農(nóng)作物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)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(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害的發(fā)生和為害動(dòng)態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè),并結(jié)合計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)建模、人工智能和大區(qū)域宏觀分析等技術(shù),開(kāi)展農(nóng)作物病蟲(chóng)害發(fā)生發(fā)展趨勢(shì)的評(píng)估、預(yù)測(cè)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(jì),農(nóng)作物病蟲(chóng)害對(duì)全世界主要糧食和經(jīng)濟(jì)作物潛在豐收造成的危害在42% 左右。我國(guó)是病蟲(chóng)生物災(zāi)害發(fā)生頻繁且防御能力薄弱的農(nóng)業(yè)大國(guó),生物災(zāi)害的問(wèn)題相當(dāng)突出,發(fā)生嚴(yán)重,經(jīng)濟(jì)損失巨大。近年來(lái),我國(guó)農(nóng)作物病蟲(chóng)害發(fā)生與為害呈上升趨勢(shì),成災(zāi)頻率明顯加快,致災(zāi)強(qiáng)度逐年增加。在防治情況下,我國(guó)每年仍損失糧食1 500萬(wàn)t 以上、棉花達(dá)3億kg,每年因病蟲(chóng)草鼠害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)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(wèn)題。

　　農(nóng)作物重大病蟲(chóng)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警,是及時(shí)、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(chóng)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(chóng)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(guó)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(guó)農(nóng)作物病蟲(chóng)害的發(fā)生情況非常復(fù)雜,對(duì)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(chóng)害的預(yù)警和治理除了有其特定的復(fù)雜性外,還具有時(shí)效性,涉及到的各種信息必須及時(shí)傳遞,哪怕稍有延誤,也會(huì)造成難以挽回的損失。因此,農(nóng)作物病蟲(chóng)害的及時(shí)監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確預(yù)測(cè),將是對(duì)該類(lèi)災(zāi)害有效治理的關(guān)鍵。

　　近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及,計(jì)算機(jī)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(chóng)害監(jiān)測(cè)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(dòng)化水平。我國(guó)自“十五”計(jì)劃以來(lái),國(guó)家加大了對(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)預(yù)警和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的投入;在“十五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目中,設(shè)置了重大農(nóng)作物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)預(yù)警課題;同時(shí),國(guó)家社會(huì)公益性專(zhuān)項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金也對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了資助�！笆�一五”期間,國(guó)家對(duì)“973”計(jì)劃、科技支撐計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目繼續(xù)給予了大力支持,在病蟲(chóng)害發(fā)生為害遙感監(jiān)測(cè)研究、利用昆蟲(chóng)雷達(dá)開(kāi)展遷飛性昆蟲(chóng)遷飛行為機(jī)制研究、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于病蟲(chóng)害發(fā)生為害的大區(qū)域宏觀分析研究和風(fēng)險(xiǎn)分析研究等方面均取得了大量的進(jìn)展。“十二五”以來(lái),監(jiān)測(cè)預(yù)警項(xiàng)目合并到相關(guān)專(zhuān)項(xiàng)內(nèi),國(guó)家為其專(zhuān)門(mén)立項(xiàng),繼續(xù)支持。

　　0. 1　農(nóng)作物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)預(yù)警研究現(xiàn)狀

　　在遙感監(jiān)測(cè)方面,目前的研究熱點(diǎn)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(jiàn)光波段包含有更多的信息而能探測(cè)到更加細(xì)微的變化,從而在農(nóng)作物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方面有潛在應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)都利用便攜式光譜儀進(jìn)行病蟲(chóng)為害的高光譜監(jiān)測(cè)研究,也有利用成像光譜儀和高分辨率衛(wèi)星進(jìn)行病蟲(chóng)為害探測(cè)方面的嘗試,但要將其應(yīng)用到實(shí)際的病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中,尤其是利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)農(nóng)作物病蟲(chóng)害的發(fā)生和為害動(dòng)態(tài),還需要進(jìn)行大量的研究和探索。

　　在病蟲(chóng)生物災(zāi)害的遙感監(jiān)測(cè)方面,衛(wèi)星、雷達(dá)、飛機(jī)遙感技術(shù)均得到不同程度的發(fā)展,其中在遷飛性害蟲(chóng)雷達(dá)監(jiān)測(cè)方面具有較長(zhǎng)的研究史。近年來(lái),英國(guó)自然資源研究所利用昆蟲(chóng)雷達(dá)對(duì)非洲沙漠蝗、稻飛虱以及伴遷的天敵等昆蟲(chóng)的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了大量研究,在亞非發(fā)展中國(guó)家進(jìn)行的雷達(dá)觀測(cè)也取得了許多可喜的成果。美國(guó)農(nóng)業(yè)部南方作物研究實(shí)驗(yàn)室區(qū)域性害蟲(chóng)治理部利用垂直監(jiān)測(cè)雷達(dá)、掃描雷達(dá)、追蹤雷達(dá)、機(jī)載和船載雷達(dá)及調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá),對(duì)美洲棉鈴蟲(chóng)等遷飛性昆蟲(chóng)的遷飛活動(dòng)進(jìn)行了大量觀察和監(jiān)測(cè),獲得了大量關(guān)于邊界層內(nèi)昆蟲(chóng)種群動(dòng)態(tài)和飛行行為及其與風(fēng)溫場(chǎng)的關(guān)系等珍貴的研究資料;另外,使用S 頻帶(10 cm 波長(zhǎng))的多普勒雷達(dá)和X 頻帶的跟蹤雷達(dá)研究了昆蟲(chóng)的遷飛,發(fā)現(xiàn)了一些昆蟲(chóng)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(chóng)雷達(dá)對(duì)澳大利亞蝗蟲(chóng)開(kāi)展了大氣結(jié)構(gòu)對(duì)昆蟲(chóng)遷飛的影響,尤其是中小尺度環(huán)流對(duì)昆蟲(chóng)遷飛行為的影響研究,他們利用電話線將試驗(yàn)基地計(jì)算機(jī)與控制中心計(jì)算機(jī)連接起來(lái),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件的自動(dòng)化分析處理,最后把昆蟲(chóng)遷飛的時(shí)間、密度、速度、定向等相關(guān)參數(shù)傳至網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行圖形化顯示,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)控制和澳大利亞半干旱內(nèi)陸地區(qū)沙漠蝗的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。我國(guó)在利用雷達(dá)監(jiān)測(cè)害蟲(chóng)遷飛方面也進(jìn)行了較多研究。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所、吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等利用昆蟲(chóng)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)草地螟、黏蟲(chóng)、稻飛虱、稻縱卷葉螟、棉鈴蟲(chóng)等進(jìn)行了觀測(cè)研究,獲得了大量重要害蟲(chóng)的遷飛活動(dòng)數(shù)據(jù),為進(jìn)行這些害蟲(chóng)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)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(guó)外研究人員利用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行生物分布研究、成災(zāi)規(guī)律分析開(kāi)展較早,數(shù)據(jù)積累豐富且共享程度高;我國(guó)開(kāi)展此項(xiàng)研究較遲,尤其在系統(tǒng)規(guī)模、數(shù)據(jù)來(lái)源和監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面與國(guó)外相比還有相當(dāng)大的差距。在生物分布評(píng)估分析方面,國(guó)外研究人員在生物分布統(tǒng)計(jì)模型、機(jī)理模型方面都進(jìn)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(jì)學(xué)研究成果(如: GAM、GLM、GBM、CART 等)都被應(yīng)用到生物監(jiān)測(cè)預(yù)警中來(lái),同時(shí)機(jī)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(jī)和大型機(jī)械進(jìn)行精準(zhǔn)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(cè)方面,還多用于災(zāi)害的輔助調(diào)查,如定點(diǎn)調(diào)查,確定調(diào)查地點(diǎn)經(jīng)緯度和高程,以配合地理信息系統(tǒng)分析對(duì)地理數(shù)據(jù)定位的要求和多年系統(tǒng)資料的獲得。

　　計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)具有信息傳播快速、價(jià)廉、數(shù)據(jù)傳遞可靠等優(yōu)勢(shì),加之與計(jì)算機(jī)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(chóng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息的傳輸、預(yù)警和治理決策信息的發(fā)布和植物保護(hù)信息的普及,都可以發(fā)揮非常重要的作用。在許多發(fā)達(dá)國(guó)家,均建立了相應(yīng)的農(nóng)作物生物災(zāi)害監(jiān)測(cè)與治理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和植物保護(hù)信息研究中心,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。與國(guó)外一些專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站相比較,我國(guó)無(wú)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(shí)用化的監(jiān)測(cè)預(yù)警儀器設(shè)備方面,我國(guó)多家企業(yè)開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化的測(cè)報(bào)燈、孢子捕捉器等儀器設(shè)備;同時(shí)在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面也開(kāi)展了許多探索,為進(jìn)一步深入研究奠定了基礎(chǔ)。

　　總體說(shuō)來(lái),我國(guó)在農(nóng)作物病蟲(chóng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警研究和應(yīng)用的許多方面與國(guó)外先進(jìn)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(yán)峻的生物災(zāi)害形勢(shì)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(kāi)展探索性和開(kāi)創(chuàng)性研究,以盡快與國(guó)際先進(jìn)水平接軌,促進(jìn)我國(guó)病蟲(chóng)害防治社會(huì)公益事業(yè)的發(fā)展。

　　0. 2　農(nóng)作物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)預(yù)警研究趨勢(shì)

　　目前國(guó)際上在農(nóng)作物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方面的發(fā)展趨勢(shì)是: 利用昆蟲(chóng)雷達(dá)、衛(wèi)星遙感等技術(shù)開(kāi)展農(nóng)作物病蟲(chóng)害的遙感監(jiān)測(cè),結(jié)合燈誘、性誘和田間調(diào)查,獲得田間農(nóng)作物病蟲(chóng)害發(fā)生為害的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

　　在準(zhǔn)確及時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,通過(guò)地理信息系統(tǒng)分析,結(jié)合人工智能、模型和專(zhuān)家系統(tǒng),進(jìn)行病蟲(chóng)害發(fā)生為害的預(yù)警和防治決策制定;通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)和電視預(yù)報(bào)系統(tǒng)等進(jìn)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(cè)方面,將地面高光譜遙感與GPS 等技術(shù)相結(jié)合,監(jiān)測(cè)農(nóng)作物病蟲(chóng)害發(fā)生為害動(dòng)態(tài);研究高光譜遙感、低空遙感和衛(wèi)星遙感在重大病蟲(chóng)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(chóng)害等為害后其冠層的光譜變化規(guī)律,建立病蟲(chóng)為害與高光譜反射率的監(jiān)測(cè)模型。②結(jié)合GPS 實(shí)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(cè)病蟲(chóng)害發(fā)生為害動(dòng)態(tài),建立病蟲(chóng)為害與遙感圖像變化間的關(guān)系模型。

　　在昆蟲(chóng)雷達(dá)監(jiān)測(cè)方面,利用昆蟲(chóng)雷達(dá)監(jiān)測(cè)棉鈴蟲(chóng)、水稻褐飛虱、麥蚜等害蟲(chóng)的發(fā)生為害動(dòng)態(tài),探索其空中的季節(jié)性遷飛擴(kuò)散規(guī)律,以及空中運(yùn)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(cè)昆蟲(chóng)雷達(dá)和掃描昆蟲(chóng)雷達(dá),配合高空探照燈、地面誘蟲(chóng)燈、系留氣球和田間調(diào)查,對(duì)我國(guó)主要的農(nóng)業(yè)遷飛性害蟲(chóng)棉鈴蟲(chóng)、水稻褐飛虱、麥蚜等的發(fā)生為害動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),建立昆蟲(chóng)遷飛與消長(zhǎng)情況動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。②利用探空儀對(duì)低空氣流和氣溫等參數(shù)進(jìn)行遙測(cè),結(jié)合氣象部門(mén)的大區(qū)氣流等高空數(shù)據(jù),研究高空氣流與昆蟲(chóng)遷飛、擴(kuò)散之間的關(guān)系,明確氣流對(duì)昆蟲(chóng)遷飛的影響。③研究昆蟲(chóng)雷達(dá)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、分析和處理技術(shù),以實(shí)現(xiàn)昆蟲(chóng)雷達(dá)圖像回波自動(dòng)識(shí)別和處理,以及遷飛性害蟲(chóng)暴發(fā)為害的田間自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

　　在病蟲(chóng)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(chóng)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(xiǎn)分析技術(shù)并制定風(fēng)險(xiǎn)治理對(duì)策,開(kāi)展暴發(fā)成災(zāi)的早期預(yù)警。主要工作: ①利用重大病蟲(chóng)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(duì)病蟲(chóng)害發(fā)生過(guò)程建立統(tǒng)計(jì)模型。在地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)和現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)方法的支持下,分析各種因素在病蟲(chóng)害暴發(fā)成災(zāi)過(guò)程中的貢獻(xiàn)程度以及各因子之間的相互關(guān)系。為揭示農(nóng)作物病蟲(chóng)害暴發(fā)為害機(jī)理提供必要的統(tǒng)計(jì)依據(jù)。②結(jié)合室內(nèi)和田間試驗(yàn)結(jié)果、區(qū)域性大尺度監(jiān)測(cè)結(jié)果,以及統(tǒng)計(jì)模型分析結(jié)果,研制暴發(fā)成災(zāi)動(dòng)態(tài)機(jī)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(chóng)害預(yù)警與治理的決策支持。③開(kāi)展農(nóng)作物病蟲(chóng)害區(qū)域性暴發(fā)成災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)分析,研制暴發(fā)成災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng),開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化的定性定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,為區(qū)域性病蟲(chóng)害暴發(fā)成災(zāi)提供風(fēng)險(xiǎn)治理對(duì)策。

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