我国林业有害生物航空遥感监测与防治技术的建议,生物技术论文.docx
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1、我们国家林业有害生物航空遥感监测与防治技术的建议,生物技术论文内容摘要:本文分析了我们国家林业有害生物航空遥感监测与防治技术的发展现在状况、优势及存在的一些主要问题,适应国内外发展趋势,提出了合适我们国家林业有害生物航空监测和防治相关技术标准和市场化管理规范建议,为确保生产实践中监测和防治林业有害生物到达预期效果提供参考。 本文关键词语:林业有害生物; 航空监测; 航空防治; 问题; 技术标准; Consideration of aviation monitoring and control technology on forestry pests TIAN Chengming Yu Dime
2、i Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education College of Forestry,Beijing Forestry University Abstract: Development status, advantages and existing problems of aviation monitoring and control technology on forestry pests were analyzed in this study. Adapting to the deve
3、lopment trend in China and abroad, suggestions about technical standards and market management norms for aviation monitoring and control technology were proposed. These proposals provided a reference for improving and standardizing the monitoring and control of forestry pests to intended effect in a
4、pplication. Keyword: forestry pests; aviation monitoring; control; existing problems; technical standards; 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,林业有害生物给我们国家的林业生产和生态环境建设带来了宏大影响1。因而,怎样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。国外对于林业有害生物的航空监测最早始于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
5、步应用于有害生物灾祸监测。1982年,日本开场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。我们国家1952年开场利用飞机进行林区巡查、火情监测等航空护林措施6,后逐步开展在林区照相、资源勘探、森林病虫害防治及野生动物保卫等方面应用。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2000多hm2松叶蜂危害区域的健康木、虫害木以及松毛虫为
6、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们国家国情和林区特点,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%以上的灾祸区,实现灾祸区定位9,标志着我们国家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,承当了美国近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。我们国家航空施药起
7、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拥有1 400架,直升机60余架,防治农林业病虫草害和施肥的面积到达200多万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的众多优势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,也是当前该领域最
8、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 开场用于农田、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祸,并迅速采取相应措施,有效控制林
9、业有害生物扩散和蔓延。一般来讲,有害生物灾祸监测包括3方面:一是在有害生物灾祸发生前,对发生的环境进行监测,把握可能孕育有害生物发生的森林环境;二是在有害生物灾祸发生经过中,及时监测发生的空间范围;三是在有害生物灾祸发生之后,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、有害生物灾祸预测预报以及有害生物防治效果是当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,当前我们国家森林面积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。由于我们国家林业用地
10、广阔,山区地形复杂,生产周期长,所牵涉的森林系统构造复杂等原因,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,且采用传统方式方法制定管理决策,缺乏直观性和决策经过的可视化,给经营管理带来众多困难,有害生物监测的覆盖面和准确性都面临宏大的挑战,十分是山高坡陡地区易存在监测盲区。因而,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式方法也逐步获得了学者们的广泛关注18,19。 1.1 航空遥感监测的优
11、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的监测是林业有害生物遥感监测的主要根据。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,叶片的变色或缺失进而引起的林木、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,进而以光谱的变化监测林业有害生物灾祸。结合航空平台与遥感、红外探测等技术对林区有害生物灾祸进行观察,及时获取遥感数据,了解有害生物发生的
12、动态变化,找到有害生物发生的规律,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能够及时全面把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式方法很难迅速、全面、客观地反映有害生物的发生发展动态,进而不能及时地、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、
13、时效性强、分辨率高等优点,能够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,航空遥感监测能够不受大气和地物辐射反射影响,能够根据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,能够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本身的特殊性,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。我们国家
14、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。航空防治能够根据监测数据,进行定向喷洒,尤其是在飞行经过中,机旋翼产生的下旋气流使得药滴能够更好地穿透森林层次,提高了药物喷洒的效率,作业成本低,节省药剂,并减少了药物与工作人员的接触,更好地保证了工作人员的安全,保卫生态环境。近年来,航空施药对林业有害生物防治的应用越来越广泛21,22。 1.2.2 能够有效降低防治成本 使用航空防治进行施药,防治经过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
15、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一些主要问题 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众多问题。 2.1 航空遥感监测存在的问题 2.1.1 图像采集与分析系统仍不成熟 在数据源的选择方面,高精到准确度、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、蓝三个波段的可见光;不同航线及不同时间获取的图像
16、由于太阳角的变换使之图像存在较为明显的明暗差异23,导致自动判别和分类方面缺陷较大。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加强灾祸信息,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构造特征。对于怎样抑制噪声、辨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、突出森林灾祸信息,怎样选择合适的图像加强、变换及分类方式方法,怎样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
17、式方法有效融入到林业有害生物的监测技术中还不够。 2.2 航空防治存在的一些主要问题 2.2.1 航空施药安全水平有待提高 航空施药需注意保卫环境中生物多样性,在飞防作业设计,尤其是航线设计中缺少提早做好避让敏感作物及生物的方案,导致在防治经过中,固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、浸透性较强、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,但仍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,尤其是一些初次使用的药剂,缺少预实验,进而不可避免的造成环境影响。同时缺少免蒸发、少
18、飘逸的飞防专用助剂,导致液体肥料、矿物油、非离子外表活性剂等助剂诱发的次生灾祸现象频发。 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置够一架次使用的药液,药水混合经过中的搅拌不够充分,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,不同药液在倾倒经过中的挂壁残留,以及配药、输送药液、加注药液等经过中,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 当前,航空施药经过的实时监控和
19、作业数据采集固然部分地方或企业有所牵涉但并不普及,即便在航空施药结束后进行了防治效果的评价和验收,但在整个防治经过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祸发生情况;飞防作业后出现防治效果未到达预期、或产生次生灾祸后造成损失等情况,相关责任划分和责任追查、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缺乏 近20年,我们国家航空植保主要遵循航空植保发达国家的发展道路,学习和使用
20、先进的航空施药技术。当前,多数人对精准施药的认识缺乏,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,以为这些施药机械施药量太少,缺乏以根治有害生物。 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互相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、山地森林区域仍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、损失以及靶标丢失等现象,可以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
21、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成效。 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,防治效果层次不齐,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对传统喷药技术的危害缺乏正确的认识,也不能够正确对待航空施药,因此对使用者缺乏主动正确的引导。当前固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,并在理论层面上获得了重大突破,也开展相关的技术培训,但对药械的使用却没有
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