粉末及顆粒等噴灑材料的精密流量控制。

3.2.6 規(guī)范防治效果驗(yàn)收規(guī)程 根據(jù)智能化作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)航空作業(yè)期間關(guān)鍵信息，制成飛防效果驗(yàn)收統(tǒng)計(jì)表，分別核查每次航空施藥的作業(yè)面積、飛機(jī)架次、總配藥量及最終施藥量等；根據(jù)不同施藥區(qū)及施藥種類需要，定期核查飛防作業(yè)區(qū)有害生物防治質(zhì)量，監(jiān)測(cè)飛防作業(yè)區(qū)及周圍一定區(qū)域內(nèi)的次生災(zāi)害發(fā)生情況，明確未能達(dá)到預(yù)期飛防作業(yè)效果、或產(chǎn)生次生災(zāi)害損失時(shí)的責(zé)任承擔(dān)者及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定規(guī)范化的防治效果驗(yàn)收統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目及規(guī)程。

林業(yè)有害生物航空監(jiān)測(cè)與防治，主要難度在于航攝信息提取與圖像處理、航空施藥過(guò)程中專用藥劑及助劑的篩選和研發(fā)、“飛機(jī)+噴灑設(shè)備+智控設(shè)備+專用藥劑”技術(shù)集成與優(yōu)化、“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術(shù)的推廣應(yīng)用與規(guī)范，以及防治績(jī)效承包項(xiàng)目監(jiān)理規(guī)范與市場(chǎng)化管理平臺(tái)等方面。作為管理和研究監(jiān)測(cè)、防控林業(yè)有害生物的重要技術(shù)手段，航空監(jiān)測(cè)是衛(wèi)星遙感等其它監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要補(bǔ)充，也是現(xiàn)代林業(yè)對(duì)調(diào)查工作的新要求，將成為林業(yè)調(diào)查和遙感測(cè)繪重要航空遙感平臺(tái)和未來(lái)林業(yè)有害生物災(zāi)害監(jiān)控和防治的重要常用工具，成為現(xiàn)代林業(yè)建設(shè)體系中一個(gè)重要組成部分并發(fā)揮巨大的作用。