基于無(wú)人機(jī)監(jiān)控農(nóng)林白娥的研發(fā)與應(yīng)用

摘 要：當(dāng)前無(wú)人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，在農(nóng)林領(lǐng)域逐步應(yīng)用，美國(guó)白蛾因?yàn)槠渚哂蟹敝衬芰?qiáng)、防治難度大等各方面的特點(diǎn)，嚴(yán)重危害森林植物。隨著全球一體化的迅速來(lái)臨，美國(guó)白蛾進(jìn)入我國(guó)的渠道和途徑也越來(lái)越多。因此，該害蟲也成為我國(guó)重點(diǎn)檢疫防治對(duì)象。但是人工效率和防治效果容易受地形和天氣的等影響，所以可運(yùn)用無(wú)人機(jī)空間分辨率以及機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)來(lái)獲取美國(guó)白蛾的信息，再及時(shí)利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行誘殺和捕殺，減少其對(duì)農(nóng)林的危害。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);農(nóng)林;監(jiān)控;白蛾

0? 引言

美國(guó)白蛾 Hyphantria cunea （Drury） 是一種原產(chǎn)于北美地區(qū)的世界檢疫性害蟲，美國(guó)白蛾作為一種鱗翅目、燈蛾科植食性害蟲，因?yàn)槠渚哂蟹敝衬芰?qiáng)、防治難度大等各方面的特點(diǎn)，已經(jīng)被世界多個(gè)國(guó)家列為了重點(diǎn)檢疫防治的對(duì)象。該害蟲同樣也為我國(guó)森林植物檢疫的重點(diǎn)之一。目前已在我國(guó)13個(gè)省598個(gè)縣級(jí)行政區(qū)發(fā)生，對(duì)我國(guó)生態(tài)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。主要危害果樹、行道樹和觀賞樹木，尤其以闊葉樹為重。對(duì)林木造成嚴(yán)重的危害，已被列入我國(guó)首批外來(lái)入侵物種。

植保無(wú)人機(jī)具有靈活多變、高效安全等特點(diǎn)，如今在防治病蟲害上被廣泛運(yùn)用。因此，可利用無(wú)人機(jī)對(duì)林區(qū)內(nèi)的樹木進(jìn)行監(jiān)控巡查，然后再利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行誘捕和消滅?；诖?，本文對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用于防治美國(guó)白蛾蟲害的優(yōu)勢(shì)及目前應(yīng)用中存在的問(wèn)題加以分析，以此提出相關(guān)改進(jìn)措施，從而確保無(wú)人機(jī)可以更好地應(yīng)用于農(nóng)林病蟲害防治中，提高對(duì)美國(guó)白蛾的防治水平。本文將簡(jiǎn)述基于無(wú)人機(jī)監(jiān)控農(nóng)林白蛾的研發(fā)和應(yīng)用，從利用無(wú)人機(jī)林間監(jiān)控、噴施性誘劑、無(wú)人機(jī)噴灑化學(xué)藥劑、釋放天敵四個(gè)方面對(duì)白蛾的檢疫防治進(jìn)行分析，提出強(qiáng)化績(jī)效管理、實(shí)施精準(zhǔn)防治和推進(jìn)依法防治、綠色防治、社會(huì)化防治等對(duì)策建議。

無(wú)人機(jī)由于可以飛的較高，因此具有效率高、范圍廣、識(shí)別定位準(zhǔn)確、組織實(shí)施靈活等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合對(duì)交通不便的林區(qū)開展監(jiān)測(cè)活動(dòng)，是對(duì)人工地面接測(cè)的重要補(bǔ)充。與此同時(shí)，無(wú)人機(jī)還可以清晰地記錄下整個(gè)林區(qū)的概況，有效解決了人工監(jiān)測(cè)難度大、踏查耗時(shí)多等問(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)調(diào)查監(jiān)測(cè)工作全面覆蓋。因此，探索采用無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集、AI識(shí)別[1]、地理信息系統(tǒng)[2]等技術(shù)監(jiān)測(cè)森林蟲害勢(shì)在必行。引入AI識(shí)別技術(shù)，無(wú)人機(jī)能在大量的森林照片中自動(dòng)識(shí)別出得病林木，極大地提高了白蛾蟲病監(jiān)測(cè)精度效率;無(wú)人機(jī)采集到的地理信息，還可以結(jié)合林地的三維實(shí)景模型，將每棵病樹都定位到三維地圖上，形成最直觀的三維病樹分布圖，為后續(xù)林區(qū)管理、精準(zhǔn)評(píng)估防治工作量、除治工作實(shí)施提供數(shù)據(jù)支持和保障。

1. 林間監(jiān)控和避障

無(wú)人機(jī)機(jī)體型較小但功能強(qiáng)大，利用無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、飛行快速、分辨率高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，再采用智能操控，操控手通過(guò)地面遙控器及GPS定位對(duì)其實(shí)施控制，利用無(wú)人機(jī)空間分辨率以及機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)來(lái)獲取白蛾的信息。林區(qū)范圍較廣、地理復(fù)雜，有很多人工不能探查到的地方。因此，由無(wú)人機(jī)搭載高清攝像頭，在每年5月下旬至七月下旬和八月上旬至11月中旬這段時(shí)間內(nèi)，對(duì)所轄地區(qū)進(jìn)行巡查，定時(shí)定點(diǎn)重點(diǎn)檢查桑樹、桃木、臭椿、榆樹等樹木，做到早發(fā)現(xiàn)早防治。如果有幼蟲危害，利用無(wú)人機(jī)對(duì)所轄區(qū)域害蟲重災(zāi)區(qū)周圍反復(fù)巡查，及時(shí)防治。如果無(wú)人機(jī)監(jiān)控到幼蟲和幼蟲所結(jié)網(wǎng)群，將圖片反饋到平臺(tái)，根據(jù)幼蟲不同時(shí)期采取不同的方案進(jìn)行處理。

無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中難免受環(huán)境影響，不能按照預(yù)定的航線。還有遇到過(guò)高的樹木、小鳥的巢穴等不確定因素。為了避免無(wú)人機(jī)碰撞引發(fā)墜機(jī)或損壞線路的現(xiàn)象，利用多元化傳感器[3]幫助無(wú)人機(jī)感知障礙物，然后調(diào)整飛行姿態(tài)和路徑是目前研究的重點(diǎn)

無(wú)人機(jī)自主飛行的前提和核心條件是自動(dòng)避障。因此，安裝在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上的多個(gè)傳感器可以幫助無(wú)人機(jī)收集自身和周圍環(huán)境的信息，從而做出正確的判斷，在緊急情況下自動(dòng)避障，避障后自動(dòng)調(diào)整原路線。首先，將直線障礙物分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類。靜態(tài)避障相對(duì)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)避障，需要在靜態(tài)避障的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)障礙物的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)作出等待或繞行的決策。[4]目前可用于無(wú)人機(jī)避障的傳感器數(shù)不勝數(shù)，紅外傳感器通過(guò)物體表面溫度感知物體，但巡線時(shí)障礙物多數(shù)為沒(méi)有生命體征的物體，所以紅外傳感器不適合?？梢?jiàn)光傳感器可以獲得物體照片，但是無(wú)法判斷距離和位置，所以也不適合避障應(yīng)用。經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為應(yīng)該采用質(zhì)量輕、體積小、成本低的超聲波傳感器、激光傳感器和GPS傳感器。超聲波傳感器能發(fā)出超聲波，當(dāng)碰到物體時(shí)聲波返回，根據(jù)波速和時(shí)間可以計(jì)算物體距離是否在安全區(qū)。激光傳感器工作原理類似，只是發(fā)出的是激光。GPS可以定位位置信息，技術(shù)相當(dāng)成熟，在國(guó)內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

2. 藥劑防治

噴灑農(nóng)藥是林業(yè)病蟲害防治中的通行措施之一，以往人工作業(yè)效率及防治效果容易受交通和地形地貌等影響。無(wú)人機(jī)具有工作效率高、省時(shí)省力、節(jié)約成本、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)周年全程自動(dòng)化作業(yè)，在林業(yè)病蟲害防治中具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和前景。

在害蟲發(fā)生初期，利用化學(xué)藥劑噴藥防治，運(yùn)用無(wú)人機(jī)搭載林蟲凈稀釋 800-1000 倍液噴霧防治或者使用根施產(chǎn)品-根除凈，對(duì)蟲害樹木進(jìn)行噴灑，是人工作業(yè)效率的幾十倍。

而且無(wú)人機(jī)旋翼產(chǎn)生向下的巨大旋力，推動(dòng)藥劑物滴對(duì)作物從上到下進(jìn)行穿透，有利于藥劑霧滴均勻散落于林木的各個(gè)部位，做到藥物噴灑精準(zhǔn)到位，噴灑效果更好。在藥劑噴灑過(guò)程中，無(wú)人機(jī)采取自動(dòng)障礙規(guī)避及自動(dòng)巡航報(bào)警的新型技術(shù)，當(dāng)藥劑用完后，無(wú)人機(jī)會(huì)自動(dòng)巡航回到初始位置，由工作人員添加藥劑后，根據(jù)返航時(shí)的定位，回到之前噴灑地區(qū)繼續(xù)噴灑，不會(huì)造成重復(fù)噴灑，大量節(jié)約藥劑成本、人工成本。

3. 引誘捕殺

采用性誘劑或環(huán)保型昆蟲趨性誘殺器誘殺成蟲，只針對(duì)目標(biāo)昆蟲白蛾。在成蟲發(fā)生期，把誘芯放入誘捕器內(nèi)，將誘捕器搭載在無(wú)人機(jī)上，利用無(wú)人機(jī)靈活的特點(diǎn)和避障系統(tǒng)，穿梭于林中和空中，直接誘殺雄成蟲，阻斷害蟲交尾，降低繁殖率，達(dá)到消滅害蟲的目的。

4. 生物防治

美國(guó)白蛾幼蟲前期，因幼蟲在所出生的葉子上裹上了網(wǎng)，所以化學(xué)藥劑可能作用不大。但是，由中國(guó)林科院楊忠歧研究員主持，從上世紀(jì)90年代開始，從生物控制的角度出發(fā)，系統(tǒng)地調(diào)查了美國(guó)白蛾寄生性天敵，從其卵幼蟲和蛹中飼養(yǎng)出了多種天敵。經(jīng)過(guò)篩選，發(fā)現(xiàn)了一種寄生率高、出蜂量大、能有效控制美國(guó)白蛾的蛹寄生蜂-白蛾周氏嚙小蜂。周氏嚙小蜂是新發(fā)現(xiàn)的物種，原產(chǎn)中國(guó)，卻成為美國(guó)白蛾的天敵。因此，可利用周氏嚙小蜂，以無(wú)人機(jī)搭載產(chǎn)卵器，將產(chǎn)卵器刺入美國(guó)白蛾蟲蛹內(nèi)，有效控制白蛾數(shù)量?；蛘咴跓o(wú)人機(jī)上，設(shè)置一個(gè)類似于蜂巢的容器，將培育好的成年周氏嚙小蜂放養(yǎng)其中，通過(guò)監(jiān)測(cè)到白蛾蟲害的重災(zāi)區(qū)的數(shù)據(jù)分析，無(wú)人機(jī)采取自動(dòng)障礙規(guī)避及自動(dòng)巡航報(bào)警的技術(shù)，自動(dòng)尋找白蛾聚集地，將周氏嚙小蜂放出，小蜂就可以找到在各種隱蔽場(chǎng)所化蛹的美國(guó)白蛾，產(chǎn)卵寄生于美國(guó)白蛾體內(nèi)。這種生物防治保護(hù)生態(tài)環(huán)境，不殺傷天敵，是防治美國(guó)白蛾的先進(jìn)技術(shù)。

5. 實(shí)施思路

5.1. 由監(jiān)控人員控制電腦進(jìn)行飛行前準(zhǔn)備。在電腦上通過(guò)谷歌影像劃定航拍區(qū)域，檢查航拍區(qū)域內(nèi)地形起伏和林木的情況，提前避開無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中可能撞擊的地方。

5.2. 利用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，可從獲取的高分辨率影像中，精確定位農(nóng)作物和森林樹木的具體情況，例如植物的生長(zhǎng)情況、蟲害等等。將發(fā)現(xiàn)美國(guó)白蛾等蟲害的圖片反饋到電腦上，然后采取相應(yīng)措施。

5.3. 美國(guó)白蛾幼蟲和成蟲期間，無(wú)人機(jī)搭載化學(xué)藥劑噴灑系統(tǒng)，進(jìn)行噴霧防治。

5.4. 美國(guó)白蛾成蟲期間，無(wú)人機(jī)搭載誘捕器，對(duì)林間成蟲進(jìn)行誘捕。

5.5. 無(wú)人機(jī)搭載產(chǎn)卵器，將天敵的卵注入美國(guó)白蛾的蟲蛹中;或者搭載模擬蜂巢，將周氏嚙小蜂放出于白蛾嚴(yán)重的地區(qū)，讓周氏嚙小蜂產(chǎn)卵于白蛾蛹內(nèi)。

5.6. 觀察一段時(shí)間，根據(jù)系統(tǒng)反饋的信息進(jìn)行下一步調(diào)整，適時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)下達(dá)指令，使人機(jī)配合緊密。

預(yù)期效果? ? ?無(wú)人機(jī)通過(guò)空間分辨率以及機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)來(lái)獲取植物光譜信息，用來(lái)監(jiān)督蟲害情況，預(yù)估害蟲數(shù)量，監(jiān)督植物病蟲害等問(wèn)題。將來(lái)也可以運(yùn)用無(wú)人機(jī)代替人工進(jìn)行作物播種、施肥施藥，代替人工進(jìn)行林間巡查。同時(shí)操作者與無(wú)人機(jī)緊密配合，減少蟲害傳播，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

結(jié)語(yǔ)

以上方法和思路全部借助于無(wú)人機(jī)進(jìn)行操作，三種方法幾乎滿足于美國(guó)白蛾從幼蟲期到成蟲期的全部時(shí)期。該思路和方法有利于加快實(shí)現(xiàn)美國(guó)白蛾防治技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，促進(jìn)美國(guó)白蛾統(tǒng)防統(tǒng)治工作的開展。

參考文獻(xiàn)：

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[3]包志鵬，李梓菲，李梓璐，基于FNN的電力無(wú)人機(jī)避障方案設(shè)計(jì).

[4]郭劍東，王康，李志宇.基于凸面體圓弧航路的無(wú)人機(jī)自主避障算法[J/OL].控制與決策（2019-09-29）[2020-02-20]

作者簡(jiǎn)介：

魏鵬飛（1999-）漢族，山西大同人，本科，學(xué)生。