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近日，中國科學(xué)院空天信息研究院植被定量遙感研究團(tuán)隊(duì)在國際上首次發(fā)布了中英雙語全球小麥病蟲害遙感監(jiān)測報(bào)告，主要聚焦全球糧食主產(chǎn)國在主要糧食作物關(guān)鍵生長期典型病蟲害的發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、研究員黃文江對《中國科學(xué)報(bào)》記者說：“我們是一支涵蓋遙感科學(xué)、光學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、農(nóng)學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)等多學(xué)科交叉互補(bǔ)的創(chuàng)新學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十幾年的潛心研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，建立了病蟲害遙感監(jiān)測預(yù)警和損失評估技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)前預(yù)警—災(zāi)中監(jiān)測—災(zāi)后評估的全鏈條農(nóng)業(yè)信息服務(wù)。自2015年以來，團(tuán)隊(duì)持續(xù)地對外發(fā)布全國和糧食主產(chǎn)省的病蟲遙感監(jiān)測預(yù)警報(bào)告。”

遙感診脈病蟲害

據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織估計(jì)，全世界每年由病蟲害導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)約占總產(chǎn)量的1/4，中國每年因作物病蟲害導(dǎo)致的糧食損失約400億千克，占糧食總產(chǎn)量的8.8%，病蟲害已成為威脅糧食安全、制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一。“十三五”期間，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部要求農(nóng)藥施用零增長，這為如何大面積、快速實(shí)現(xiàn)作物病蟲害發(fā)生程度和發(fā)生面積的監(jiān)測預(yù)警提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

遙感相對于傳統(tǒng)病蟲害田間調(diào)查技術(shù)手段而言，能夠高效、客觀地在大尺度上對作物病蟲害發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，對于病蟲害及時(shí)、高效和科學(xué)防控具有重要意義。

從2003年起，黃文江便開始鉆研如何以遙感為手段定量測報(bào)病蟲災(zāi)情。他說：“明確不同作物病害、蟲害遙感典型光譜特征和敏感波段，建立作物病蟲害遙感監(jiān)測光譜數(shù)據(jù)庫，與作物長勢狀況、空間分布、地表溫度、降雨等多源遙感反演結(jié)果和作物病蟲害預(yù)測模型相結(jié)合，就能實(shí)現(xiàn)大區(qū)域作物病蟲害遙感監(jiān)測和預(yù)測預(yù)報(bào)。”

思路清晰后，黃文江著手解決最關(guān)鍵的問題之一 ——建立模型。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立了葉片和冠層尺度的小麥、水稻、玉米、棉花等作物主要病蟲害高光譜、多光譜遙感監(jiān)測模型；綜合考慮作物長勢和溫度、濕度等環(huán)境因素，建立了作物病蟲害遙感監(jiān)測和預(yù)測模型；系統(tǒng)提出了作物病蟲害災(zāi)前預(yù)警、災(zāi)中監(jiān)測和災(zāi)后損失評估方法。

模型建立好后，團(tuán)隊(duì)又面臨了另一個(gè)問題——衛(wèi)星數(shù)據(jù)無法滿足作物病蟲害遙感監(jiān)測和預(yù)測應(yīng)用需求。

黃文江說：“當(dāng)時(shí)可以使用美國陸地衛(wèi)星，16天重訪一次，而農(nóng)作物的生長變化周期一般是5～7天，它在精度、時(shí)間上都無法滿足監(jiān)測需求。近年來國內(nèi)的高分衛(wèi)星、歐盟的哨兵系列衛(wèi)星等可以實(shí)現(xiàn)全球10米的空間分辨率，并且達(dá)到了5天左右的重訪周期，這樣就能定期發(fā)布全國乃至全球重點(diǎn)區(qū)域的病蟲遙感測報(bào)專題圖和科學(xué)報(bào)告。”

在黃文江的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)于2015年建成了國內(nèi)首個(gè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的作物病蟲害遙感監(jiān)測和預(yù)測系統(tǒng)，已在線發(fā)布了多期全球、全國、糧食主產(chǎn)省、重點(diǎn)區(qū)域的作物病蟲害發(fā)生區(qū)域、發(fā)生面積和發(fā)生程度的小麥、水稻、玉米主要病蟲害發(fā)生現(xiàn)狀及趨勢預(yù)測報(bào)告，為病蟲害的大范圍監(jiān)測、預(yù)警和防控提供了有效技術(shù)手段。

多學(xué)科背景聯(lián)合攻關(guān)

黃文江心中一直有一個(gè)理念：植被定量遙感研究不能只靠遙感來解決問題，應(yīng)拓寬思路，綜合光學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、農(nóng)學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)等多學(xué)科知識，開展更為廣泛且深入的科學(xué)探索。

近年來，植被定量遙感團(tuán)隊(duì)以陸表植被為研究對象，圍繞植被定量遙感原理、植被輻射傳輸機(jī)理、植被與地表參數(shù)作用機(jī)制及植被定量遙感應(yīng)用等主題開展研究，并在植被遙感機(jī)理、農(nóng)業(yè)遙感、森林遙感、草地遙感、生態(tài)遙感等方面取得了一系列理論和應(yīng)用研究成果。

針對當(dāng)前農(nóng)情監(jiān)測以定性為主，監(jiān)測精度無法實(shí)現(xiàn)定量的精準(zhǔn)變量肥水藥管理等難題，團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了作物冠層內(nèi)光合有效輻射垂直分布模型，提出了基于多時(shí)相和核驅(qū)動機(jī)理模型結(jié)合的作物株型遙感識別方法，建立了植株氮素、葉綠素、類胡蘿卜素和水分遙感診斷模型，提出了利用類胡蘿卜素和葉綠素比值監(jiān)測作物養(yǎng)分虧缺狀況的新方法與遙感監(jiān)測模型。

“面向農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理迫切需求，我們將遙感‘面狀信息’與地面‘點(diǎn)狀信息’有機(jī)融合，在縣域、農(nóng)場和田塊等多種尺度上開展了面向農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)變量肥水管理和產(chǎn)量預(yù)測研究，提出了光譜數(shù)據(jù)和作物生長模型同化的作物精準(zhǔn)變量施肥與效益評價(jià)方法，以及長勢監(jiān)測和產(chǎn)量預(yù)測模型。”黃文江說。

在科技成果轉(zhuǎn)化方面，團(tuán)隊(duì)通過提供專題圖和遙感監(jiān)測預(yù)測報(bào)告等多種模式，促進(jìn)了空間信息技術(shù)在作物生產(chǎn)布局、精準(zhǔn)施肥、變量灌溉決策、病蟲防治等方面的應(yīng)用，研究成果在黑龍江、吉林、河北、河南、山東等多個(gè)省市及全國糧食主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行了廣泛的推廣應(yīng)用。

國際合作拓寬科研渠道

團(tuán)隊(duì)在為國內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展解決問題的同時(shí)，也開展了豐富的國際合作活動，建立了與美國、英國、意大利、加拿大、澳大利亞等國家的項(xiàng)目合作研究、互訪交流、研究生聯(lián)合培養(yǎng)等合作機(jī)制，成立了中英作物病蟲害測報(bào)與防控聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目和國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、中英牛頓基金、中意國際合作項(xiàng)目、中歐龍計(jì)劃等項(xiàng)目。

黃文江說：“我們與國際團(tuán)隊(duì)在植被理化參數(shù)遙感反演、作物病蟲遙感監(jiān)測與預(yù)測、農(nóng)業(yè)與生態(tài)應(yīng)用等領(lǐng)域展開了廣泛深入的合作交流，取得了系列創(chuàng)新研究成果。”

團(tuán)隊(duì)成員董瑩瑩博士告訴記者：“在此次全球小麥病蟲害遙感監(jiān)測報(bào)告的發(fā)布中，我們與英國、意大利等研究團(tuán)隊(duì)開展了良好合作。對2018年4月至5月進(jìn)入小麥中后期生長階段的10個(gè)主產(chǎn)國的小麥銹病、赤霉病和蚜蟲等發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行定量監(jiān)測預(yù)警，提取并分析了其空間分布、危害程度和發(fā)生面積。”

在全體成員的共同努力下，研究團(tuán)隊(duì)近年來獲得國家科技進(jìn)步獎二等獎、測繪科技進(jìn)步獎一等獎、中科院杰出科技成就獎等獎項(xiàng)。黃文江說：“我們科研工作者需要國家穩(wěn)定科研支持、需要沉下心刻苦鉆研，積累本領(lǐng)域的科研成果，不能浮躁。未來我們將不斷擴(kuò)充作物病蟲害遙感監(jiān)測和預(yù)測的作物種類，提高監(jiān)測和預(yù)測精度，服務(wù)國家宏觀決策和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。”

摘自《中國科學(xué)報(bào)》