《农作物重大生物灾害监测与预警技术》
本书系“十一五”国家重点出版规划项目，由我国植物保护高新技术学科带头人程登发研究员携弟子在完成国家科技支撑计划、国家社会公益性研究专项资金项目、国家自然科学基金项目等多项***科研课题和博士论文的基础上撰成，是我国**部系统介绍遥感、地理信息系统、全球定位系统等“3S”高新技术在植物保护中应用的专著。书中概要叙述了“3S”技术监测预警农作物重大生物灾害的原理和国内外研究进展，以较大篇幅、数个研究实例重点介绍了其分析研究方法及具体应用，并对计算机信息技术、数理统计建模、人工智能和大区域宏观分析等技术的综合应用也作了图文并茂的介绍。全书技术路线清晰，原创成果突出，实战指导性强，对搭建农作物重大生物灾害监测预警平台、加快我国现代植保防灾减灾体系建设具有重要的理论意义和实际意义，对植保专业人员知识更新、农林部门发布重大病虫害预测预报和制定其防治决策具有较高的参考价值。
【内容简介】
《农作物重大生物灾害监测与预警技术》
本书在总结作者多年科研创新成果的基础上，首次对遥感、地理信息系统和全球定位系统等“3S”技术在植物保护中的应用作了系统而详尽的介绍。 全书共分3编16章，分别从遥感技术监测农作物病虫害、昆虫雷达监测重大迁飞性害虫、外来入侵物种风险分析诸方面介绍了农作物重大生物灾害监测预警系统的研究现状、研究方法、应用技术及对未来的展望，涉及稻飞虱、稻纵卷叶螟、草地螟、旋幽夜蛾、红火蚁、马铃薯甲虫和小麦白粉病等多个重要病虫害监测预警或潜在分布研究实例，充分反映了近年来国内外植物保护高新技术的新进展，特别是我国植保专家在昆虫雷达遥感技术和昆虫雷达数据实时采集与分析系统研究等方面的突破性进展和国际领先成果。
【作者简介】
程登发 博士,中国农业科学院植物保护研究所研究员、农业有害生物监测预警研究室原主任,国家小麦产业技术体系病虫害防控研究室岗位科学家,中国农业科学院研究生院博士生导师,西南大学兼职教授，中国植物保护学会常务理事、植保信息技术专业委员会主任委员。从事农作物病虫害监测预警和植保信息技术研究多年,先后主持多项*科研项目，获国家科技进步二等奖、农业部和中国农科院科技进步二、三等奖共7 项。已主编或参编出版《扫描昆虫雷达与昆虫迁飞监测》等著作8 部,发表论文100 余篇。在微小昆虫飞行磨系统及麦蚜迁飞生物学研究、昆虫雷达组装技术及扫描昆虫雷达回波数据采集分析系统等研究方面，被国内外同行专家公认为达到国际领先水平。张云慧 博士，中国农业科学院植物保护研究所副研究员,中国农业科学院研究生院硕士生导师,中国植物保护学会植保信息技术专业委员会秘书长。陈 林 博士，宁夏出入境检验检疫局高级工程师。乔红波 博士，河南农业大学副教授、硕士生导师。蒋春先 博士，四川农业大学副教授、硕士生导师。杨秀丽 硕士，山西省农科院小麦研究所助理研究员
【目录】
序
前言
绪论
0.1 农作物病虫害监测预警研究现状
0.2 农作物病虫害监测预警研究趋势
0.3 我国农作物病虫害监测预警工作建议
0.3.1 目前农作物病虫害监测预警存在的主要问题
0.3.2 加强我国农作物病虫害监测预警工作的建议
第1编 农作物重大病虫害遥感监测
第1章 遥感技术与农作物病虫害监测
1.1 遥感的概念
1.2 遥感的发展历程
1.2.1 无记录的地面遥感阶段
1.2.2 有记录的地面遥感阶段
1.2.3 空中摄影遥感阶段
1.2.4 航天遥感阶段
1.2.5 电磁辐射光谱
1.3 病虫害遥感监测研究现状
1.3.1 近地光谱监测病虫害
1.3.2 低空和航天遥感
1.3.3 卫星遥感
第2章 数据采集与预处理
2.1 小麦病虫害研究区概况
2.1.1 气候特点
2.1.2 地貌特征
2.1.3 土壤类型
2.1.4 病虫害发生情况
2.2 数据调查与资料收集
2.2.1 地面光谱数据采集
2.2.2 低空遥感图像采集
2.2.3 LandsatTM卫星图像采集
2.2.4 非遥感信息数据收集
2.3 数据预处理
2.3.1 高光谱反射率数据预处理
2.3.2 遥感图像预处理
2.3.3 其他数据处理
第3章 利用小麦冠层光谱变化监测麦蚜为害
3.1 麦蚜简述
3.2 材料与方法
3.2.1 试验材料
3.2.2 光谱测量方法
3.2.3 数据处理
3.3 结果与分析
3.3.1 健康小麦冠层的基本光谱反射率特征
3.3.2 不同时期健康小麦的光谱特征
3.3.3 受麦蚜不同程度为害的小麦冠层光谱反射曲线分析
3.3.4 小麦群体反射率一阶导数光谱在麦蚜发生时的变化
3.3.5 受麦蚜不同程度为害后小麦植被指数的变化
3.4 结论与讨论
第4章 低空遥感监测小麦白粉病
4.1 小麦白粉病简述
4.2 研究方法
4.2.1 低空遥感系统介绍
4.2.2 试验设计
4.2.3 接种方法与病害调查
4.2.4 低空遥感图像采集
4.2.5 数据处理
4.3 结果与分析
4.3.1 不同时期地面光谱与病情指数的相关性
4.3.2 低空遥感真彩图和波段分解
4.3.3 低空遥感各波段反射率与病情指数的相关性
4.3.4 低空遥感各波段反射率与归一化植被指数的相关性
4.4 讨论
第5章 TM图像中病虫为害信息的提取
5.1 材料与方法
5.1.1 麦蚜和小麦白粉病研究区位置
5.1.2 遥感数据准备
5.1.3 TM图像预处理
5.1.4 TM图像的主成分分析
……
第2编 重大迁飞性昆虫雷达遥感监测
第6章 迁飞昆虫研究法与昆虫雷达监测技术
第7章 雷达遥感监测技术平台
第8章 草地螟迁飞行为与虫源分析
第9章 旋幽夜蛾迁飞的证实及迁飞行为观测
第10章 稻飞虱夜间迁飞的毫米波扫描雷达观测
第11章 稻纵卷叶螟夜间迁飞的毫米波扫描雷达观测
第3编 重大外来入侵物种预警与风险分析
第12章 外来入侵物种与风险分析
第13章 生物入侵预警和风险分析通用技术体系的构建
第14章 基于CLIMEX与种群动态模型的红火蚁潜在分布分析
第15章 基于空间统计模型的红火蚁潜在分布分析
第16章 基于空间统计模型的马铃薯甲虫潜在分布分析
参考文献
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绪 论
农作物病虫害监测预警定位于利用遥感( remote sensing, RS)、地理信息系统( geography information system,GIS)和全球定位系统(global positioning system,GPS)等“3S”技术,以及灯诱、性诱和田间抽样调查技术,对农作物病虫害的发生和为害动态进行系统监测,并结合计算机信息技术、数理统计建模、人工智能和大区域宏观分析等技术,开展农作物病虫害发生发展趋势的评估、预测和防治决策制定,以指导农业生产防治工作。
据估计,农作物病虫害对全世界主要粮食和经济作物潜在丰收造成的危害在42% 左右。我国是病虫生物灾害发生频繁且防御能力薄弱的农业大国,生物灾害的问题相当突出,发生严重,经济损失巨大。近年来,我国农作物病虫害发生与为害呈上升趋势,成灾频率明显加快,致灾强度逐年增加。在防治情况下,我国每年仍损失粮食1 500万t 以上、棉花达3亿kg,每年因病虫草鼠害造成的直接经济损失高达数百亿元。因此,农作物生物灾害的发生已成为制约农业持续稳定发展的重大瓶颈问题。
农作物重大病虫灾害的实时监测和预警,是及时、有效地控制其暴发成灾的先决条件之一。农作物病虫草鼠等生物灾害的发生和为害,受作物布局、栽培耕作制度、品种抗性、害虫的迁飞、滞育规律、病害流行规律、农田小气候及气象条件等诸多因素的影响。由于我国幅员辽阔,各地耕作栽培制度各不相同,加之气候条件千变万化,灾害性气候经常发生,致使我国农作物病虫害的发生情况非常复杂,对农作物稳产丰产造成巨大威胁。农作物重大病虫害的预警和治理除了有其特定的复杂性外,还具有时效性,涉及到的各种信息必须及时传递,哪怕稍有延误,也会造成难以挽回的损失。因此,农作物病虫害的及时监测和准确预测,将是对该类灾害有效治理的关键。
近年来,随着计算机网络的普及,计算机信息技术、遥感技术、地理信息系统和全球定位系统等技术在农作物病虫害监测预警方面的应用发挥了极其重要的作用,提高了该领域的自动化水平。我国自“十五”计划以来,国家加大了对农作物病虫害监测预警和预测预报的投入;在“十五”国家科技攻关项目中,设置了重大农作物病虫害监测预警课题;同时,国家社会公益性专项和国家自然科学基金也对该领域进行了资助。“十一五”期间,国家对“973”计划、科技支撑计划和国家自然科学基金等项目继续给予了大力支持,在病虫害发生为害遥感监测研究、利用昆虫雷达开展迁飞性昆虫迁飞行为机制研究、地理信息系统应用于病虫害发生为害的大区域宏观分析研究和风险分析研究等方面均取得了大量的进展。“十二五”以来,监测预警项目合并到相关专项内,国家为其专门立项,继续支持。
0. 1 农作物病虫害监测预警研究现状
在遥感监测方面,目前的研究热点集中在高光谱遥感方向。高光谱遥感因其能够获得连续的全光谱比常规可见光波段包含有更多的信息而能探测到更加细微的变化,从而在农作物病虫害监测预警方面有潜在应用前景。国内外很多研究机构和大学都利用便携式光谱仪进行病虫为害的高光谱监测研究,也有利用成像光谱仪和高分辨率卫星进行病虫为害探测方面的尝试,但要将其应用到实际的病虫害监测预警中,尤其是利用卫星遥感监测农作物病虫害的发生和为害动态,还需要进行大量的研究和探索。
在病虫生物灾害的遥感监测方面,卫星、雷达、飞机遥感技术均得到不同程度的发展,其中在迁飞性害虫雷达监测方面具有较长的研究史。近年来,英国自然资源研究所利用昆虫雷达对非洲沙漠蝗、稻飞虱以及伴迁的天敌等昆虫的监测进行了大量研究,在亚非发展中国家进行的雷达观测也取得了许多可喜的成果。美国农业部南方作物研究实验室区域性害虫治理部利用垂直监测雷达、扫描雷达、追踪雷达、机载和船载雷达及调频连续波雷达,对美洲棉铃虫等迁飞性昆虫的迁飞活动进行了大量观察和监测,获得了大量关于边界层内昆虫种群动态和飞行行为及其与风温场的关系等珍贵的研究资料;另外,使用S 频带(10 cm 波长)的多普勒雷达和X 频带的跟踪雷达研究了昆虫的迁飞,发现了一些昆虫空中种群的定向行为。澳大利亚新南威尔士大学物理系利用昆虫雷达对澳大利亚蝗虫开展了大气结构对昆虫迁飞的影响,尤其是中小尺度环流对昆虫迁飞行为的影响研究,他们利用电话线将试验基地计算机与控制中心计算机连接起来,监测数据经过相关软件的自动化分析处理,后把昆虫迁飞的时间、密度、速度、定向等相关参数传至网络上进行图形化显示,实现了网络化自动控制和澳大利亚半干旱内陆地区沙漠蝗的长期监测。我国在利用雷达监测害虫迁飞方面也进行了较多研究。中国农业科学院植物保护研究所、吉林省农业科学院植物保护研究所、南京农业大学等利用昆虫雷达系统对草地螟、黏虫、稻飞虱、稻纵卷叶螟、棉铃虫等进行了观测研究,获得了大量重要害虫的迁飞活动数据,为进行这些害虫的预测预报和制定防治决策提供了非常重要的依据。
在农作物生物灾害的地理信息系统研究方面,国外研究人员利用地理信息系统进行生物分布研究、成灾规律分析开展较早,数据积累丰富且共享程度高;我国开展此项研究较迟,尤其在系统规模、数据来源和监测应用方面与国外相比还有相当大的差距。在生物分布评估分析方面,国外研究人员在生物分布统计模型、机理模型方面都进行了广泛的研究,深入讨论了有害生物分布、发生程度与环境因子之间的关系。由于生物分布、发生程度与环境间的关系多属于非线性关系,所以很多新的非线性统计学研究成果(如: GAM、GLM、GBM、CART 等)都被应用到生物监测预警中来,同时机器分析方法,如人工神经网络、遗传算法(GARP)等研究手段也在生物预警分析方面有了广泛的应用。
在全球定位技术方面,目前在利用飞机和大型机械进行精准施药的防治上应用较多,但在农作物生物灾害监测方面,还多用于灾害的辅助调查,如定点调查,确定调查地点经纬度和高程,以配合地理信息系统分析对地理数据定位的要求和多年系统资料的获得。
计算机网络信息技术具有信息传播快速、价廉、数据传递可靠等优势,加之与计算机多媒体技术、地理信息系统技术和人工智能技术相结合,应用于农作物病虫灾害监测信息的传输、预警和治理决策信息的发布和植物保护信息的普及,都可以发挥非常重要的作用。在许多发达国家,均建立了相应的农作物生物灾害监测与治理的网络设施和植物保护信息研究中心,为农业生产服务。与国外一些专业网站相比较,我国无论是在网站规模还是信息数量上均存在一定的差距。
在实用化的监测预警仪器设备方面,我国多家企业开发了自动化的测报灯、孢子捕捉器等仪器设备;同时在远程监控方面也开展了许多探索,为进一步深入研究奠定了基础。
总体说来,我国在农作物病虫灾害监测预警研究和应用的许多方面与国外先进水平相比,目前还处于落后状态。但是,鉴于当前面临的严峻的生物灾害形势和农业可持续发展的重大需求,我们必须在这方面开展探索性和开创性研究,以尽快与国际先进水平接轨,促进我国病虫害防治社会公益事业的发展。
0. 2 农作物病虫害监测预警研究趋势
目前国际上在农作物病虫害监测预警方面的发展趋势是: 利用昆虫雷达、卫星遥感等技术开展农作物病虫害的遥感监测,结合灯诱、性诱和田间调查,获得田间农作物病虫害发生为害的动态数据。
在准确及时监测的基础上,通过地理信息系统分析,结合人工智能、模型和专家系统,进行病虫害发生为害的预警和防治决策制定;通过计算机网络信息系统和电视预报系统等进行信息发布,以指导农业生产防治工作。
在遥感监测方面,将地面高光谱遥感与GPS 等技术相结合,监测农作物病虫害发生为害动态;研究高光谱遥感、低空遥感和卫星遥感在重大病虫害预警中的应用。主要工作: ①利用地面高光谱仪研究农作物受不同程度病虫害等为害后其冠层的光谱变化规律,建立病虫为害与高光谱反射率的监测模型。②结合GPS 实地调查,探索研究利用低空高光谱遥感和卫星遥感监测病虫害发生为害动态,建立病虫为害与遥感图像变化间的关系模型。
在昆虫雷达监测方面,利用昆虫雷达监测棉铃虫、水稻褐飞虱、麦蚜等害虫的发生为害动态,探索其空中的季节性迁飞扩散规律,以及空中运转和降落与大气环流、降水等的关系。主要工作: ①利用垂直监测昆虫雷达和扫描昆虫雷达,配合高空探照灯、地面诱虫灯、系留气球和田间调查,对我国主要的农业迁飞性害虫棉铃虫、水稻褐飞虱、麦蚜等的发生为害动态进行实时监测,建立昆虫迁飞与消长情况动态数据库。②利用探空仪对低空气流和气温等参数进行遥测,结合气象部门的大区气流等高空数据,研究高空气流与昆虫迁飞、扩散之间的关系,明确气流对昆虫迁飞的影响。③研究昆虫雷达数据自动采集、分析和处理技术,以实现昆虫雷达图像回波自动识别和处理,以及迁飞性害虫暴发为害的田间自动化监测。
在病虫害预警方面,利用地理信息系统技术和模拟模型技术,建立重大病虫害区域性暴发为害地理信息系统和早期预警模型,研究暴发成灾的风险分析技术并制定风险治理对策,开展暴发成灾的早期预警。主要工作: ①利用重大病虫害区域性暴发的历史数据、地形地貌数据和生产季节中的植被数据、气象数据,对病虫害发生过程建立统计模型。在地理信息系统数据平台和现代统计方法的支持下,分析各种因素在病虫害暴发成灾过程中的贡献程度以及各因子之间的相互关系。为揭示农作物病虫害暴发为害机理提供必要的统计依据。②结合室内和田间试验结果、区域性大尺度监测结果,以及统计模型分析结果,研制暴发成灾动态机理模型和早期预警模型,建立相应的信息系统,提供农作物病虫害预警与治理的决策支持。③开展农作物病虫害区域性暴发成灾的风险分析,研制暴发成灾风险评估系统,开展标准化的定性定量风险评估,为区域性病虫害暴发成灾提供风险治理对策。
……
