遙感如何診脈作物病蟲害？

◎ 黃文江 董瑩瑩

前不久，中國科學院空天信息研究院黃文江研究員及其團隊在國際上首次發布了全球小麥病蟲害遙感監測預警報告。事實上，自2015年以來，黃文江研究團隊一直持續對外發布全國和糧食主產省的病蟲害遙 感監測預警報告，在作物病蟲害防治領域發揮了重要作用。那么，他們是如何做到這一點的？

對地觀測技術提供有效手段

糧食安全是國際社會關注的熱點，也是關系中國經濟發展、社會穩定和國家自立的全局性重大戰略問題。在全球氣候變化的大背景下，作物病蟲害的發生范圍和流行程度有擴大和增強趨勢。據聯合國糧農組織估計，全球每年由病蟲害導致的糧食減產約占總產量的1/4，其中病害導致的損失約占14%，蟲害導致的損失約占10%。中國每年因作物病蟲害導致的糧食損失約400億公斤，占糧食總產量的8.8%。病蟲害已成為威脅糧食安全、制約農業生產的重要因素之一?！笆濉逼陂g要求化肥農藥施用量零增長，這為如何大面積、快速實現作物病蟲害發生程度和發生面積的監測預警提出了更為嚴峻的挑戰。

傳統的病蟲害目測手查單點監測方法和有限站點的氣象數據預測方法只能獲取“點”上的病蟲害發生信息，遠遠不能滿足“面”上對病蟲害的大面積及時防控需求。遙感相對于傳統病蟲害田間調查技術手段而言，能夠高效、客觀地在大尺度上對作物病蟲害發生發展狀況進行動態監測和預警，對病蟲害及時、高效和科學防控具有重要意義。

近年來，對地觀測技術的快速發展為病蟲害的大范圍監測預警提供了有效技術手段和良好契機。中國發射的高分GF系列、風云FY系列、資源ZY系列、環境HJ系列等衛星，以及歐空局發射的Sentinel系列衛星和美國發射的Landsat-8等衛星正構筑起一個高頻度、高空間分辨率、多譜段、全覆蓋的對地觀測系統。此外，不斷更新加密的氣象站點數據以及由遙感、氣象數據耦合形成的面狀氣象參數產品為病蟲害監測預警提供了更為豐富的信息來源。

遙感監測預警病蟲害是怎樣做到的

農業病蟲害遙感是針對特定病蟲害的特點通過選擇合適的數據，融合遙感、模式識別、計算機視覺等多學科方法，進行病蟲害發生和發展的規律分析、模型構建、制圖和展示。近年來，系列遙感衛星的發射為進行高頻度、高分辨率的作物病蟲害遙感監測和預測提供了豐富的數據資源。借助于遙感探測技術，國內外學者針對作物病蟲害的監測及預警方法開展了系列研究并積累了一些有價值的方法和模型。

黃文江研究員及其研究團隊自2003年開始，圍繞病蟲害監測、預報、防控體系的構建，開展了系列研究工作，明確了小麥、水稻、玉米等主要作物病蟲害光譜特征和敏感波段；建立了基于衛星遙感的病蟲害遙感監測模型，實現了大面積病蟲害遙感監測制圖；通過融合遙感、氣象、植保等星地多源數據，并與病蟲害流行機制有機鏈接，建立了作物病蟲害大面積預測模型。

一方面，作物受病蟲侵害后會形成病斑、壞死或枯萎區域，色素含量和活性也會降低，從而使可見光區域的反射率增加，紅邊位置向短波長方向移動；另一方面，植株衰老、生長速率降低以及落葉等影響，通常使近紅外區域反射率降低。研究團隊通過對不同作物、不同類型、不同發展階段的病蟲害進行研究，明確了小麥、水稻、玉米等主要作物病蟲害光譜特征和敏感波段，實現了不同脅迫類型的區分。

● 小麥葉片上的病蟲害

● 2018年5月全球小麥病害遙感監測預警圖

基于星地協同的衛星影像數據和地面調查數據，建立葉片、冠層尺度的小麥、水稻、玉米等主要病蟲害高光譜、多光譜遙感監測模型，在區域尺度上進行病蟲害遙感監測和區分研究，建立基于衛星遙感的病蟲害遙感監測模型，實現了大面積病蟲害遙感監測制圖，能夠掌握作物病蟲害的實時動態發生情況。

相比傳統的單站點準確和空間不連續的氣象數據和類型單一的遙感數據，遙感氣象數據更適合區域尺度范圍內的作物病蟲害發生發展狀況的預測研究。通過融合遙感、氣象、植保等星地多源數據，與病蟲害流行機制有機鏈接，綜合考慮作物長勢和溫度、濕度等環境因素，建立作物病蟲害大范圍預測模型，并系統提出了作物病蟲害災前預警、災中監測和災后損失評估方法。

遙感監測預警國內乃至全球病蟲害

黃文江研究團隊于2015年建成了國內首個業務化運行的作物病蟲害遙感監測和預測系統，實現了對病蟲害發生發展狀況的高效遙感測報，現已在線發布了多期全球、全國、糧食主產省、重點區域的作物病蟲害發生面積和發生程度的小麥、水稻、玉米主要病蟲害發生現狀及趨勢預測報告，為病蟲害的大范圍監測、預警和防控提供了有效技術手段，相關成果被中共中央辦公廳、國務院辦公廳、農業農村部、科技部、全球農情遙感速報系統等采納，并聯合國家航空植?？萍紕撔侣撁思跋嚓P公司開展推廣應用，提升了我國大面積作物病蟲害監測預警精度和綠色防控效率，取得了良好的社會效益和經濟效益。

以農業農村部為例，采納病蟲報告用于指導全國蝗蟲科學防治，涉及全國11個省份、166個市縣蝗區，其中2017年和2018年分別提供1500萬畝左右和1300多萬畝的蝗區空間信息產品，特別是在2017年為山東峽山水庫爆發的飛蝗提供應急服務，指導無人機防治作業5000畝，有效支撐了蝗蟲科學防控。黃文江研究團隊近年來也先后獲得國家科技進步獎二等獎、測繪科技進步獎一等獎等榮譽。

2018年5月，該團隊首次正式對外發布了全球病蟲害遙感監測預警報告。

從我國情況來看：2018年全國小麥主產區總種植面積約3.6億畝，小麥主產區病蟲害總體較往年偏輕，小麥條銹病、蚜蟲等發生面積約2.2億畝，與往年相比減少21.4%。

從全球情況看：2018年5月全球進入小麥中后期生長階段的小麥病蟲害呈偏輕發生態勢。俄羅斯小麥條銹病發生面積占總種植面積的9%，小麥蚜蟲發生面積占總種植面積的10%；法國小麥條銹病發生面積占總種植面積的4%，小麥蚜蟲發生面積占總種植面積的5%；土耳其小麥條銹病發生面積占總種植面積的12%；中國小麥條銹病發生面積占總種植面積的4%；巴基斯坦小麥條銹病發生面積占總種植面積的17%，小麥蚜蟲發生面積占總種植面積的22%；美國小麥赤霉病發生面積占總種植面積的5%，小麥蚜蟲發生面積占總種植面積的5%；英國小麥條銹病發生面積占總種植面積的8%，小麥蚜蟲發生面積占總種植面積的11%。