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人类在长期治理蝗灾的过程中,积累了很多经验和做法,主要包括野外人工目测手查的单点监测方法,以及有限范围和气象数据预测方法。传统的地面蝗虫灾害防治工作耗时费力,效率不高,不能完成对蝗虫的大范围同步监控和管理,相应作物受灾区域范围内的损失情况也不能及时获取。
3S技术应用于蝗灾防治
RS、GIS和GPS等技术的成熟和集成应用,特别是高光谱遥感技术在农业中的广泛使用,可以为管理者提供及时、准确的蝗灾防治决策信息,大大提高监测能力,实现对蝗灾的早期预警和疫情控制。同时,传统的监测调查作业方式及手工做图的作业方式得以改进,操作趋向自动化和简单化,减少了人工劳务投入。
科学、及时、到位的监测是治理蝗灾的基础。蝗虫个体较小,通过卫星遥感的方式直接对其进行监测难度很大,而由于蝗虫的生长发育和其栖息地关系十分密切,因此,研究通常采用对蝗虫生境的监测,间接实现对蝗灾暴发区域的追踪。
生境(habitat),是指物种或物种群体赖以生存的生态环境,包括生物生活的空间和其中全部生态因子的总和,如光照、温度、水分、空气、食物和天敌等。土壤质地、温度、水分和盐分含量等众多因素,均会影响蝗虫的发生和地理分布。通过对土壤、植被等生态因子的遥感反演,开展蝗虫与其生境因素关系的定量综合研究,能够揭示蝗灾发生的内在原因和与外界环境条件的关系机理,特别是能够得出蝗虫发生与生境因子的时空动态变化规律。
农业遥感的基本原理是,遥感影像的红波段和近红外波段的反射率及其组合与作物的叶面积指数、太阳光合有效辐射、生物量具有良好的相关性。相对常规遥感技术,近年来不断应用的高光谱遥感技术能够提供更为精确的反演,与正常作物高光谱曲线相比,遭受虫害的作物高光谱曲线会发生改变,可见光波段和近红外波段之间的变化尤为明显。蝗灾发生时,大量植被被蝗虫啃食,叶绿素被严重破坏,叶片细胞大小、形态和叶片结构都受到影响,从而改变了叶片和冠层的光学特性,植物在红光波段的吸收率下降,近红外波段的反射率下降,最终导致NDVI降低。
NDVI(Normalized Difference Vegetation Index),即归一化植被指数,数值上等于近红外波段的反射值与红光波段的反射值之差比上两者之和。NDVI可以反映植被光合作用的有效吸收情况,另一方面也能反映作物长势、叶面积指数(LAI),是反映农作物长势和营养信息的重要参数之一,也是蝗虫遥感监测中经常采用的算法,NDVI数值越大,表明植被覆盖率越高,植物长势越好。虽然NDVI对土壤背景的变化较为敏感,但由于NDVI可以消除大部分与仪器定标、太阳角、地形、云阴影和大气条件有关辐照度的变化,增强了对植被的响应能力,是现存40多种植被指数中应用最广的一种。
珠海欧比特宇航科技公司利用“珠海一号”高光谱卫星遥感,对巴基斯坦俾路支省东北区域2020年1-2月份的NDVI进行动态监测,根据长时间序列的卫星数据分析农田植被的变化情况,从而判断发生蝗灾的农田范围和受灾程度。如下系列图所示:
图中接近于0的部分是道路和裸土,绿色较密集区域表示植被覆盖较好。从2010年1月到2月底的NDVI动态专题图变化情况可以看到,整个研究区农作物NDVI值从1月初到2月18日呈现逐渐增长趋势(1月24日--1月29日受下雪低温影响停止增长),在2月28日时整个研究区的农作物NDVI值整体大幅减小,大幅度减小的原因最有可能是农作物遭受到蝗虫的啃食。
上述动态变化表明,蝗虫危害前后NDVI值的变化可以在一定程度上反映作物是否遭受灾害,鉴于此,可以对受灾区域作定期监测,同样以NDVI指数作为参评标准,作为产量评估和虫害评估的重要依据,这对于实时监测虫害分布和作物生长情况,及时采取施策具有重要意义。GPS技术在蝗灾防治中,主要用于精确定位蝗虫发生的地理位置,另外,由于蝗虫属于迁分类害虫,GPS具有的实时回传功能可以确定其迁飞路径的准确数据,从而帮助实现科学的综合防治,同时GPS也可用作飞机防治时的导航仪。
GIS是“3S”技术的核心,是处理分析各类空间数据、获取虫害分布图等可视化信息的基础。首先,GIS可以实现对蝗灾的动态研究,根据历史上累积的统计数据,进行空间定位,并进行不同的数据层,通过比较和空间叠加分析,能够探索出蝗灾的发生规律,此外,GIS的绘图功能,让人们对虫害的总体发生情况了解得更加形象和直观。其次,结合遥感图像数据,认定受灾区域像素点,经过GIS数据分析,可以确定蝗灾发生的范围、面积和灾情程度,并推算出经济损失,从而完成蝗灾的灾害评估。最后,通过遥感技术与GIS的结合,可以完成对蝗灾防治方法的评估。曾经有学者将遥感影像和GIS结合用于大范围杀虫剂效用的评估,并评价了舞毒蛾两种防治方法的效果。
防患未然防控工作在部署
虽然本轮流行的沙漠蝗虫灾害入侵我国的可能性较小,但仍不可掉以轻心。为预防今年6月份更大规模的蝗灾有可能迁飞至我国,从云南、新疆等地入境的情形,做到防患于未然,我国地方农业部门和科研单位也做了大量准备工作。
3月18日,云南省林草局制定《云南省沙漠蝗林草灾害监测方案(试行)》,方案要求,各地要综合利用地面人工监测、地面定点监测、无人机监测、卫星监测等四类技术手段进行防控。当蝗虫逼近我国或侵入时,即可通过卫星遥感技术进行空间大尺度监测,实现实时传输相关数据给地面的工作人员,使相关部门迅速完成应对。
针对本轮蝗灾灾情,中国科学院空天信息创新研究院(中科院空天院)的研究团队对沙漠蝗虫繁殖、迁飞的时空分布,以及印度和巴基斯坦边界沙漠蝗虫迁飞入侵中国的预测路径开展分析研究。研究结果表明:当前受东北季风和青藏高原阻隔的影响,印巴边界的沙漠蝗虫侵入中国的概率不大;如果巴基斯坦和印度等国的沙漠蝗虫得不到有效控制,蝗灾持续发展,沙漠蝗虫受印度洋西南季风影响,从印度经孟加拉国迁飞至缅甸,将不排除2020年5月至6月入侵中国云南和西藏境内的风险,再加上中国本土东亚飞蝗的综合危害,中国粮食安全会受到严重威胁。中科院空天院呼吁,我国需持续开展大面积蝗灾动态监测预警并开展多国联合防控,以保障国家粮食安全和区域稳定。
文/田金强 图/珠海欧比特字航科技股份有限公司
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