農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測預(yù)警定位于利用遙感( remote sensing, RS)、地理信息系統(tǒng)( geography information system,GIS)和全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)等“3S”技術(shù),以及燈誘、性誘和田間抽樣調(diào)查技術(shù),對農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生和為害動態(tài)進行系統(tǒng)監(jiān)測,并結(jié)合計算機信息技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計建模、人工智能和大區(qū)域宏觀分析等技術(shù),開展農(nóng)作物病蟲害發(fā)生發(fā)展趨勢的評估、預(yù)測和防治決策制定,以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防治工作。

　　據(jù)估計,農(nóng)作物病蟲害對全世界主要糧食和經(jīng)濟作物潛在豐收造成的危害在42% 左右。我國是病蟲生物災(zāi)害發(fā)生頻繁且防御能力薄弱的農(nóng)業(yè)大國,生物災(zāi)害的問題相當(dāng)突出,發(fā)生嚴重,經(jīng)濟損失巨大。近年來,我國農(nóng)作物病蟲害發(fā)生與為害呈上升趨勢,成災(zāi)頻率明顯加快,致災(zāi)強度逐年增加。在防治情況下,我國每年仍損失糧食1 500萬t 以上、棉花達3億kg,每年因病蟲草鼠害造成的直接經(jīng)濟損失高達數(shù)百億元。因此,農(nóng)作物生物災(zāi)害的發(fā)生已成為制約農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重大瓶頸問題。

　　農(nóng)作物重大病蟲災(zāi)害的實時監(jiān)測和預(yù)警,是及時、有效地控制其暴發(fā)成災(zāi)的先決條件之一。農(nóng)作物病蟲草鼠等生物災(zāi)害的發(fā)生和為害,受作物布局、栽培耕作制度、品種抗性、害蟲的遷飛、滯育規(guī)律、病害流行規(guī)律、農(nóng)田小氣候及氣象條件等諸多因素的影響。由于我國幅員遼闊,各地耕作栽培制度各不相同,加之氣候條件千變?nèi)f化,災(zāi)害性氣候經(jīng)常發(fā)生,致使我國農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生情況非常復(fù)雜,對農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)造成巨大威脅。農(nóng)作物重大病蟲害的預(yù)警和治理除了有其特定的復(fù)雜性外,還具有時效性,涉及到的各種信息必須及時傳遞,哪怕稍有延誤,也會造成難以挽回的損失。因此,農(nóng)作物病蟲害的及時監(jiān)測和準確預(yù)測,將是對該類災(zāi)害有效治理的關(guān)鍵。

　　近年來,隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的普及,計算機信息技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)等技術(shù)在農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測預(yù)警方面的應(yīng)用發(fā)揮了極其重要的作用,提高了該領(lǐng)域的自動化水平。我國自“十五”計劃以來,國家加大了對農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測預(yù)警和預(yù)測預(yù)報的投入;在“十五”國家科技攻關(guān)項目中,設(shè)置了重大農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測預(yù)警課題;同時,國家社會公益性專項和國家自然科學(xué)基金也對該領(lǐng)域進行了資助�！笆�一五”期間,國家對“973”計劃、科技支撐計劃和國家自然科學(xué)基金等項目繼續(xù)給予了大力支持,在病蟲害發(fā)生為害遙感監(jiān)測研究、利用昆蟲雷達開展遷飛性昆蟲遷飛行為機制研究、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于病蟲害發(fā)生為害的大區(qū)域宏觀分析研究和風(fēng)險分析研究等方面均取得了大量的進展�！笆�二五”以來,監(jiān)測預(yù)警項目合并到相關(guān)專項內(nèi),國家為其專門立項,繼續(xù)支持。

　　0. 1　農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測預(yù)警研究現(xiàn)狀

　　在遙感監(jiān)測方面,目前的研究熱點集中在高光譜遙感方向。高光譜遙感因其能夠獲得連續(xù)的全光譜比常規(guī)可見光波段包含有更多的信息而能探測到更加細微的變化,從而在農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測預(yù)警方面有潛在應(yīng)用前景。國內(nèi)外很多研究機構(gòu)和大學(xué)都利用便攜式光譜儀進行病蟲為害的高光譜監(jiān)測研究,也有利用成像光譜儀和高分辨率衛(wèi)星進行病蟲為害探測方面的嘗試,但要將其應(yīng)用到實際的病蟲害監(jiān)測預(yù)警中,尤其是利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測農(nóng)作物病蟲害的發(fā)生和為害動態(tài),還需要進行大量的研究和探索。

　　在病蟲生物災(zāi)害的遙感監(jiān)測方面,衛(wèi)星、雷達、飛機遙感技術(shù)均得到不同程度的發(fā)展,其中在遷飛性害蟲雷達監(jiān)測方面具有較長的研究史。近年來,英國自然資源研究所利用昆蟲雷達對非洲沙漠蝗、稻飛虱以及伴遷的天敵等昆蟲的監(jiān)測進行了大量研究,在亞非發(fā)展中國家進行的雷達觀測也取得了許多可喜的成果。美國農(nóng)業(yè)部南方作物研究實驗室區(qū)域性害蟲治理部利用垂直監(jiān)測雷達、掃描雷達、追蹤雷達、機載和船載雷達及調(diào)頻連續(xù)波雷達,對美洲棉鈴蟲等遷飛性昆蟲的遷飛活動進行了大量觀察和監(jiān)測,獲得了大量關(guān)于邊界層內(nèi)昆蟲種群動態(tài)和飛行行為及其與風(fēng)溫場的關(guān)系等珍貴的研究資料;另外,使用S 頻帶(10 cm 波長)的多普勒雷達和X 頻帶的跟蹤雷達研究了昆蟲的遷飛,發(fā)現(xiàn)了一些昆蟲空中種群的定向行為。澳大利亞新南威爾士大學(xué)物理系利用昆蟲雷達對澳大利亞蝗蟲開展了大氣結(jié)構(gòu)對昆蟲遷飛的影響,尤其是中小尺度環(huán)流對昆蟲遷飛行為的影響研究,他們利用電話線將試驗基地計算機與控制中心計算機連接起來,監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)軟件的自動化分析處理,最后把昆蟲遷飛的時間、密度、速度、定向等相關(guān)參數(shù)傳至網(wǎng)絡(luò)上進行圖形化顯示,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化自動控制和澳大利亞半干旱內(nèi)陸地區(qū)沙漠蝗的長期監(jiān)測。我國在利用雷達監(jiān)測害蟲遷飛方面也進行了較多研究。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所、吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等利用昆蟲雷達系統(tǒng)對草地螟、黏蟲、稻飛虱、稻縱卷葉螟、棉鈴蟲等進行了觀測研究,獲得了大量重要害蟲的遷飛活動數(shù)據(jù),為進行這些害蟲的預(yù)測預(yù)報和制定防治決策提供了非常重要的依據(jù)。

　　在農(nóng)作物生物災(zāi)害的地理信息系統(tǒng)研究方面,國外研究人員利用地理信息系統(tǒng)進行生物分布研究、成災(zāi)規(guī)律分析開展較早,數(shù)據(jù)積累豐富且共享程度高;我國開展此項研究較遲,尤其在系統(tǒng)規(guī)模、數(shù)據(jù)來源和監(jiān)測應(yīng)用方面與國外相比還有相當(dāng)大的差距。在生物分布評估分析方面,國外研究人員在生物分布統(tǒng)計模型、機理模型方面都進行了廣泛的研究,深入討論了有害生物分布、發(fā)生程度與環(huán)境因子之間的關(guān)系。由于生物分布、發(fā)生程度與環(huán)境間的關(guān)系多屬于非線性關(guān)系,所以很多新的非線性統(tǒng)計學(xué)研究成果(如: GAM、GLM、GBM、CART 等)都被應(yīng)用到生物監(jiān)測預(yù)警中來,同時機器分析方法,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法(GARP)等研究手段也在生物預(yù)警分析方面有了廣泛的應(yīng)用。

　　在全球定位技術(shù)方面,目前在利用飛機和大型機械進行精準施藥的防治上應(yīng)用較多,但在農(nóng)作物生物災(zāi)害監(jiān)測方面,還多用于災(zāi)害的輔助調(diào)查,如定點調(diào)查,確定調(diào)查地點經(jīng)緯度和高程,以配合地理信息系統(tǒng)分析對地理數(shù)據(jù)定位的要求和多年系統(tǒng)資料的獲得。

　　計算機網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)具有信息傳播快速、價廉、數(shù)據(jù)傳遞可靠等優(yōu)勢,加之與計算機多媒體技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)和人工智能技術(shù)相結(jié)合,應(yīng)用于農(nóng)作物病蟲災(zāi)害監(jiān)測信息的傳輸、預(yù)警和治理決策信息的發(fā)布和植物保護信息的普及,都可以發(fā)揮非常重要的作用。在許多發(fā)達國家,均建立了相應(yīng)的農(nóng)作物生物災(zāi)害監(jiān)測與治理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和植物保護信息研究中心,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。與國外一些專業(yè)網(wǎng)站相比較,我國無論是在網(wǎng)站規(guī)模還是信息數(shù)量上均存在一定的差距。

　　在實用化的監(jiān)測預(yù)警儀器設(shè)備方面,我國多家企業(yè)開發(fā)了自動化的測報燈、孢子捕捉器等儀器設(shè)備;同時在遠程監(jiān)控方面也開展了許多探索,為進一步深入研究奠定了基礎(chǔ)。

　　總體說來,我國在農(nóng)作物病蟲災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警研究和應(yīng)用的許多方面與國外先進水平相比,目前還處于落后狀態(tài)。但是,鑒于當(dāng)前面臨的嚴峻的生物災(zāi)害形勢和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大需求,我們必須在這方面開展探索性和開創(chuàng)性研究,以盡快與國際先進水平接軌,促進我國病蟲害防治社會公益事業(yè)的發(fā)展。

　　0. 2　農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測預(yù)警研究趨勢

　　目前國際上在農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測預(yù)警方面的發(fā)展趨勢是: 利用昆蟲雷達、衛(wèi)星遙感等技術(shù)開展農(nóng)作物病蟲害的遙感監(jiān)測,結(jié)合燈誘、性誘和田間調(diào)查,獲得田間農(nóng)作物病蟲害發(fā)生為害的動態(tài)數(shù)據(jù)。

　　在準確及時監(jiān)測的基礎(chǔ)上,通過地理信息系統(tǒng)分析,結(jié)合人工智能、模型和專家系統(tǒng),進行病蟲害發(fā)生為害的預(yù)警和防治決策制定;通過計算機網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)和電視預(yù)報系統(tǒng)等進行信息發(fā)布,以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防治工作。

　　在遙感監(jiān)測方面,將地面高光譜遙感與GPS 等技術(shù)相結(jié)合,監(jiān)測農(nóng)作物病蟲害發(fā)生為害動態(tài);研究高光譜遙感、低空遙感和衛(wèi)星遙感在重大病蟲害預(yù)警中的應(yīng)用。主要工作: ①利用地面高光譜儀研究農(nóng)作物受不同程度病蟲害等為害后其冠層的光譜變化規(guī)律,建立病蟲為害與高光譜反射率的監(jiān)測模型。②結(jié)合GPS 實地調(diào)查,探索研究利用低空高光譜遙感和衛(wèi)星遙感監(jiān)測病蟲害發(fā)生為害動態(tài),建立病蟲為害與遙感圖像變化間的關(guān)系模型。

　　在昆蟲雷達監(jiān)測方面,利用昆蟲雷達監(jiān)測棉鈴蟲、水稻褐飛虱、麥蚜等害蟲的發(fā)生為害動態(tài),探索其空中的季節(jié)性遷飛擴散規(guī)律,以及空中運轉(zhuǎn)和降落與大氣環(huán)流、降水等的關(guān)系。主要工作: ①利用垂直監(jiān)測昆蟲雷達和掃描昆蟲雷達,配合高空探照燈、地面誘蟲燈、系留氣球和田間調(diào)查,對我國主要的農(nóng)業(yè)遷飛性害蟲棉鈴蟲、水稻褐飛虱、麥蚜等的發(fā)生為害動態(tài)進行實時監(jiān)測,建立昆蟲遷飛與消長情況動態(tài)數(shù)據(jù)庫。②利用探空儀對低空氣流和氣溫等參數(shù)進行遙測,結(jié)合氣象部門的大區(qū)氣流等高空數(shù)據(jù),研究高空氣流與昆蟲遷飛、擴散之間的關(guān)系,明確氣流對昆蟲遷飛的影響。③研究昆蟲雷達數(shù)據(jù)自動采集、分析和處理技術(shù),以實現(xiàn)昆蟲雷達圖像回波自動識別和處理,以及遷飛性害蟲暴發(fā)為害的田間自動化監(jiān)測。

　　在病蟲害預(yù)警方面,利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和模擬模型技術(shù),建立重大病蟲害區(qū)域性暴發(fā)為害地理信息系統(tǒng)和早期預(yù)警模型,研究暴發(fā)成災(zāi)的風(fēng)險分析技術(shù)并制定風(fēng)險治理對策,開展暴發(fā)成災(zāi)的早期預(yù)警。主要工作: ①利用重大病蟲害區(qū)域性暴發(fā)的歷史數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)和生產(chǎn)季節(jié)中的植被數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù),對病蟲害發(fā)生過程建立統(tǒng)計模型。在地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺和現(xiàn)代統(tǒng)計方法的支持下,分析各種因素在病蟲害暴發(fā)成災(zāi)過程中的貢獻程度以及各因子之間的相互關(guān)系。為揭示農(nóng)作物病蟲害暴發(fā)為害機理提供必要的統(tǒng)計依據(jù)。②結(jié)合室內(nèi)和田間試驗結(jié)果、區(qū)域性大尺度監(jiān)測結(jié)果,以及統(tǒng)計模型分析結(jié)果,研制暴發(fā)成災(zāi)動態(tài)機理模型和早期預(yù)警模型,建立相應(yīng)的信息系統(tǒng),提供農(nóng)作物病蟲害預(yù)警與治理的決策支持。③開展農(nóng)作物病蟲害區(qū)域性暴發(fā)成災(zāi)的風(fēng)險分析,研制暴發(fā)成災(zāi)風(fēng)險評估系統(tǒng),開展標(biāo)準化的定性定量風(fēng)險評估,為區(qū)域性病蟲害暴發(fā)成災(zāi)提供風(fēng)險治理對策。

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