◎ 黃文江 董瑩瑩

前不久，中國(guó)科學(xué)院空天信息研究院黃文江研究員及其團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次發(fā)布了全球小麥病蟲(chóng)害遙感監(jiān)測(cè)預(yù)警報(bào)告。事實(shí)上，自2015年以來(lái)，黃文江研究團(tuán)隊(duì)一直持續(xù)對(duì)外發(fā)布全國(guó)和糧食主產(chǎn)省的病蟲(chóng)害遙 感監(jiān)測(cè)預(yù)警報(bào)告，在作物病蟲(chóng)害防治領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。那么，他們是如何做到這一點(diǎn)的？

對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)提供有效手段

糧食安全是國(guó)際社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，也是關(guān)系中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)家自立的全局性重大戰(zhàn)略問(wèn)題。在全球氣候變化的大背景下，作物病蟲(chóng)害的發(fā)生范圍和流行程度有擴(kuò)大和增強(qiáng)趨勢(shì)。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織估計(jì)，全球每年由病蟲(chóng)害導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)約占總產(chǎn)量的1/4，其中病害導(dǎo)致的損失約占14%，蟲(chóng)害導(dǎo)致的損失約占10%。中國(guó)每年因作物病蟲(chóng)害導(dǎo)致的糧食損失約400億公斤，占糧食總產(chǎn)量的8.8%。病蟲(chóng)害已成為威脅糧食安全、制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一?！笆濉逼陂g要求化肥農(nóng)藥施用量零增長(zhǎng)，這為如何大面積、快速實(shí)現(xiàn)作物病蟲(chóng)害發(fā)生程度和發(fā)生面積的監(jiān)測(cè)預(yù)警提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的病蟲(chóng)害目測(cè)手查單點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法和有限站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法只能獲取“點(diǎn)”上的病蟲(chóng)害發(fā)生信息，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足“面”上對(duì)病蟲(chóng)害的大面積及時(shí)防控需求。遙感相對(duì)于傳統(tǒng)病蟲(chóng)害田間調(diào)查技術(shù)手段而言，能夠高效、客觀(guān)地在大尺度上對(duì)作物病蟲(chóng)害發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，對(duì)病蟲(chóng)害及時(shí)、高效和科學(xué)防控具有重要意義。

近年來(lái)，對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展為病蟲(chóng)害的大范圍監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了有效技術(shù)手段和良好契機(jī)。中國(guó)發(fā)射的高分GF系列、風(fēng)云FY系列、資源ZY系列、環(huán)境HJ系列等衛(wèi)星，以及歐空局發(fā)射的Sentinel系列衛(wèi)星和美國(guó)發(fā)射的Landsat-8等衛(wèi)星正構(gòu)筑起一個(gè)高頻度、高空間分辨率、多譜段、全覆蓋的對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。此外，不斷更新加密的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)以及由遙感、氣象數(shù)據(jù)耦合形成的面狀氣象參數(shù)產(chǎn)品為病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了更為豐富的信息來(lái)源。

遙感監(jiān)測(cè)預(yù)警病蟲(chóng)害是怎樣做到的

農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害遙感是針對(duì)特定病蟲(chóng)害的特點(diǎn)通過(guò)選擇合適的數(shù)據(jù)，融合遙感、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等多學(xué)科方法，進(jìn)行病蟲(chóng)害發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律分析、模型構(gòu)建、制圖和展示。近年來(lái)，系列遙感衛(wèi)星的發(fā)射為進(jìn)行高頻度、高分辨率的作物病蟲(chóng)害遙感監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)提供了豐富的數(shù)據(jù)資源。借助于遙感探測(cè)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)作物病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)及預(yù)警方法開(kāi)展了系列研究并積累了一些有價(jià)值的方法和模型。

黃文江研究員及其研究團(tuán)隊(duì)自2003年開(kāi)始，圍繞病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、防控體系的構(gòu)建，開(kāi)展了系列研究工作，明確了小麥、水稻、玉米等主要作物病蟲(chóng)害光譜特征和敏感波段；建立了基于衛(wèi)星遙感的病蟲(chóng)害遙感監(jiān)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了大面積病蟲(chóng)害遙感監(jiān)測(cè)制圖；通過(guò)融合遙感、氣象、植保等星地多源數(shù)據(jù)，并與病蟲(chóng)害流行機(jī)制有機(jī)鏈接，建立了作物病蟲(chóng)害大面積預(yù)測(cè)模型。

一方面，作物受病蟲(chóng)侵害后會(huì)形成病斑、壞死或枯萎區(qū)域，色素含量和活性也會(huì)降低，從而使可見(jiàn)光區(qū)域的反射率增加，紅邊位置向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)；另一方面，植株衰老、生長(zhǎng)速率降低以及落葉等影響，通常使近紅外區(qū)域反射率降低。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)不同作物、不同類(lèi)型、不同發(fā)展階段的病蟲(chóng)害進(jìn)行研究，明確了小麥、水稻、玉米等主要作物病蟲(chóng)害光譜特征和敏感波段，實(shí)現(xiàn)了不同脅迫類(lèi)型的區(qū)分。

● 小麥葉片上的病蟲(chóng)害

● 2018年5月全球小麥病害遙感監(jiān)測(cè)預(yù)警圖

基于星地協(xié)同的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和地面調(diào)查數(shù)據(jù)，建立葉片、冠層尺度的小麥、水稻、玉米等主要病蟲(chóng)害高光譜、多光譜遙感監(jiān)測(cè)模型，在區(qū)域尺度上進(jìn)行病蟲(chóng)害遙感監(jiān)測(cè)和區(qū)分研究，建立基于衛(wèi)星遙感的病蟲(chóng)害遙感監(jiān)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了大面積病蟲(chóng)害遙感監(jiān)測(cè)制圖，能夠掌握作物病蟲(chóng)害的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)發(fā)生情況。

相比傳統(tǒng)的單站點(diǎn)準(zhǔn)確和空間不連續(xù)的氣象數(shù)據(jù)和類(lèi)型單一的遙感數(shù)據(jù)，遙感氣象數(shù)據(jù)更適合區(qū)域尺度范圍內(nèi)的作物病蟲(chóng)害發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r的預(yù)測(cè)研究。通過(guò)融合遙感、氣象、植保等星地多源數(shù)據(jù)，與病蟲(chóng)害流行機(jī)制有機(jī)鏈接，綜合考慮作物長(zhǎng)勢(shì)和溫度、濕度等環(huán)境因素，建立作物病蟲(chóng)害大范圍預(yù)測(cè)模型，并系統(tǒng)提出了作物病蟲(chóng)害災(zāi)前預(yù)警、災(zāi)中監(jiān)測(cè)和災(zāi)后損失評(píng)估方法。

遙感監(jiān)測(cè)預(yù)警國(guó)內(nèi)乃至全球病蟲(chóng)害

黃文江研究團(tuán)隊(duì)于2015年建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的作物病蟲(chóng)害遙感監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)病蟲(chóng)害發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r的高效遙感測(cè)報(bào)，現(xiàn)已在線(xiàn)發(fā)布了多期全球、全國(guó)、糧食主產(chǎn)省、重點(diǎn)區(qū)域的作物病蟲(chóng)害發(fā)生面積和發(fā)生程度的小麥、水稻、玉米主要病蟲(chóng)害發(fā)生現(xiàn)狀及趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告，為病蟲(chóng)害的大范圍監(jiān)測(cè)、預(yù)警和防控提供了有效技術(shù)手段，相關(guān)成果被中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、科技部、全球農(nóng)情遙感速報(bào)系統(tǒng)等采納，并聯(lián)合國(guó)家航空植?？萍紕?chuàng)新聯(lián)盟及相關(guān)公司開(kāi)展推廣應(yīng)用，提升了我國(guó)大面積作物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)預(yù)警精度和綠色防控效率，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

以農(nóng)業(yè)農(nóng)村部為例，采納病蟲(chóng)報(bào)告用于指導(dǎo)全國(guó)蝗蟲(chóng)科學(xué)防治，涉及全國(guó)11個(gè)省份、166個(gè)市縣蝗區(qū)，其中2017年和2018年分別提供1500萬(wàn)畝左右和1300多萬(wàn)畝的蝗區(qū)空間信息產(chǎn)品，特別是在2017年為山東峽山水庫(kù)爆發(fā)的飛蝗提供應(yīng)急服務(wù)，指導(dǎo)無(wú)人機(jī)防治作業(yè)5000畝，有效支撐了蝗蟲(chóng)科學(xué)防控。黃文江研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)也先后獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、測(cè)繪科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

2018年5月，該團(tuán)隊(duì)首次正式對(duì)外發(fā)布了全球病蟲(chóng)害遙感監(jiān)測(cè)預(yù)警報(bào)告。

從我國(guó)情況來(lái)看：2018年全國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)總種植面積約3.6億畝，小麥主產(chǎn)區(qū)病蟲(chóng)害總體較往年偏輕，小麥條銹病、蚜蟲(chóng)等發(fā)生面積約2.2億畝，與往年相比減少21.4%。

從全球情況看：2018年5月全球進(jìn)入小麥中后期生長(zhǎng)階段的小麥病蟲(chóng)害呈偏輕發(fā)生態(tài)勢(shì)。俄羅斯小麥條銹病發(fā)生面積占總種植面積的9%，小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積占總種植面積的10%；法國(guó)小麥條銹病發(fā)生面積占總種植面積的4%，小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積占總種植面積的5%；土耳其小麥條銹病發(fā)生面積占總種植面積的12%；中國(guó)小麥條銹病發(fā)生面積占總種植面積的4%；巴基斯坦小麥條銹病發(fā)生面積占總種植面積的17%，小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積占總種植面積的22%；美國(guó)小麥赤霉病發(fā)生面積占總種植面積的5%，小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積占總種植面積的5%；英國(guó)小麥條銹病發(fā)生面積占總種植面積的8%，小麥蚜蟲(chóng)發(fā)生面積占總種植面積的11%。