黄向东，颜学武，张敏，曾志，赵正萍，邬颖

(1.湖南省林业局林业有害生物防治检疫站，湖南 长沙 410004； 2.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004)

因天然林数量和质量不断下降、人工林面积连年增加、国际国内物流日渐频繁、化学农药长期使用、全球气候异常等原因，导致我国林业有害生物重发高发频发，所造成的经济、社会和生态损失愈发严重[1]。《中国统计年鉴2021》显示，2006年以来，我国林业有害生物年均发生面积1 000万hm2以上，且呈逐年递增态势[2]，对“山水林田湖草沙”生命共同体和美丽中国建设等构成严重威胁。传统的技术手段已无法满足新形势下林业有害生物防控工作的管理需求，基于GIS、大数据、物联网、人工智能等先进技术，建立林业有害生物信息化管理系统，实现林业有害生物实时精准的监测预报、发生趋势的模拟预测、科学有效的防治指导、灾害损失的评估计算及相关信息的有效发布，对提升林业有害生物防控管理工作具有重大意义。

20世纪70年代末，美国学者率先将计算机、GPS等信息化技术应用于有害生物管理，开拓了林业有害生物信息化管理的新途径。美国、加拿大等国家建立了以遥感技术为主体的森林健康监测体系，利用航空和地面样地调查相结合，采集和处理森林现状监测、评估监测、宏观生态系统监测等3类数据，监测内容涵盖森林健康变化、生态系统组成等。通过对以上数据的处理，形成年度分析报告，并将结果导入森林病虫害预警系统，用于指导病虫害的监测与防治。此外，美国等国家广泛应用分虫种森林病虫害辅助决策支持系统，实现了数据管理、分析的科学化和自动化[3]。我国在这方面研究起步较晚，主要开始于20世纪90年代初。经过几十年的探索、研究和发展，我国初步构建了“互联网+”林业有害生物信息化管理系统，基本实现了数据采集上传、智能监测预警、大数据分析、有害生物防治辅助等功能[4-7]，相关技术已处于国际领先水平。

1 我国林业有害生物信息化管理系统发展历程

1.1 探索研究阶段

20世纪90年代初，我国学者开始从理论方面研究“基于GIS构建林业有害生物管理系统”的可行性。在国家“九五”攻关课题资助下，杨存建 等[8]研究了RS(遥感)技术、GIS技术在林业有害生物信息管理中的应用模式以及整个系统的集成。国家林业局(现国家林业和草原局，下同)逐步完善了全国林业有害生物管理信息系统，并实现了林业有害生物信息的计算机录入、存贮、管理、统计汇总和网络上报[9]。同时，多位学者就马尾松毛虫Dendrolimuspunctata[10-12]、杨树天牛[13-15]、松材线虫Bursaphelenchusxylophilus[16]、植物检疫[17-22]等重要林业有害生物防治检疫工作建立了信息管理系统。这一阶段建立的林业有害生物信息管理系统，为今后技术的发展和进步打下了良好基础。但受限于当时技术发展水平，此阶段研发的系统在信息的实时共享、功能丰富度、应用范围等方面仍存在一些不足和问题。

1.2 稳步发展阶段

进入21世纪，林业有害生物信息管理系统的研究也开始从以往的单机版向多用户、联网版过渡，进入稳步发展阶段。根据全国林业有害生物预测预报工作的实际需求，国家林业局森林病虫害防治总站(现国家林业和草原局生物灾害防控中心，下同)开发研制了森林病虫害监测预报软件，系统提供45种内置计算分析方法进行病虫害预测预报，为基层测报人员提供了优良的监测预报工具[23]。同时，湖南、福建、甘肃、吉林等10余省份[24-34]利用RS技术获取森林资源信息、植被指数专题信息和灾情专题信息，利用GPS采集地面数据、定位及实施灾害治理，利用GIS实现松材线虫病预测、灾害评估、扩散模拟、防治决策制定等“3S”技术被大量应用其中，极大地推动了信息技术的进步。

1.3 快速发展阶段

近10年来，随着移动互联网、物联网、北斗导航、人工智能、大数据等新技术的不断发展，林业有害生物信息管理系统的研究进入快速发展阶段。从软件方面来看，“移动应用(APP)+管理后台”的方式逐渐成为林业有害生物信息管理系统研发的主流方向。国家林业局森林病虫害防治总站研发了以“国家、省、市、县”为主的4级信息管理平台，为全国林业有害生物信息化管理奠定了坚实基础[4]。湖南、云南、江西等10多个省份建立了以“数据采集、天空地可视化监测、智能预警、时空大数据分析、人工智能辅助管理”等功能为一体的新一代林业有害生物信息管理系统，有效推进了高新信息技术在林业有害生物管理方面的应用。从硬件方面来看，自动虫情测报灯、远程无线高清摄像头、自动气象站、无人机、高性能图像处理平台、北斗手持终端、大数据服务器等先进设施设备在林业有害生物智能监测和管理中广泛应用，已呈现出逐步替代部分基层测报和防治员承担具体工作的趋势，我国林业有害生物管理能力和效率得到极大提升[5-6,35]。

2 湖南省林业有害生物信息化管理系统开发与应用

当前，我国林业有害生物信息化管理主要是通过对林业有害生物的实时监测预警，实现快速定点、定位和定量检疫与防治，达到精准治理、可持续控制和生态调控，对提升监测预警、检疫及防治管理的工作效率和精准性发挥了重要作用。湖南省林业有害生物信息化管理的目标是精准、实时、高效，努力向标准化、多维化、集成化、智能化和应用社会化方向发展。综合多门学科、多种技术方法和多项数据源，搭建了一个基于GIS的林业有害生物信息化管理平台(图1)。该平台集林业有害生物信息获取、信息处理与分析应用于一体，具有监测预报、防治管理、检疫管理、应急管理、项目管理、人财物管理、松材线虫病管理、数据维护、任务管理、用户管理、历史视频管理、设备管理和有害生物信息上报等众多功能，极大提高了全省林业有害生物数据采集与应用能力，实现了对资源配置的集中和远程操作，对提高林业有害生物监测与防治管理水平意义重大。

图1 湖南省林业有害生物信息化管理平台开发技术路线Fig.1 Development technology route of information management platform of forestry pest in Hunan province

2.1 监测预警信息化

林业有害生物监测预警信息化技术是实现科学、有效防控林业有害生物的基础。通过遥感、物联网、人工智能、大数据等先进信息化技术手段实时、精准监测林业有害生物时空发生动态，利用通用的方法模型对林业有害生物进行预警分析及专题地图发布，建立林业有害生物监测预警体系是林业有害生物信息化管理系统的重中之重。当前研究的主流方法主要是借助遥感、地面监测及其它手段采集基础数据(包括环境、气象等数据)，结合林业有害生物的区域性生物学特性，进行同化反演、GIS分析建模等，建立林业有害生物测报变量的时空基线模型，并构建时空连续化表达的地理空间数据库。然后根据林业有害生物发生发展的机理，通过基变量与模型库管理手段，动态合成有生态学意义的预警变量，构建单变量及综合变量影响下的林业有害生物监测预警模型，并进行实时发布。

湖南省利用GPS、GIS、通信和计算机网络等相关技术进行地面和空中监测数据的采集、传输，在林业有害生物信息化管理平台中按地区、有害生物种类、年度生成各种样式的统计图表，分析有害生物灾害情况，帮助管理者掌控全省常见有害生物的发生现状和发展趋势，为林业有害生物防治提供辅助决策信息服务。

在数据的采集、传输方面，湖南省林业有害生物信息化管理平台主要包括监测预警软件及物联网监测设备两部分。前者又可分为移动虫情监测APP软件、监测预警管理计算机端软件等部分。其中，移动虫情监测APP软件主要作用是实现天空地一体化监测数据的采集、查看、预处理及上报等功能；监测预警管理计算机端软件主要支撑、优化模型算法，实现监测预警数据的分析、处理及应用等功能。林业有害生物监测预警软件一般包括基本管理和应用服务两部分功能模块，其中基本管理模块主要包括文件管理、要素查询、图层编辑、制图工具、地图渲染、数据统计、用户管理和帮助说明等内容；应用服务模块主要包括监测预报、监测设备管理、遥感判图、标准地管理、模型维护与管理、数据分析处理与可视化展示、预警信息发布等内容。物联网监测设备则主要用于前端虫情、环境及气象等因子的数据采集和监测，主要包括虫情测报灯、高清摄像头、诱捕器、手持测报终端、无人机、综合气象站等。其中，固定标准地一般利用自动虫情测报灯和诱捕器诱集靶标主要林业有害生物，经拍照、识别、计数后，通过网络链路上传至林业有害生物监测预警平台；手持测报终端主要用于林业有害生物人工地面调查和踏查数据上报；无人机主要用于林业有害生物航空监测和普查；综合气象站主要用于温度、湿度、降雨量等影响林业有害生物生活史的环境因子的采集和数据拟合。

在数据的分析、展示方面，湖南省林业有害生物信息化管理平台研发了林业有害生物可视化数据分析处理技术，将收集到的林业有害生物数据通过系统内各种分析模型(如：林业有害生物成灾判定模型、时空分布模型、预测模型等)分析处理后，以热力图、统计图等图表形式进行展示，用户仅需输入林业有害生物发生的基本信息即可自动获取林业有害生物危害程度、分布特点、潜在发生区域等全套图表信息，便于用户随时掌握林业有害生物的发生现状和发展趋势。

湖南省林业有害生物信息化管理平台现有注册用户3 354个，设置杀虫灯、自动虫情测报灯279台，覆盖全省各县市区。该系统正式推广应用后，通过人工监测调查及物联网监测设备自动上传，共上报虫害发生数据8 887条、病害发生数据1 099条、有害植物发生数据6条；共上报受灾乡镇45个，调查面积2 157.10 hm2，受灾面积15.77 hm2。系统中登记固定标准样地153个，主要监测对象为马尾松毛虫、松褐天牛Monochamusalternatus、松梢螟Dioryctriasplendidella、油茶尺蛾Bistonmarginata、思茅松毛虫Dendrolimuskikuchii等，上报虫害、病害、有害植物发生数据共计290条。在松材线虫病监测方面，共记录诱捕器7 668台，共诱集松褐天牛成虫91 466头，其中雌虫59 644头、雄虫31 822头。利用林业北斗手持终端及物联网监测设备，实现了数据的实时采集、分析处理；运用林业有害生物可视化数据分析处理技术，采用图表展示各类信息，基层一线人员、管理人员操作起来较为简便，对有害生物发生情况了解较为全面。湖南省林业有害生物信息化管理平台在全省全面推广应用，有效提升了湖南省林业有害生物监测预警的能力和水平。

2.2 防治信息化

林业有害生物防治信息化技术是实现林业有害生物综合治理和生态调控的关键。在掌握林业有害生物监测预警信息基础上，利用信息化技术对松材线虫、美国白蛾Hyphantriacunea等重大林业有害生物防治区域规划、预案和方案制定、效果推演及成效评估，具有重要的现实意义。

湖南省林业有害生物防治信息化体系主要包括防治管理软件及物联网防控设备两部分。其中：林业有害生物防治管理软件主要利用GIS工具开展防治区划、制定防控预案和防治方案、发布防治任务、调度人财物、推演防治效果及评估防治成效等，有助于实现林业有害生物防治的全过程调度和实时监管；物联网防治设备主要包括飞防监管设备、防治无人机、烟雾机、粉碎机等地面联网防治设备，这些设备大多通过改装、加装摄像装置、流量监控装置、计时装置、定位模块、通信模块等实现效率计算、面积测算和信息传输功能，有效解决了林业有害生物防治难定量远程监管的问题。同时，设备传输回的数据实时传输至林业有害生物防治管理平台进行分析、统计和处理，为调整防治方案、检查漏防区域、审计结算等工作提供了有效数据支撑。

2018年湖南省林业有害生物信息化管理平台投入使用至今，共上报林业有害生物防治记录1 271条，其中虫害防治记录1 112条、病害防治记录155条、有害植物4条。系统中可分区域、分有害生物种类、分防治时间对病虫害的发生面积、防治面积及挽回受灾面积进行动态统计；防治记录主要包括上报时间、区域、防治费用、有害生物类型、有害生物种类、发生面积、防治面积、防治时间、防治效果、挽回受灾害面积、防治人、上报人、防治照片、以及详细防治方案，如防治措施一级、防治措施二级、防治药剂、用药量等，实现了精准显示区域内以乡镇为单位的防治记录，供各级领导了解以往防治效果，为今后防治工作提供参考。

2.3 检疫信息化

林业有害生物检疫信息化技术是确保引种和调运植物、植物产品安全，防止检疫性有害生物传播蔓延的重要保障，更是巩固重大林业有害生物防治成效的必由之路。国家林业局森林病虫害防治总站主持研制了一套非常成熟的林业有害生物检疫管理信息系统，主要包括检疫办证、引种审批、法规文件、检疫员管理、证书管理、基础数据等主要功能模块，构建了全国林业有害生物检疫信息化管理平台。在此基础上，针对林业有害生物检疫管理工作的个性化需求，全国多个省(自治区、直辖市)研制了本地林业有害生物检疫信息化系统，在引种试验设计、全程可视化监管、数据分析统计等方面开展了卓有成效的探索和实践。

湖南省林业有害生物信息化管理平台中登记了80个森林植物检疫检查站和专职、兼职检验检疫技术员2 000余名，实现了森林植物检疫检查站全覆盖，便于省级林业主管部门统一管理。

3 林业有害生物信息化管理系统研究中存在的突出问题

林业有害生物防治工作专业性强、涉及面广、任务繁重，开展林业有害生物信息化管理系统研究有助于全面提升防治工作效率和管理水平。但受限于信息技术发展瓶颈，我国林业有害生物信息化管理系统研究还存在一些薄弱环节和突出问题，研究开发工作任重道远。

1)基础数据研究应用有待加强。我国南北方林业有害生物物种千差万别，目前尚无全国林业有害生物物种智能识别数据库，无法解决基层林业有害生物防治工作人员“不识寄主植物、不识病虫害”的基础性问题。

2)监测预警模型研建较为粗犷。林业有害生物数据与地理信息、气象信息等基础环境数据的融合程度不高，容易导致无法对林业有害生物发生发展趋势科学研判；通用监测预警模型算法结果不能真实反映因地理差异、异常气象变化、小气候环境等导致的林业有害生物生活史和发生规律的变化。

3)先进信息技术融合应用研究亟需深化。卫星遥感、人工智能、5G通信等先进信息技术与林业有害生物信息化管理系统的应用研究仍处于起步阶段，无法满足林业有害生物广域、精准、实时监测的需求。

4)物联网装备研制较为薄弱。林业有害生物监测预警和防治物联网装备研发基础较差、品种不丰富、质量参差不齐、整体性能有待提升。

4 林业有害生物信息化管理系统研究展望

林业有害生物信息化管理系统研究是一项理论与实践兼具、软件与硬件并进的跨学科系统性研究工作。从业研究人员不仅需要掌握林业有害生物的专业知识，同时需具备计算机软件开发和硬件研制等技能，在一定程度上制约了其技术的发展速度。从当前森林资源保护行业需求和高新信息技术发展趋势来看，我国林业有害生物信息化管理系统研究具有广阔的发展空间。

4.1 在理念创新上拓思路

林业有害生物信息化管理系统研究不应局限于传统固有理念，应遵循“预防为主，科学治理，依法监管，强化责任”的防治工作方针，不断突破，大胆创新。特别是在林业有害生物监测预警和防治物联网装备研制上，应从理念创新上拓思路，学习借鉴农业、海关、消防等其它行业经验，改变基础薄弱的现状，推动行业软硬件研发水平并驾齐驱，同步发展。

4.2 在先进高效上闯天地

林业有害生物信息化管理系统研究应结合当前信息技术发展前沿，研发先进高效的监测预警、检疫管理和防治管理系统。加快遥感、5G、物联网、北斗导航、人工智能、大数据等技术在林业有害生物信息化管理系统的融合应用研究，全面提升林业有害生物监测预警、检疫和防治信息化技术水平。

4.3 在易用实用上下功夫

林业有害生物信息化管理系统的用户主要是各级地方政府及林业主管部门和基层森防人员、林农。系统的研究应按照易用、实用的原则，尽量简化其操作和填报流程，最大限度发挥其应有作用。如在提升林业主管部门工作效率问题上，可充分利用大数据、可视化等技术，解决实时可视化监管、报表报告自动生成等问题。在解决基层林业有害生物工作人员“不识寄主植物、不识病虫害”的基础性问题上，可利用人工智能技术、图像比对技术等，用“一键式”“一照式”智能判读寄主植物、林业有害生物种类、数量和发生程度等，智能推送可采取的防治方法，努力提高林业有害生物防治工作效率和质量，为维护国家生态安全、生物安全和经济社会发展服务。