花卉林木病蟲害的監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)研究

莊亮

（上海市閔行區(qū)林業(yè)站，上海 201199）

0 引言

花卉林木病蟲害對林業(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)測技術(shù)成為改善病蟲害管理的有力工具。以下內(nèi)容將深入研究花卉林木病蟲害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，以先進(jìn)的小氣候自動監(jiān)測技術(shù)為例，通過全方位、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和智能分析，旨在提高對植物健康狀況的監(jiān)測精度，實現(xiàn)對潛在威脅的早期識別。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)。

1 傳統(tǒng)花卉林木病蟲害的監(jiān)測弊端

1.1 監(jiān)測設(shè)備簡陋

傳統(tǒng)花卉林木病蟲害監(jiān)測所使用的設(shè)備主要包括顯微鏡和一些簡單的觀測工具，這些設(shè)備在識別微小的病蟲害跡象和提供實時監(jiān)測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等微小生物的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和特征。這導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果缺乏足夠的精確性，使得對潛在危害的早期發(fā)現(xiàn)成為挑戰(zhàn)。其次，依賴人工觀察容易受到主觀因素的干擾，不同觀察者可能對同一樣本有不同的解讀，降低了監(jiān)測的可信度[1]。同時，人工觀察需要大量時間和勞動力，使得監(jiān)測過程變得煩瑣且費時，無法滿足大規(guī)模生態(tài)公益林的高效監(jiān)測需求。這種簡陋的監(jiān)測設(shè)備限制了林業(yè)領(lǐng)域?qū)τ跍?zhǔn)確、高效監(jiān)測的迫切需求。為了解決監(jiān)測設(shè)備簡陋所帶來的問題，亟需引入先進(jìn)的監(jiān)測技術(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)對監(jiān)測圖像的自動分析和識別，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和效率[2]。在設(shè)備升級的同時，追求實時監(jiān)測的目標(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)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對植物狀態(tài)、土壤環(huán)境等多個參數(shù)的實時采集和分析。這樣的系統(tǒng)不僅能夠提高監(jiān)測的時效性，還能大大降低人力成本，使監(jiān)測過程更加智能和高效。

1.2 監(jiān)測準(zhǔn)確率低

傳統(tǒng)花卉林木病蟲害監(jiān)測的一個關(guān)鍵問題在于其準(zhǔn)確率常常受到多種因素的影響，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果的可信度較低。首先，氣象條件是一個重要的影響因素。天氣變化可能影響病蟲害的傳播速度和繁殖情況，但傳統(tǒng)監(jiān)測方法無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)測和監(jiān)測病蟲害的傳播路徑和規(guī)模成為一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。其次，人為誤差也是導(dǎo)致監(jiān)測準(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相同的病蟲害跡象有不同的解讀。這種主觀性導(dǎo)致了監(jiān)測結(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)驗水平和疲勞程度的影響，進(jìn)一步降低了監(jiān)測的可信度。要提高監(jiān)測準(zhǔn)確率，首先需要采用更為精細(xì)和先進(jìn)的監(jiān)測技術(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)測數(shù)據(jù)，有助于捕捉病蟲害的微小跡象。同時，引入自動化技術(shù)，如計算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能夠?qū)ΡO(jiān)測圖像進(jìn)行智能分析和識別，減少了人為誤差，提高了監(jiān)測的精確性。

1.3 監(jiān)測預(yù)警性差

傳統(tǒng)花卉林木病蟲害監(jiān)測在預(yù)警方面存在嚴(yán)重不足，主要源于監(jiān)測手段的滯后性和數(shù)據(jù)更新的緩慢性。首先，監(jiān)測周期較長是導(dǎo)致預(yù)警性差的一個重要原因。傳統(tǒng)監(jiān)測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)測的周期性較長。以上監(jiān)測方式無法實時獲取植物狀況和病蟲害傳播的動態(tài)信息，因而難以在病蟲害爆發(fā)前做出及時的預(yù)警。其次，監(jiān)測數(shù)據(jù)更新慢也是導(dǎo)致預(yù)警性差的關(guān)鍵問題。由于傳統(tǒng)監(jiān)測手段的數(shù)據(jù)采集和傳輸速度有限，監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新速度較慢。在病蟲害爆發(fā)的情況下，作為林業(yè)養(yǎng)護(hù)人員只能在監(jiān)測結(jié)果出來后才能得知，已經(jīng)錯過了最佳的防治時機(jī)。導(dǎo)致預(yù)警信息的及時性受到限制，養(yǎng)護(hù)人員在面臨突發(fā)病蟲害時無法迅速做出應(yīng)對決策。要提升監(jiān)測預(yù)警性，刻不容緩地需要引入創(chuàng)新的監(jiān)測手段和技術(shù)[3]。

1.4 防治方法單一

在傳統(tǒng)監(jiān)測框架下，病蟲害的防治主要依賴于廣泛使用農(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題。首先，長期以來對農(nóng)藥的過度依賴使得害蟲逐漸產(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)藥不僅帶來顯著的經(jīng)濟(jì)成本，也對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，包括土壤污染、水體污染和對非目標(biāo)生物的危害。為了應(yīng)對防治方法單一性帶來的問題，需要轉(zhuǎn)向更為綜合和創(chuàng)新的防治策略。首先，生物防治是一個重要的方向。通過引入天敵、捕食者或寄生者來控制害蟲的數(shù)量，可以降低對農(nóng)藥的依賴性，減緩害蟲抗藥性的產(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。通過育種或基因改良，培育出對特定病蟲害具有抗性的植物品種，減輕了對農(nóng)藥的需求。

2 花卉林木病蟲害的監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 數(shù)字化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)引入

隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)字化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)逐漸成為花卉林木病蟲害管理的重要組成部分。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法受到監(jiān)測設(shè)備簡陋、準(zhǔn)確率低、預(yù)警性差等問題的制約，而數(shù)字化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的引入為解決這些問題提供了創(chuàng)新的途徑。數(shù)字化監(jiān)測預(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)對植物健康狀況、氣象環(huán)境等多個參數(shù)的實時監(jiān)測和分析。數(shù)字化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的引入旨在提高監(jiān)測的精確性、時效性和預(yù)測性，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供更智能、可靠的病蟲害信息，為科學(xué)防治提供有力支持。

數(shù)字化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用在花卉林木病蟲害管理中具有顯著的特點與優(yōu)勢。首先，該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過在林地中部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對植物健康、土壤狀態(tài)、氣象條件等多個方面的實時監(jiān)測。全面監(jiān)測不僅提高了監(jiān)測的全局性，還減少了人工巡查的依賴，提高了監(jiān)測的時效性。其次，數(shù)字化監(jiān)測預(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)，建立模型對病蟲害傳播趨勢進(jìn)行預(yù)測。通過對歷史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(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，實現(xiàn)對病蟲害的精準(zhǔn)預(yù)警[4]。

2.2 花卉林木病蟲害的監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)核心技術(shù)

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù)的應(yīng)用

花卉林木病蟲害的監(jiān)測與預(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。通過在林地內(nèi)部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測，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)測數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將這些傳感器連接到一個智能系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時傳輸和集中管理。物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù)的實時監(jiān)測系統(tǒng)使林業(yè)病蟲測報人員能夠隨時獲得植物健康狀況的全面信息，為精確的病蟲害預(yù)測提供數(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)測系統(tǒng)通過采集大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將其輸入大數(shù)據(jù)分析平臺中。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)植物健康和病蟲害傳播的關(guān)鍵信息。同時，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)境條件和病蟲害類型。通過建立預(yù)測模型，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對病蟲害發(fā)展趨勢的準(zhǔn)確預(yù)測，提高預(yù)警的及時性和有效性。這種結(jié)合為監(jiān)測與預(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 花卉林木病蟲害的監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用措施

2.3.1 確定監(jiān)測點

為有效監(jiān)測花卉林木病蟲害，首先需要確定監(jiān)測點的范圍。在指定區(qū)域范圍內(nèi)，可遴選18 個具有代表性的監(jiān)測點，確保能夠全面覆蓋不同的植被類型和氣候條件。每個監(jiān)測點將建立一個監(jiān)測站，以確保精準(zhǔn)、綜合地獲取植物健康信息。

在每個監(jiān)測站，確定采用85 套監(jiān)測設(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攝像頭類型，具備高清晰度和夜視功能，能夠?qū)崟r監(jiān)測植物表面情況。③氣象儀器，包括氣溫計、濕度計、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)程控制和實時數(shù)據(jù)傳輸。氣象儀器應(yīng)當(dāng)有多種測量指標(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)測設(shè)備。例如，溫濕度傳感器的測量范圍為-40～+85°C，濕度測量范圍為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，有利于病蟲害跡象的識別。針對這些監(jiān)測設(shè)備，還可建立數(shù)字化監(jiān)測平臺，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理和分析。通過大數(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，建立病蟲害傳播的預(yù)測模型。系統(tǒng)的性能參數(shù)如下：①處理每日監(jiān)測數(shù)據(jù)，保證實時性，最快響應(yīng)時間不超過10min。②針對病蟲害的預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上。③測報人員可以通過移動設(shè)備隨時隨地訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)，保證管理的靈活性。

2.3.2 病蟲害測報

監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的病蟲害測報措施中，首先需要考慮設(shè)備的工作環(huán)境參數(shù)。在這個系統(tǒng)中，工作環(huán)境的溫度范圍被設(shè)定在0～70℃，相對濕度范圍為0%～95%。廣泛的工作環(huán)境適應(yīng)性確保了監(jiān)測設(shè)備在不同季節(jié)和地域的正常運行。此外，燈管是病蟲害測報中重要的元素，其啟動時間被限制在≤5s 內(nèi)，主波長為365nm。這樣的設(shè)計使得監(jiān)測設(shè)備能夠快速啟動并提供足夠的光照，以支持對花卉林木表面的高效掃描。主波長的選擇符合昆蟲對紫外線的敏感性，有助于提高蟲體的識別準(zhǔn)確性[5]。

在病蟲害測報方面，攝像頭的性能也至關(guān)重要。監(jiān)測系統(tǒng)中使用的攝像頭具有500 萬像素，這個高像素數(shù)確保了圖像的清晰度。每個蟲體都能夠被清晰分辨，有助于對不同種類的病蟲害進(jìn)行準(zhǔn)確的識別和計數(shù)。

2.3.3 重大病蟲害智能監(jiān)測

在系統(tǒng)的重大病蟲害智能監(jiān)測中，載玻片是關(guān)鍵的元素。監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計了每次可以添加365 片載玻片，而且每片載玻片的最長使用壽命為365d，每天進(jìn)行一次監(jiān)測。意味著系統(tǒng)具備了高效的監(jiān)測頻率，每天都能獲取一次關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對于動態(tài)追蹤病蟲害的發(fā)展趨勢具有積極意義。同時，載玻片規(guī)格為76.2mm×25.4mm×1.2mm，適用于多種植物病蟲害的觀察。

電源電壓方面，系統(tǒng)的設(shè)計考慮到了實際使用環(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)定運行，為智能監(jiān)測提供了可靠的電力支持。系統(tǒng)的設(shè)計還考慮了環(huán)境因素對監(jiān)測的影響。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)計方案使得系統(tǒng)更加靈活，適應(yīng)不同氣象條件下的病蟲害監(jiān)測需求。在圖片采集方式方面，系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)平臺手動控制采集。以上方式使測報人員可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制監(jiān)測設(shè)備，手動選擇采集圖片的時機(jī)。智能化監(jiān)測方式不僅方便了使用者，還能夠更靈活地應(yīng)對病蟲害爆發(fā)的情況，提高監(jiān)測系統(tǒng)的實用性。

2.3.4 小氣候自動監(jiān)測與預(yù)警

首先，系統(tǒng)的溫度測量范圍廣泛，可以測量空氣溫度在-30～70℃，適應(yīng)了多種氣候條件下的監(jiān)測需求。這種廣泛的溫度測量能力有助于系統(tǒng)更全面地了解植物生長環(huán)境中的溫度波動，及時察覺可能影響植物健康的極端溫度事件。其次，光照強(qiáng)度的測量范圍為0～200Klux，系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地感知光照條件的變化。植物對光照的需求在生長周期中變化較大，因此對光照的準(zhǔn)確監(jiān)測有助于判斷植物的生長狀態(tài)，為合理調(diào)整生長環(huán)境提供數(shù)據(jù)支持。空氣濕度范圍為0%～100%，風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、蒸發(fā)量等多個氣象參數(shù)的測量使得系統(tǒng)具備全面的氣象監(jiān)測能力。這有助于及時發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對小氣候的變化，提前預(yù)警可能導(dǎo)致植物病蟲害的惡劣氣象條件。最后，土壤濕度的測量范圍同樣為0%～100%，為系統(tǒng)提供了對植物根系生長環(huán)境的監(jiān)測。植物對土壤濕度的敏感性較高，因此及時了解土壤濕度狀況對于預(yù)防土壤相關(guān)的病蟲害具有重要作用。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)在病蟲害監(jiān)測方面具有顯著的優(yōu)勢，不僅提供了高精度的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，還通過智能分析實現(xiàn)了對植物健康狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。為花卉林木防治提供了全面、及時的病蟲害信息，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)參考與實際工程應(yīng)用指導(dǎo)，推動了花卉林木病蟲害管理領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。