作者:高雅丽 来源:中国科学报 发布时间:2018-7-9
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遥感监测作物病虫:
多学科跨界组合碰撞的“智慧火花”

 

■本报见习记者 高雅丽

植被定量遥感研究团队合影

近日,中国科学院空天信息研究院植被定量遥感研究团队在国际上首次发布了中英双语全球小麦病虫害遥感监测报告,主要聚焦全球粮食主产国在主要粮食作物关键生长期典型病虫害的发生发展状况。

团队负责人、研究员黄文江对《中国科学报》记者说:“我们是一支涵盖遥感科学、光学、数学、计算机科学、农学、植物营养学等多学科交叉互补的创新学术团队。团队经过十几年的潜心研究和实验验证,建立了病虫害遥感监测预警和损失评估技术体系,实现了灾前预警—灾中监测—灾后评估的全链条农业信息服务。自2015年以来,团队持续地对外发布全国和粮食主产省的病虫遥感监测预警报告。”

遥感诊脉病虫害

据联合国粮农组织估计,全世界每年由病虫害导致的粮食减产约占总产量的1/4,中国每年因作物病虫害导致的粮食损失约400亿千克,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,农业农村部要求农药施用零增长,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。

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,对于病虫害及时、高效和科学防控具有重要意义。

从2003年起,黄文江便开始钻研如何以遥感为手段定量测报病虫灾情。他说:“明确不同作物病害、虫害遥感典型光谱特征和敏感波段,建立作物病虫害遥感监测光谱数据库,与作物长势状况、空间分布、地表温度、降雨等多源遥感反演结果和作物病虫害预测模型相结合,就能实现大区域作物病虫害遥感监测和预测预报。”

思路清晰后,黄文江着手解决最关键的问题之一 ——建立模型。他带领团队建立了叶片和冠层尺度的小麦、水稻、玉米、棉花等作物主要病虫害高光谱、多光谱遥感监测模型;综合考虑作物长势和温度、湿度等环境因素,建立了作物病虫害遥感监测和预测模型;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。

模型建立好后,团队又面临了另一个问题——卫星数据无法满足作物病虫害遥感监测和预测应用需求。

黄文江说:“当时可以使用美国陆地卫星,16天重访一次,而农作物的生长变化周期一般是5~7天,它在精度、时间上都无法满足监测需求。近年来国内的高分卫星、欧盟的哨兵系列卫星等可以实现全球10米的空间分辨率,并且达到了5天左右的重访周期,这样就能定期发布全国乃至全球重点区域的病虫遥感测报专题图和科学报告。”

在黄文江的带领下,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,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区域、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。

多学科背景联合攻关

黄文江心中一直有一个理念:植被定量遥感研究不能只靠遥感来解决问题,应拓宽思路,综合光学、数学、计算机科学、农学、植物营养学等多学科知识,开展更为广泛且深入的科学探索。

近年来,植被定量遥感团队以陆表植被为研究对象,围绕植被定量遥感原理、植被辐射传输机理、植被与地表参数作用机制及植被定量遥感应用等主题开展研究,并在植被遥感机理、农业遥感、森林遥感、草地遥感、生态遥感等方面取得了一系列理论和应用研究成果。

针对当前农情监测以定性为主,监测精度无法实现定量的精准变量肥水药管理等难题,团队改进了作物冠层内光合有效辐射垂直分布模型,提出了基于多时相和核驱动机理模型结合的作物株型遥感识别方法,建立了植株氮素、叶绿素、类胡萝卜素和水分遥感诊断模型,提出了利用类胡萝卜素和叶绿素比值监测作物养分亏缺状况的新方法与遥感监测模型。

“面向农业精准管理迫切需求,我们将遥感‘面状信息’与地面‘点状信息’有机融合,在县域、农场和田块等多种尺度上开展了面向农业精准变量肥水管理和产量预测研究,提出了光谱数据和作物生长模型同化的作物精准变量施肥与效益评价方法,以及长势监测和产量预测模型。”黄文江说。

在科技成果转化方面,团队通过提供专题图和遥感监测预测报告等多种模式,促进了空间信息技术在作物生产布局、精准施肥、变量灌溉决策、病虫防治等方面的应用,研究成果在黑龙江、吉林、河北、河南、山东等多个省市及全国粮食主产区进行了广泛的推广应用。

国际合作拓宽科研渠道

团队在为国内农业发展解决问题的同时,也开展了丰富的国际合作活动,建立了与美国、英国、意大利、加拿大、澳大利亚等国家的项目合作研究、互访交流、研究生联合培养等合作机制,成立了中英作物病虫害测报与防控联合实验室,承担了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金国际合作重点项目、中科院先导项目和国际合作重点项目、中英牛顿基金、中意国际合作项目、中欧龙计划等项目。

黄文江说:“我们与国际团队在植被理化参数遥感反演、作物病虫遥感监测与预测、农业与生态应用等领域展开了广泛深入的合作交流,取得了系列创新研究成果。”

团队成员董莹莹博士告诉记者:“在此次全球小麦病虫害遥感监测报告的发布中,我们与英国、意大利等研究团队开展了良好合作。对2018年4月至5月进入小麦中后期生长阶段的10个主产国的小麦锈病、赤霉病和蚜虫等发生发展状况进行定量监测预警,提取并分析了其空间分布、危害程度和发生面积。”

在全体成员的共同努力下,研究团队近年来获得国家科技进步奖二等奖、测绘科技进步奖一等奖、中科院杰出科技成就奖等奖项。黄文江说:“我们科研工作者需要国家稳定科研支持、需要沉下心刻苦钻研,积累本领域的科研成果,不能浮躁。未来我们将不断扩充作物病虫害遥感监测和预测的作物种类,提高监测和预测精度,服务国家宏观决策和社会经济的可持续发展。”

《中国科学报》 (2018-07-09 第6版 院所)
 
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