莊亮
(上海市閔行區(qū)林業(yè)站,上海 201199)
花卉林木病蟲(chóng)害對(duì)林業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)峻威脅,因此,建立高效的監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)顯得尤為重要。隨著科技的不斷進(jìn)步,先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)成為改善病蟲(chóng)害管理的有力工具。以下內(nèi)容將深入研究花卉林木病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng),以先進(jìn)的小氣候自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)為例,通過(guò)全方位、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和智能分析,旨在提高對(duì)植物健康狀況的監(jiān)測(cè)精度,實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在威脅的早期識(shí)別。本研究不僅有望為林業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù),還將為相關(guān)從業(yè)者提供創(chuàng)新的工程應(yīng)用方案,促使林業(yè)生產(chǎn)向更為可持續(xù)、高效的發(fā)展方向邁進(jìn)。
傳統(tǒng)花卉林木病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)所使用的設(shè)備主要包括顯微鏡和一些簡(jiǎn)單的觀測(cè)工具,這些設(shè)備在識(shí)別微小的病蟲(chóng)害跡象和提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面存在顯著的不足。首先,顯微鏡的分辨率有限,難以捕捉到微生物和昆蟲(chóng)等微小生物的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和特征。這導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果缺乏足夠的精確性,使得對(duì)潛在危害的早期發(fā)現(xiàn)成為挑戰(zhàn)。其次,依賴(lài)人工觀察容易受到主觀因素的干擾,不同觀察者可能對(duì)同一樣本有不同的解讀,降低了監(jiān)測(cè)的可信度[1]。同時(shí),人工觀察需要大量時(shí)間和勞動(dòng)力,使得監(jiān)測(cè)過(guò)程變得煩瑣且費(fèi)時(shí),無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模生態(tài)公益林的高效監(jiān)測(cè)需求。這種簡(jiǎn)陋的監(jiān)測(cè)設(shè)備限制了林業(yè)領(lǐng)域?qū)τ跍?zhǔn)確、高效監(jiān)測(cè)的迫切需求。為了解決監(jiān)測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)陋所帶來(lái)的問(wèn)題,亟需引入先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)。光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡以及分子生物學(xué)技術(shù)等先進(jìn)工具能夠提供更高分辨率的圖像,幫助科研人員深入了解病原體和病蟲(chóng)害的微觀結(jié)構(gòu)。此外,圖像處理技術(shù)和人工智能的應(yīng)用,如深度學(xué)習(xí)算法,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)圖像的自動(dòng)分析和識(shí)別,提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和效率[2]。在設(shè)備升級(jí)的同時(shí),追求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)需要考慮傳感器技術(shù)的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)植物狀態(tài)、土壤環(huán)境等多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和分析。這樣的系統(tǒng)不僅能夠提高監(jiān)測(cè)的時(shí)效性,還能大大降低人力成本,使監(jiān)測(cè)過(guò)程更加智能和高效。
傳統(tǒng)花卉林木病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題在于其準(zhǔn)確率常常受到多種因素的影響,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果的可信度較低。首先,氣象條件是一個(gè)重要的影響因素。天氣變化可能影響病蟲(chóng)害的傳播速度和繁殖情況,但傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法無(wú)法充分考慮這些變化。氣象條件的復(fù)雜性使得準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)病蟲(chóng)害的傳播路徑和規(guī)模成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。其次,人為誤差也是導(dǎo)致監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率低的重要原因。人工觀察容易受到觀察者主觀因素的影響,不同的觀察者可能對(duì)相同的病蟲(chóng)害跡象有不同的解讀。這種主觀性導(dǎo)致了監(jiān)測(cè)結(jié)果的不一致性,從而降低了準(zhǔn)確率。此外,人工觀察也受到觀察者的經(jīng)驗(yàn)水平和疲勞程度的影響,進(jìn)一步降低了監(jiān)測(cè)的可信度。要提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率,首先需要采用更為精細(xì)和先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)。高分辨率的成像設(shè)備、遠(yuǎn)程傳感器以及衛(wèi)星技術(shù)能夠提供更全面、全局的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),有助于捕捉病蟲(chóng)害的微小跡象。同時(shí),引入自動(dòng)化技術(shù),如計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法,能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)圖像進(jìn)行智能分析和識(shí)別,減少了人為誤差,提高了監(jiān)測(cè)的精確性。
傳統(tǒng)花卉林木病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)在預(yù)警方面存在嚴(yán)重不足,主要源于監(jiān)測(cè)手段的滯后性和數(shù)據(jù)更新的緩慢性。首先,監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)是導(dǎo)致預(yù)警性差的一個(gè)重要原因。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法往往采用定期巡查和手工采集數(shù)據(jù)的方式,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的周期性較長(zhǎng)。以上監(jiān)測(cè)方式無(wú)法實(shí)時(shí)獲取植物狀況和病蟲(chóng)害傳播的動(dòng)態(tài)信息,因而難以在病蟲(chóng)害爆發(fā)前做出及時(shí)的預(yù)警。其次,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新慢也是導(dǎo)致預(yù)警性差的關(guān)鍵問(wèn)題。由于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的數(shù)據(jù)采集和傳輸速度有限,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的更新速度較慢。在病蟲(chóng)害爆發(fā)的情況下,作為林業(yè)養(yǎng)護(hù)人員只能在監(jiān)測(cè)結(jié)果出來(lái)后才能得知,已經(jīng)錯(cuò)過(guò)了最佳的防治時(shí)機(jī)。導(dǎo)致預(yù)警信息的及時(shí)性受到限制,養(yǎng)護(hù)人員在面臨突發(fā)病蟲(chóng)害時(shí)無(wú)法迅速做出應(yīng)對(duì)決策。要提升監(jiān)測(cè)預(yù)警性,刻不容緩地需要引入創(chuàng)新的監(jiān)測(cè)手段和技術(shù)[3]。
在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)框架下,病蟲(chóng)害的防治主要依賴(lài)于廣泛使用農(nóng)藥,這導(dǎo)致了防治方法的單一性。這種單一性存在多方面的問(wèn)題。首先,長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)農(nóng)藥的過(guò)度依賴(lài)使得害蟲(chóng)逐漸產(chǎn)生抗藥性,降低了農(nóng)藥的有效性。其次,大規(guī)模使用農(nóng)藥不僅帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)成本,也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響,包括土壤污染、水體污染和對(duì)非目標(biāo)生物的危害。為了應(yīng)對(duì)防治方法單一性帶來(lái)的問(wèn)題,需要轉(zhuǎn)向更為綜合和創(chuàng)新的防治策略。首先,生物防治是一個(gè)重要的方向。通過(guò)引入天敵、捕食者或寄生者來(lái)控制害蟲(chóng)的數(shù)量,可以降低對(duì)農(nóng)藥的依賴(lài)性,減緩害蟲(chóng)抗藥性的產(chǎn)生。生物防治方法更加環(huán)保,并有助于保護(hù)林地生態(tài)系統(tǒng)的平衡。其次,采用抗性品種是防治方法的創(chuàng)新途徑之一。通過(guò)育種或基因改良,培育出對(duì)特定病蟲(chóng)害具有抗性的植物品種,減輕了對(duì)農(nóng)藥的需求。
隨著科技的不斷發(fā)展,數(shù)字化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)逐漸成為花卉林木病蟲(chóng)害管理的重要組成部分。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法受到監(jiān)測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)陋、準(zhǔn)確率低、預(yù)警性差等問(wèn)題的制約,而數(shù)字化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的引入為解決這些問(wèn)題提供了創(chuàng)新的途徑。數(shù)字化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)、傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析和人工智能等先進(jìn)技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)植物健康狀況、氣象環(huán)境等多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。數(shù)字化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的引入旨在提高監(jiān)測(cè)的精確性、時(shí)效性和預(yù)測(cè)性,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供更智能、可靠的病蟲(chóng)害信息,為科學(xué)防治提供有力支持。
數(shù)字化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用在花卉林木病蟲(chóng)害管理中具有顯著的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。首先,該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過(guò)在林地中部署傳感器網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物健康、土壤狀態(tài)、氣象條件等多個(gè)方面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。全面監(jiān)測(cè)不僅提高了監(jiān)測(cè)的全局性,還減少了人工巡查的依賴(lài),提高了監(jiān)測(cè)的時(shí)效性。其次,數(shù)字化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)借助大數(shù)據(jù)分析和人工智能,能夠處理大規(guī)模數(shù)據(jù),建立模型對(duì)病蟲(chóng)害傳播趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深度分析,系統(tǒng)能夠提前發(fā)現(xiàn)植物異常情況,實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲(chóng)害的精準(zhǔn)預(yù)警[4]。
2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù)的應(yīng)用
花卉林木病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的核心技術(shù)之一是物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù)的應(yīng)用。通過(guò)在林地內(nèi)部署傳感器網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),包括氣象條件、土壤濕度、溫度等。傳感器能夠捕捉微觀層面的變化,提供高精度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將這些傳感器連接到一個(gè)智能系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸和集中管理。物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使林業(yè)病蟲(chóng)測(cè)報(bào)人員能夠隨時(shí)獲得植物健康狀況的全面信息,為精確的病蟲(chóng)害預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。
2.2.2 大數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)的結(jié)合
核心技術(shù)的第二個(gè)重要方面是大數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)的結(jié)合。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)采集大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),將其輸入大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)中。利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù),系統(tǒng)能夠從龐大的數(shù)據(jù)集中提取有關(guān)植物健康和病蟲(chóng)害傳播的關(guān)鍵信息。同時(shí),人工智能技術(shù)的引入使得系統(tǒng)能夠?qū)W習(xí)和適應(yīng)不同的環(huán)境條件和病蟲(chóng)害類(lèi)型。通過(guò)建立預(yù)測(cè)模型,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)病蟲(chóng)害發(fā)展趨勢(shì)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),提高預(yù)警的及時(shí)性和有效性。這種結(jié)合為監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)提供了更為智能化和高效的數(shù)據(jù)處理能力。
2.3.1 確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)
為有效監(jiān)測(cè)花卉林木病蟲(chóng)害,首先需要確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的范圍。在指定區(qū)域范圍內(nèi),可遴選18 個(gè)具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn),確保能夠全面覆蓋不同的植被類(lèi)型和氣候條件。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)將建立一個(gè)監(jiān)測(cè)站,以確保精準(zhǔn)、綜合地獲取植物健康信息。
在每個(gè)監(jiān)測(cè)站,確定采用85 套監(jiān)測(cè)設(shè)備,包括傳感器、攝像頭、氣象儀器等。具體設(shè)備選型如下:①傳感器類(lèi)型,包括溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器、氣象傳感器等。②攝像頭類(lèi)型,具備高清晰度和夜視功能,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)植物表面情況。③氣象儀器,包括氣溫計(jì)、濕度計(jì)、風(fēng)速儀等,以全面了解環(huán)境條件。④設(shè)備性能及配置方面,傳感器應(yīng)具備高靈敏度和高分辨率,攝像頭要支持遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。氣象儀器應(yīng)當(dāng)有多種測(cè)量指標(biāo),適應(yīng)不同氣候條件。
在設(shè)備的技術(shù)參數(shù)方面,選擇一系列先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備。例如,溫濕度傳感器的測(cè)量范圍為-40~+85°C,濕度測(cè)量范圍為0%~100%,分辨率分別達(dá)到0.1°C 和1%RH。攝像頭的分辨率為1080p,支持紅外夜視,能夠捕捉清晰的圖像,有利于病蟲(chóng)害跡象的識(shí)別。針對(duì)這些監(jiān)測(cè)設(shè)備,還可建立數(shù)字化監(jiān)測(cè)平臺(tái),以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理和分析。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù),系統(tǒng)能夠從海量數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵信息,建立病蟲(chóng)害傳播的預(yù)測(cè)模型。系統(tǒng)的性能參數(shù)如下:①處理每日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),保證實(shí)時(shí)性,最快響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)10min。②針對(duì)病蟲(chóng)害的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上。③測(cè)報(bào)人員可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),保證管理的靈活性。
2.3.2 病蟲(chóng)害測(cè)報(bào)
監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的病蟲(chóng)害測(cè)報(bào)措施中,首先需要考慮設(shè)備的工作環(huán)境參數(shù)。在這個(gè)系統(tǒng)中,工作環(huán)境的溫度范圍被設(shè)定在0~70℃,相對(duì)濕度范圍為0%~95%。廣泛的工作環(huán)境適應(yīng)性確保了監(jiān)測(cè)設(shè)備在不同季節(jié)和地域的正常運(yùn)行。此外,燈管是病蟲(chóng)害測(cè)報(bào)中重要的元素,其啟動(dòng)時(shí)間被限制在≤5s 內(nèi),主波長(zhǎng)為365nm。這樣的設(shè)計(jì)使得監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠快速啟動(dòng)并提供足夠的光照,以支持對(duì)花卉林木表面的高效掃描。主波長(zhǎng)的選擇符合昆蟲(chóng)對(duì)紫外線(xiàn)的敏感性,有助于提高蟲(chóng)體的識(shí)別準(zhǔn)確性[5]。
在病蟲(chóng)害測(cè)報(bào)方面,攝像頭的性能也至關(guān)重要。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用的攝像頭具有500 萬(wàn)像素,這個(gè)高像素?cái)?shù)確保了圖像的清晰度。每個(gè)蟲(chóng)體都能夠被清晰分辨,有助于對(duì)不同種類(lèi)的病蟲(chóng)害進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別和計(jì)數(shù)。
2.3.3 重大病蟲(chóng)害智能監(jiān)測(cè)
在系統(tǒng)的重大病蟲(chóng)害智能監(jiān)測(cè)中,載玻片是關(guān)鍵的元素。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了每次可以添加365 片載玻片,而且每片載玻片的最長(zhǎng)使用壽命為365d,每天進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)。意味著系統(tǒng)具備了高效的監(jiān)測(cè)頻率,每天都能獲取一次關(guān)鍵數(shù)據(jù),對(duì)于動(dòng)態(tài)追蹤病蟲(chóng)害的發(fā)展趨勢(shì)具有積極意義。同時(shí),載玻片規(guī)格為76.2mm×25.4mm×1.2mm,適用于多種植物病蟲(chóng)害的觀察。
電源電壓方面,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮到了實(shí)際使用環(huán)境,要求在交流220V±5%的電壓范圍內(nèi)工作。這樣的電源電壓要求確保了系統(tǒng)能夠在不同地區(qū)和環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行,為智能監(jiān)測(cè)提供了可靠的電力支持。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還考慮了環(huán)境因素對(duì)監(jiān)測(cè)的影響。集氣口風(fēng)速被設(shè)定在0.3~5.0m/s,確保了在不同風(fēng)速條件下能夠有效地采集樣本。本設(shè)計(jì)方案使得系統(tǒng)更加靈活,適應(yīng)不同氣象條件下的病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)需求。在圖片采集方式方面,系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)手動(dòng)控制采集。以上方式使測(cè)報(bào)人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)設(shè)備,手動(dòng)選擇采集圖片的時(shí)機(jī)。智能化監(jiān)測(cè)方式不僅方便了使用者,還能夠更靈活地應(yīng)對(duì)病蟲(chóng)害爆發(fā)的情況,提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性。
2.3.4 小氣候自動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警
首先,系統(tǒng)的溫度測(cè)量范圍廣泛,可以測(cè)量空氣溫度在-30~70℃,適應(yīng)了多種氣候條件下的監(jiān)測(cè)需求。這種廣泛的溫度測(cè)量能力有助于系統(tǒng)更全面地了解植物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度波動(dòng),及時(shí)察覺(jué)可能影響植物健康的極端溫度事件。其次,光照強(qiáng)度的測(cè)量范圍為0~200Klux,系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地感知光照條件的變化。植物對(duì)光照的需求在生長(zhǎng)周期中變化較大,因此對(duì)光照的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)有助于判斷植物的生長(zhǎng)狀態(tài),為合理調(diào)整生長(zhǎng)環(huán)境提供數(shù)據(jù)支持??諝鉂穸确秶鸀?%~100%,風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、蒸發(fā)量等多個(gè)氣象參數(shù)的測(cè)量使得系統(tǒng)具備全面的氣象監(jiān)測(cè)能力。這有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對(duì)小氣候的變化,提前預(yù)警可能導(dǎo)致植物病蟲(chóng)害的惡劣氣象條件。最后,土壤濕度的測(cè)量范圍同樣為0%~100%,為系統(tǒng)提供了對(duì)植物根系生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。植物對(duì)土壤濕度的敏感性較高,因此及時(shí)了解土壤濕度狀況對(duì)于預(yù)防土壤相關(guān)的病蟲(chóng)害具有重要作用。
本系統(tǒng)在病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì),不僅提供了高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),還通過(guò)智能分析實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物健康狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。為花卉林木防治提供了全面、及時(shí)的病蟲(chóng)害信息,有效預(yù)防了潛在威脅的發(fā)生。因此,本研究為相關(guān)從業(yè)者提供了科學(xué)參考與實(shí)際工程應(yīng)用指導(dǎo),推動(dòng)了花卉林木病蟲(chóng)害管理領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。