遥感如何诊脉作物病虫害？

◎ 黄文江 董莹莹

前不久，中国科学院空天信息研究院黄文江研究员及其团队在国际上首次发布了全球小麦病虫害遥感监测预警报告。事实上，自2015年以来，黄文江研究团队一直持续对外发布全国和粮食主产省的病虫害遥 感监测预警报告，在作物病虫害防治领域发挥了重要作用。那么，他们是如何做到这一点的？

对地观测技术提供有效手段

粮食安全是国际社会关注的热点，也是关系中国经济发展、社会稳定和国家自立的全局性重大战略问题。在全球气候变化的大背景下，作物病虫害的发生范围和流行程度有扩大和增强趋势。据联合国粮农组织估计，全球每年由病虫害导致的粮食减产约占总产量的1/4，其中病害导致的损失约占14%，虫害导致的损失约占10%。中国每年因作物病虫害导致的粮食损失约400亿公斤，占粮食总产量的8.8%。病虫害已成为威胁粮食安全、制约农业生产的重要因素之一。“十三五”期间要求化肥农药施用量零增长，这为如何大面积、快速实现作物病虫害发生程度和发生面积的监测预警提出了更为严峻的挑战。

传统的病虫害目测手查单点监测方法和有限站点的气象数据预测方法只能获取“点”上的病虫害发生信息，远远不能满足“面”上对病虫害的大面积及时防控需求。遥感相对于传统病虫害田间调查技术手段而言，能够高效、客观地在大尺度上对作物病虫害发生发展状况进行动态监测和预警，对病虫害及时、高效和科学防控具有重要意义。

近年来，对地观测技术的快速发展为病虫害的大范围监测预警提供了有效技术手段和良好契机。中国发射的高分GF系列、风云FY系列、资源ZY系列、环境HJ系列等卫星，以及欧空局发射的Sentinel系列卫星和美国发射的Landsat-8等卫星正构筑起一个高频度、高空间分辨率、多谱段、全覆盖的对地观测系统。此外，不断更新加密的气象站点数据以及由遥感、气象数据耦合形成的面状气象参数产品为病虫害监测预警提供了更为丰富的信息来源。

遥感监测预警病虫害是怎样做到的

农业病虫害遥感是针对特定病虫害的特点通过选择合适的数据，融合遥感、模式识别、计算机视觉等多学科方法，进行病虫害发生和发展的规律分析、模型构建、制图和展示。近年来，系列遥感卫星的发射为进行高频度、高分辨率的作物病虫害遥感监测和预测提供了丰富的数据资源。借助于遥感探测技术，国内外学者针对作物病虫害的监测及预警方法开展了系列研究并积累了一些有价值的方法和模型。

黄文江研究员及其研究团队自2003年开始，围绕病虫害监测、预报、防控体系的构建，开展了系列研究工作，明确了小麦、水稻、玉米等主要作物病虫害光谱特征和敏感波段；建立了基于卫星遥感的病虫害遥感监测模型，实现了大面积病虫害遥感监测制图；通过融合遥感、气象、植保等星地多源数据，并与病虫害流行机制有机链接，建立了作物病虫害大面积预测模型。

一方面，作物受病虫侵害后会形成病斑、坏死或枯萎区域，色素含量和活性也会降低，从而使可见光区域的反射率增加，红边位置向短波长方向移动；另一方面，植株衰老、生长速率降低以及落叶等影响，通常使近红外区域反射率降低。研究团队通过对不同作物、不同类型、不同发展阶段的病虫害进行研究，明确了小麦、水稻、玉米等主要作物病虫害光谱特征和敏感波段，实现了不同胁迫类型的区分。

● 小麦叶片上的病虫害

● 2018年5月全球小麦病害遥感监测预警图

基于星地协同的卫星影像数据和地面调查数据，建立叶片、冠层尺度的小麦、水稻、玉米等主要病虫害高光谱、多光谱遥感监测模型，在区域尺度上进行病虫害遥感监测和区分研究，建立基于卫星遥感的病虫害遥感监测模型，实现了大面积病虫害遥感监测制图，能够掌握作物病虫害的实时动态发生情况。

相比传统的单站点准确和空间不连续的气象数据和类型单一的遥感数据，遥感气象数据更适合区域尺度范围内的作物病虫害发生发展状况的预测研究。通过融合遥感、气象、植保等星地多源数据，与病虫害流行机制有机链接，综合考虑作物长势和温度、湿度等环境因素，建立作物病虫害大范围预测模型，并系统提出了作物病虫害灾前预警、灾中监测和灾后损失评估方法。

遥感监测预警国内乃至全球病虫害

黄文江研究团队于2015年建成了国内首个业务化运行的作物病虫害遥感监测和预测系统，实现了对病虫害发生发展状况的高效遥感测报，现已在线发布了多期全球、全国、粮食主产省、重点区域的作物病虫害发生面积和发生程度的小麦、水稻、玉米主要病虫害发生现状及趋势预测报告，为病虫害的大范围监测、预警和防控提供了有效技术手段，相关成果被中共中央办公厅、国务院办公厅、农业农村部、科技部、全球农情遥感速报系统等采纳，并联合国家航空植保科技创新联盟及相关公司开展推广应用，提升了我国大面积作物病虫害监测预警精度和绿色防控效率，取得了良好的社会效益和经济效益。

以农业农村部为例，采纳病虫报告用于指导全国蝗虫科学防治，涉及全国11个省份、166个市县蝗区，其中2017年和2018年分别提供1500万亩左右和1300多万亩的蝗区空间信息产品，特别是在2017年为山东峡山水库爆发的飞蝗提供应急服务，指导无人机防治作业5000亩，有效支撑了蝗虫科学防控。黄文江研究团队近年来也先后获得国家科技进步奖二等奖、测绘科技进步奖一等奖等荣誉。

2018年5月，该团队首次正式对外发布了全球病虫害遥感监测预警报告。

从我国情况来看：2018年全国小麦主产区总种植面积约3.6亿亩，小麦主产区病虫害总体较往年偏轻，小麦条锈病、蚜虫等发生面积约2.2亿亩，与往年相比减少21.4%。

从全球情况看：2018年5月全球进入小麦中后期生长阶段的小麦病虫害呈偏轻发生态势。俄罗斯小麦条锈病发生面积占总种植面积的9%，小麦蚜虫发生面积占总种植面积的10%；法国小麦条锈病发生面积占总种植面积的4%，小麦蚜虫发生面积占总种植面积的5%；土耳其小麦条锈病发生面积占总种植面积的12%；中国小麦条锈病发生面积占总种植面积的4%；巴基斯坦小麦条锈病发生面积占总种植面积的17%，小麦蚜虫发生面积占总种植面积的22%；美国小麦赤霉病发生面积占总种植面积的5%，小麦蚜虫发生面积占总种植面积的5%；英国小麦条锈病发生面积占总种植面积的8%，小麦蚜虫发生面积占总种植面积的11%。