無人機(jī)高光譜成像在云杉梢斑螟智能防控體系中的應(yīng)用

1 傳統(tǒng)防控的困境與挑戰(zhàn)

1.1 人工巡查的滯后性

云杉梢斑螟幼蟲蛀食新梢后，會(huì)在枝條內(nèi)形成蛀孔并排出絲狀木屑，這是人工識(shí)別的主要依據(jù)。然而，在東北林區(qū)，單名護(hù)林員日均巡查面積不足50畝，且僅能發(fā)現(xiàn)30%的早期蟲害。2023年內(nèi)蒙古大興安嶺的案例顯示，當(dāng)人工發(fā)現(xiàn)蟲害時(shí)，實(shí)際感染面積已擴(kuò)散至初始值的8倍，導(dǎo)致防治成本激增300%。

1.2 化學(xué)防治與生物防治的難施展性

傳統(tǒng)防治依賴溴氰菊酯、辛硫磷等廣譜殺蟲劑，但會(huì)對(duì)生態(tài)造成破壞以及云杉木的抗藥性。2024年案例，噴灑農(nóng)藥后，周邊蜂群死亡率上升47%，影響授粉作物產(chǎn)量，且在連續(xù)3年使用同種藥劑的林區(qū)，云杉梢斑螟死亡率從82%驟降至31%。而赤眼蜂、蘇云金桿菌等生物防治手段雖環(huán)保，但受環(huán)境因素制約顯著。例如，赤眼蜂釋放需在成蟲產(chǎn)卵期進(jìn)行，而人工判斷產(chǎn)卵期的誤差率高達(dá)60%，導(dǎo)致防治效果波動(dòng)大。

2 無人機(jī)高光譜成像的發(fā)展與突破

2.1 高光譜設(shè)備的發(fā)展

高光譜成像技術(shù)的工作原理，通過捕捉物體反射的400到1000納米波長范圍內(nèi)的數(shù)百個(gè)細(xì)分光波段數(shù)據(jù)，能夠檢測(cè)到植物內(nèi)部葉綠素含量、水分情況以及細(xì)胞結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化。具體到云杉梢斑螟幼蟲啃食樹枝的場(chǎng)景，這種技術(shù)能發(fā)現(xiàn)三個(gè)關(guān)鍵變化。首先，幼蟲啃食會(huì)導(dǎo)致樹葉中的葉綠素減少，此時(shí)樹葉反射的紅光波段光線會(huì)明顯變?nèi)酢Ｆ浯危瑯渲Φ募?xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞后，近紅外波段的反射光線反而會(huì)異常增強(qiáng)。最后，被啃食部位因木質(zhì)素積累，在短波紅外波段會(huì)形成獨(dú)特的信號(hào)特征，幫助精準(zhǔn)識(shí)別蟲害。

2.2 高光譜設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

早期高光譜成像設(shè)備因技術(shù)限制存在顯著短板，設(shè)備重量普遍超過50公斤，相當(dāng)于攜帶三臺(tái)家用洗衣機(jī)，必須依賴載重能力強(qiáng)的固定翼無人機(jī)才能升空作業(yè)。這類大型無人機(jī)起降需要專用跑道，單次出動(dòng)需配備飛行員、光譜分析師、地面維護(hù)團(tuán)隊(duì)共5人以上，導(dǎo)致單次500畝監(jiān)測(cè)任務(wù)的綜合成本高達(dá)2.2萬元，相當(dāng)于普通農(nóng)戶3年種植收入。在2025年該行業(yè)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)躍遷，突破行業(yè)難關(guān)。大疆無人機(jī)搭載的GaiaField-mini光譜儀采用碳纖維框架與微型衍射光柵技術(shù)，將設(shè)備重量壓縮至2.3公斤（約等于兩瓶礦泉水重量）。其搭載的3000毫安電池可連續(xù)作業(yè)8小時(shí)，單日最大巡查面積達(dá)500畝，相當(dāng)于每天掃描30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)面積的林區(qū)。且集成華為Atlas 200 AI加速模塊后，設(shè)備可實(shí)時(shí)處理光譜數(shù)據(jù)流。在云南松毛蟲監(jiān)測(cè)中，能在0.3秒內(nèi)完成單幅影像的蟲害特征提取，標(biāo)記準(zhǔn)確率達(dá)91.6%，較傳統(tǒng)人工判讀效率提升40倍。另外合肥君達(dá)高科等國產(chǎn)廠商通過量子點(diǎn)光譜傳感技術(shù)與流水線生產(chǎn)，將設(shè)備制造成本降低至進(jìn)口產(chǎn)品的35%。在黑龍江墾區(qū)試點(diǎn)中，單畝監(jiān)測(cè)成本從15元降至5元，使得萬畝林場(chǎng)的年度監(jiān)測(cè)費(fèi)用從15萬元驟降至5萬元，首次低于人工巡查成本。這些突破直接推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用下沉，河北塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)通過租賃服務(wù)模式，以每畝8元價(jià)格獲得全年蟲情監(jiān)測(cè)服務(wù)，較自行購置設(shè)備節(jié)省92%投入。2025年第一季度，全國新增高光譜監(jiān)測(cè)林區(qū)面積達(dá)1200萬畝，較去年同期增長370%。此外，在2024年春季，東北某重點(diǎn)林區(qū)應(yīng)用無人機(jī)高光譜普查20萬畝云杉林，僅用5個(gè)飛行日即完成。系統(tǒng)識(shí)別出早期受害木約8500株（分散分布），占比不到0.5%。組織植保無人機(jī)進(jìn)行超低量精準(zhǔn)噴藥，僅針對(duì)受害木及其周圍10米緩沖帶作業(yè)。對(duì)比傳統(tǒng)方式，節(jié)約農(nóng)藥費(fèi)用超200萬元，防治效果評(píng)估顯示蟲口減退率達(dá)92%，且非目標(biāo)區(qū)域生態(tài)指標(biāo)良好。

2.3 數(shù)據(jù)模型的建立與應(yīng)用

在東北長白山林區(qū)，科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長達(dá)兩年的實(shí)地觀測(cè)與數(shù)據(jù)積累，成功構(gòu)建了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“光譜-蟲情”關(guān)聯(lián)模型，該模型通過特征波段提取、蟲情分級(jí)、動(dòng)態(tài)預(yù)警的核心步驟實(shí)現(xiàn)了對(duì)云杉梢斑螟蟲情的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)蟲害擴(kuò)散路徑，準(zhǔn)確率達(dá)89%。2024年，該模型在長白山林區(qū)的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果顯示，應(yīng)用該模型的林區(qū)化學(xué)農(nóng)藥使用量平均減少了41%，云杉保存率則提升了28%。

3 智能防控體系的構(gòu)建與應(yīng)用

3.1 精準(zhǔn)施藥

傳統(tǒng)林業(yè)防治中，“地毯式”噴藥模式導(dǎo)致70%以上的農(nóng)藥流失到土壤或飄散到空氣中，不僅污染環(huán)境，還加速害蟲抗藥性產(chǎn)生。以云南松毛蟲防治為例，某林場(chǎng)曾因過量噴灑阿維菌素，導(dǎo)致周邊3公里內(nèi)的魚塘出現(xiàn)大規(guī)模死魚事件。無人機(jī)高光譜成像技術(shù)通過生成“蟲情熱力圖”，將防治精度提升至米級(jí)。基于蟲情分級(jí)模型對(duì)劑量精準(zhǔn)調(diào)控，在重度感染區(qū)（蟲口密度＞5頭/枝）自動(dòng)增加30%噴藥量，輕度區(qū)（蟲口密度＜2頭/枝）減少50%，經(jīng)吉林汪清林場(chǎng)實(shí)測(cè)，農(nóng)藥有效利用率從35%提升至68%。采用改進(jìn)型AI算法優(yōu)化飛行路徑，避開健康云杉區(qū)域，減少非目標(biāo)作物藥害。黑龍江大興安嶺試點(diǎn)顯示，防治效率較傳統(tǒng)方式提升2.3倍，幼蟲死亡率從62%提高至89%。

3.2 生物防治的智能化應(yīng)用

結(jié)合高光譜數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)生物防治的精準(zhǔn)投放。赤眼蜂釋放，通過光譜反演模型預(yù)測(cè)成蟲產(chǎn)卵期，誤差率從60%降至15%，在河北塞罕壩林場(chǎng)試驗(yàn)中，赤眼蜂寄生率從38%提升至72%，幼蟲死亡率增加43%，配套研發(fā)的“蜂卡智能投放裝置”可自動(dòng)識(shí)別蟲情等級(jí)，重度區(qū)投放密度達(dá)2000頭/畝，輕度區(qū)降至500頭/畝。在蟲情高發(fā)區(qū)動(dòng)態(tài)增加誘捕器密度，2024年東北某林場(chǎng)誘捕量提升3倍，2024年遼寧章古臺(tái)林場(chǎng)應(yīng)用后，誘捕器密度從固定式5個(gè)/公頃調(diào)整為動(dòng)態(tài)式8～12個(gè)/公頃，誘捕量提升3.1倍，雄蟲捕獲率達(dá)94%，誘捕器內(nèi)置AI芯片可自動(dòng)分析蟲情趨勢(shì)，提前48小時(shí)預(yù)警爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。分析感染云杉的光譜特征，篩選出抗蟲性強(qiáng)的品種進(jìn)行繁育，“長白1號(hào)”云杉品種被害率較普通云杉低67%，木質(zhì)素含量高22%，已推廣種植12萬畝。

3.3 促進(jìn)生態(tài)修復(fù)

蟲害治理后，高光譜成像持續(xù)監(jiān)測(cè)林分健康，構(gòu)建了全周期管理閉環(huán)。識(shí)別殘留帶蟲枝條（直徑＞2厘米），實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)砍伐。結(jié)合土壤養(yǎng)分光譜數(shù)據(jù)，推薦紅松、落葉松等伴生樹種。在內(nèi)蒙古根河林場(chǎng)，混交林比例從45%提升至67%，生物多樣性指數(shù)增加40%，松毛蟲自然天敵數(shù)量增長2.8倍。呼倫貝爾林場(chǎng)應(yīng)用該體系后，混交林比例從45%提升至67%，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，土壤侵蝕模數(shù)從2800噸/（平方千米/年）降至1200噸/（平方千米/年），林下植被覆蓋率從35%恢復(fù)至58%，為珍稀鳥類提供棲息地，2025年監(jiān)測(cè)顯示，云杉年胸徑生長量增加1.8厘米，木材蓄積量提升23%。

作者單位：運(yùn)河景觀管理中心