基于無人機技術的森林病蟲害防治工作探究

雷　林

基于無人機技術的森林病蟲害防治工作探究

雷林

（遵義市林業局貴州遵義563000）

隨著全球氣候變化和人類活動的增加，森林病蟲害問題逐漸凸顯。為了更高效、準確地應對這一挑戰，無人機技術逐步被引入森林病蟲害的防治中。文章闡述了無人機技術在森林病蟲害防治中應用的優勢，探討了無人機技術在森林病蟲害防治中的創新應用，提出了基于無人機技術的森林病蟲害防治工作的開展策略，旨在為實際工作提供科學的技術支撐，推動無人機技術在生態保護和資源管理中的廣泛應用。

無人機；無人機技術；森林；病蟲害防治；生態保護

近年來，全球氣候變化與人為干擾因素疊加，導致森林病蟲害頻發，嚴重威脅著森林生態系統的穩定。在此背景下，傳統的森林病蟲害防治方式，如人工巡查、生物防治等，由于其操作范圍有限、勞動強度高、時效性較差，難以滿足大面積、高效、精準的防治需求。與此相反，無人機具備高度的靈活性和廣泛的作業范圍，能夠迅速覆蓋大面積的森林區域，進行高分辨率、實時的航拍監測，有效識別病蟲害的發生和發展態勢。因此，探索無人機技術在森林病蟲害防治中的實際應用和策略，成為當前學界研究的重要方向。

1 無人機技術應用于森林病蟲害防治的優勢

無人機技術在森林病蟲害防治中的應用具有顯著優勢，包括提高精確性、效率和成本效益，這些優勢不僅提升了防治效果，也有利于森林資源的可持續管理和環境保護。

第一，無人機技術在森林病蟲害防治中顯著提升了噴灑農藥的精確性。利用高級航拍和遙感技術，無人機能夠精確識別病蟲害發生的區域，確保農藥直接作用于目標區域，最大限度地減少化學物質的濫用和環境污染。例如，通過搭載多光譜傳感器，無人機可以分析植被的健康狀況，識別受病蟲害影響的特定區域，并自動調整噴灑路徑，確保農藥施放的覆蓋率和均勻度。這種精確的定位和噴灑，不僅提升了治療效果，還減少了因誤噴對環境和非目標生物的潛在影響。

第二，使用無人機進行森林病蟲害防治，顯著提高了作業效率。傳統的地面噴灑方法不僅勞動強度大，而且效率低下，特別是在復雜的地形和大面積的森林中。無人機能夠快速覆蓋廣闊區域，執行任務的速度遠超人工和地面機械。據統計，一架無人機每小時可以處理10～15 hm2的土地，而傳統方法僅能處理1～2 hm2的土地。此外，無人機可以在不利于人員進入的惡劣天氣和地形條件下作業，保證病蟲害防治工作的連續性和及時性。無人機的惡劣天氣和地形條件應用優勢如表1所示。

表1　無人機的惡劣天氣和地形條件應用優勢

第三，從長遠來看，無人機技術在森林病蟲害防治中的應用具有顯著的成本效益。雖然初期投入包括無人機的購置和維護成本，但由于其高效的作業能力和精準的農藥使用量，長期而言能夠顯著降低整體的防治成本。同時無人機減少了人工投入，降低了勞動力成本。此外，由于減少了化學農藥的使用，無人機技術有助于保護森林生態系統，這對于森林的可持續管理具有重要意義。

2 無人機技術在森林病蟲害防治中的創新應用

2.1 硬件創新

近年來，無人機硬件的創新為森林病蟲害的高效、精準防治帶來了新的可能。首先，從飛行平臺方面看，現代無人機采用了更為輕便、高效的材料，使其具有更長的續航能力和更大的載荷能力。據統計，一些新型的無人機續航時間已經達到4 h以上，載荷能力超過10 kg，這意味著無人機可以在更大的范圍內進行連續作業，提高了工作效率。其次，在傳感器技術上，無人機的硬件創新表現得尤為明顯。現代無人機所搭載的多光譜、超光譜、紅外、熱成像等傳感器，使其在對森林病蟲害的檢測和定位上更為準確。特別是超光譜傳感器，其能夠在400～2 500 nm的范圍內進行連續的光譜采集，分辨率達到10 nm。這使得無人機能夠對森林病蟲害的種類、數量、生長階段等進行精準研判，為后續的防治措施提供了有力的數據支持。最后，硬件的創新還體現在無人機的作業系統上。為了應對森林復雜的地形和環境，一些無人機已經具備了人工智能（AI）輔助的避障、自主規劃和精準作業的能力。例如，通過激光雷達（LiDAR）技術，無人機可以實時生成森林的3D模型，結合AI算法，自動規劃最佳的飛行路線和作業策略。而在實際的作業中，通過精確的全球定位系統（GPS）定位和高精度的慣性測量單元（IMU）系統，無人機可以實現厘米級的定位精度，確保藥物或生物防治劑的精準噴灑。

2.2 軟件算法優化

無人機技術在森林防治中的應用不僅是硬件層面的飛躍，軟件算法的優化同樣起到了關鍵作用。為了更準確、快速地識別、定位和處理森林病蟲害，軟件算法需要持續優化以滿足這些需求。第一，圖像識別算法在此領域得到了廣泛應用。傳統的圖像處理方法往往依賴于預先定義的特征和手動設置的閾值，但隨著深度學習技術的興起，基于卷積神經網絡（CNN）的圖像識別算法顯示出強大的性能[1]。這些算法可以從大量的標注數據中學習森林病蟲害的復雜特征，從而實現高達98%的識別準確率。同時，為了應對在復雜森林背景中的小目標檢測問題，一些先進的算法如YOLO和FasterR-CNN被引入，這些算法可以在實時性和準確性之間實現平衡，處理速度達到每秒60幀以上。第二，數據融合算法在提高檢測的準確性和魯棒性上起到了關鍵作用。考慮到無人機上可能搭載多種傳感器，如RGB攝像機、紅外攝像機和多光譜攝像機等，如何將這些不同來源的數據有效融合是一個挑戰。通過引入卡爾曼濾波器和粒子濾波器等高級的數據融合技術，可以將來自不同傳感器的數據進行有效整合，實現對病蟲害的準確定位。

3 基于無人機技術的森林病蟲害防治工作開展策略

3.1 利用無人機優化精準噴灑技術

首先，優化無人機噴灑技術涉及無人機硬件和軟件的選擇與配置。硬件層面要選擇適合森林環境的無人機模型，這些無人機需具備足夠的載荷能力以搭載噴灑設備，同時具有良好的飛行穩定性和操作靈活性。重要的硬件配置包括高效的噴灑機構、精確的流量控制閥門及能夠適應各種天氣條件的防護設計。軟件層面，需配置高級飛行控制系統，包括自動飛行路徑規劃、目標區域定位及自動避障功能。此外，無人機噴灑系統還應整合環境感知技術，如風速和風向感應器，以實時調整噴灑參數，保證藥劑在不同風速下的均勻噴灑。

其次，精準定位與噴灑策略的制定是優化噴灑技術的關鍵。基于無人機監測數據，如多光譜成像、熱成像等技術收集的信息，結合地理信息系統（GIS）技術，準確識別出受病蟲害影響的特定區域[2]。根據監測結果，制定精準的噴灑計劃，其中包括噴灑的具體位置、所需藥劑量及噴灑時間。例如，利用歸一化植被指數（NDVI）和植被溫度差異指數（VTCI）等數據指標，精確判斷病蟲害的程度和范圍。在此基礎上，調整無人機的飛行高度、速度和噴灑量，以確保藥劑能夠精準覆蓋目標區域，同時減少對周圍環境的影響。

最后，噴灑效果的評估與調整對于優化精準噴灑技術至關重要。完成噴灑任務后，再次使用無人機進行監測，通過比較噴灑前后的植被圖像和數據，評估噴灑效果，具體包括分析病蟲害控制的程度、藥劑覆蓋的均勻性及對非目標區域的影響。根據評估結果，調整未來的噴灑策略，如改變噴灑的濃度、覆蓋范圍或使用不同的藥劑配方。此外，長期的數據收集和分析對于掌握病蟲害發展趨勢、評估治療方法的有效性及制定未來的防治策略都至關重要。

3.2 綜合應用無人機技術與傳統方法

綜合應用無人機技術與傳統方法時，可以聚焦于以下3個方面：無人機技術與傳統方法的融合策略、實施細節的優化及長期效果的監測與評估。

首先，融合策略的制定涉及無人機技術與傳統森林病蟲害防治方法的有效結合。傳統方法如人工巡查、地面噴灑和生物防治，雖然在特定條件下效果顯著，但在大范圍和難以接近的區域存在局限性，無人機技術可以彌補這些不足[3]。例如，無人機可用于高效率的病蟲害監測和快速響應噴灑，而地面團隊則負責詳細巡查和特定區域的定點處理。結合無人機的空中優勢和地面操作的細致性，形成合力，提升整體防治效率。在策略制定時，需考慮不同方法的優勢、適用條件及協同方式，確保兩者的有效結合，具體如表2所示。

表2　無人機技術與傳統方法綜合應用表

其次，實施細節的優化要求對無人機技術和傳統方法的應用進行細致調整。無人機在執行監測和噴灑任務時，應考慮到飛行路徑的優化、藥劑使用的精確度及監測數據的實時傳輸。例如，無人機飛行路徑應根據森林地形和病蟲害分布進行規劃，以確保全面覆蓋。在藥劑噴灑方面，除了精準定位外，還需考慮藥劑種類、濃度及環境影響，以減少對生態系統的負面影響。傳統方法的優化則包括提高人工巡查的效率、改進生物防治措施的應用等。同時，無人機需與地面團隊之間保持信息共享和協調，確保雙方高效配合，及時響應。

最后，長期效果的監測與評估是確保無人機技術與傳統方法綜合應用效果的重要環節。這包括建立一套全面的監測體系，定期收集和分析病蟲害防治的數據，如病蟲害發生頻率、受影響區域的變化、生態系統的健康狀況等。利用這些數據，可以評估無人機和傳統方法結合的實際效果，識別存在的問題，從而調整未來的防治策略。此外，持續的效果評估有助于分析環境變化對病蟲害防治策略的影響，為應對氣候變化帶來的新挑戰提供科學依據。

4 結語

無人機技術在森林病蟲害防治中有著巨大潛力和優勢，通過高分辨率圖像捕獲和數據分析，無人機不僅能夠快速、準確地定位病蟲害的集中區域，還可以為實地作業提供有力的數據支持。與傳統方法相比，無人機優化的精準噴灑技術不僅提高了治理效率，同時也減少了對環境的影響。此外，無人機技術與傳統防治方法的融合，展現了一種新的綜合管理模式，有效提升了病蟲害防治的全面性和持續性。這項策略不僅強化了森林的健康發展和生態安全，也為未來森林資源管理提供了新的視角和解決方案。未來將繼續優化基于無人機的森林病蟲害防治策略，使之成為保護自然資源的重要工具。

[1]陳亮. 淺談無人機在森林病蟲害防治上的應用[J]. 農家致富顧問，2020（10）：151.

[2]李海軍. 無人機技術在森林病蟲害防治中的應用及對策[J]. 廣東蠶業，2024，58（1）：65-67.

[3]李澤潤. 無人機技術在林業調查規劃設計中的應用[J]. 廣東蠶業，2023，57（6）：79-81.

10.3969/j.issn.2095-1205.2024.03.25

S763

C

2095-1205(2024)03-80-03

雷林（1989—），男，漢族，貴州遵義人，本科，林業工程師，研究方向為林業保護與發展、林業科研、林木種苗。