遥感技术与应用, 2023, 38(1): 97-107 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2023.1.0097

青促会专栏

水稻病虫害遥感监测与预测研究进展

袁德宝,1, 张冰瑞1, 叶回春,2,3, 黄文江2,3, 郑琼4, 郭安廷2,3, 段艳慧1, 黄珊瑜5

1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院,北京 100083

2.中国科学院空天信息研究院海南研究院 海南省地球观测重点实验室,海南 三亚 572029

3.中国科学院空天信息创新研究院 数字地球重点实验室,北京 100094

4.长沙理工大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410114

5.农业农村部规划设计研究院,北京 100125

Advances in Remote Sensing Monitoring and Prediction of Rice Diseases and Pests

YUAN Debao,1, ZHANG Bingrui1, YE Huichun,2,3, HUANG Wenjiang2,3, ZHENG Qiong4, GUO Anting2,3, DUAN Yanhui1, HUANG Shanyu5

1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China

2.Hainan Institute,Institute of Aerospace Information Research,Chinese Academy of Sciences,Sanya 572029,China

3.Aerospace Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China

4.Changsha University of Science and Technology,Coellece of Transportation Engineering,Changsha 410114,China

5.Academy of Agricultural Planning and Engineering, MARA. Beijing 1000125, China

通讯作者: 叶回春(1985-),男,浙江杭州人,博士,副研究员,主要从事农业遥感机理及应用研究。E⁃mail:yehc@aircas.ac.cn

收稿日期: 2022-02-11   修回日期: 2022-10-20  

基金资助: 2019年海南省基础与应用基础研究计划(自然科学领域)高层次人才项目.  2019RC363
国家自然科学基金项目.  52174160.  42001384
三亚市农业科技创新项目.  2019NK17
中国科学院青年创新促进会项目资助.  2021119

Received: 2022-02-11   Revised: 2022-10-20  

作者简介 About authors

袁德宝(1976-),男,河南信阳人,博士,副教授,主要从事GPS定位与导航研究E⁃mail:yuandb@cumtb.edu.cn , E-mail:yuandb@cumtb.edu.cn

摘要

病虫害现已成为水稻产量的最大制约因素之一,传统的植保技术主要依靠植保人员的视觉和经验,存在一定的主观性,且费时费力,难以满足大范围的实时监测需要。遥感技术的发展提供了一种大面积、全天候、多方位的数据快速获取手段,能够为病虫害的识别分类提供作物种植信息和环境信息,是实现对水稻病虫害进行大面积监测预测的重要手段。在阐述水稻病虫害遥感监测和预测机理的基础上,重点从多尺度遥感监测方法、预测方法、水稻病虫害监测与预测模型构建以及监测预测系统等多方面概述了水稻病虫害监测与预测的研究进展,并指出目前水稻病虫害监测与预测研究存在的问题及未来发展趋势。随着信息化农业的发展与多源数据的融合运用,趋向于精准化与智能化的水稻病虫害遥感监测与预测,将会越来越成熟。

关键词: 水稻病虫害 ; 遥感监测 ; 遥感预测 ; 方法与模型

Abstract

Diseases and pests have become one of the biggest constraints on rice yield. Traditional plant protection technology mainly relies on the vision and experience of plant protection personnel, which is subjective, time-consuming and laborious, and difficult to meet the needs of large-scale real-time monitoring. The development of remote sensing technology provides a large-area, all-weather, multi-directional data acquisition method, which can provide crop and environmental information for the identification and classification of diseases and pests, it is an important means to monitor and forecast rice diseases and pests in a large area. On the basis of expounding the mechanism of remote sensing monitoring and prediction of rice diseases and pests, this paper summarizes the research progress of rice diseases and pests monitoring and prediction from many aspects, such as multi-scale remote sensing monitoring method, forecasting method, construction of rice disease and pest monitoring and prediction models, monitoring and forecasting system, etc. , the existing problems and future development trends of rice disease and pest monitoring and prediction are prospected. With the development of information agriculture and the fusion of multi-source data, the accurate and intelligent remote sensing monitoring and forecasting of rice diseases and pests will become more and more mature.

Keywords: Rice diseases and pests ; Remote sensing monitoring ; Forecasting ; Methods and models

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袁德宝, 张冰瑞, 叶回春, 黄文江, 郑琼, 郭安廷, 段艳慧, 黄珊瑜. 水稻病虫害遥感监测与预测研究进展. 遥感技术与应用[J], 2023, 38(1): 97-107 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2023.1.0097

YUAN Debao, ZHANG Bingrui, YE Huichun, HUANG Wenjiang, ZHENG Qiong, GUO Anting, DUAN Yanhui, HUANG Shanyu. Advances in Remote Sensing Monitoring and Prediction of Rice Diseases and Pests. Remote Sensing Technology and Application[J], 2023, 38(1): 97-107 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2023.1.0097

1 引 言

粮食是保证国家国泰民安的最根本基础,粮食安全是国家安全的根基。然而,每年受病虫害的影响可导致粮食总产量减少1/4。中国作为农业大国,专家综合病虫源基数、作物种植制度、布局以及气候等因素预计2021年作物病虫害发生面积达14.28亿亩次1。喷洒农药在一定程度上能控制病虫草害等对作物的影响,约能挽回产量1/3的损失2。但是过度农药的喷洒极易造成环境污染、农药残留超标、农产品质量下降等问题3。因此,及时掌握病虫害发生位置、范围和严重程度是进行精准防治任务的关键4。水稻作为中国第一大粮食作物,种植面积约为0.3亿hm2[5,病虫害累计发生面积达1.97亿亩次6,对水稻病虫害进行实时监测、预测和及时防控,对中国粮食安全问题、环境污染防治问题等都具有非常重要的现实意义。

传统的作物病虫害监测方法主要是依靠植保人员肉眼观察,存在一定的主观性,且费时费力,时效性也差。随着遥感技术的发展,遥感方法成为病虫害监测的一种常用方法7。遥感是通过接收地物的辐射信息,对地物的性质、特征和状态进行分析。水稻在受到病虫害侵扰后,病虫害会破坏水稻的色素系统和细胞结构等,导致水稻内在生理生化参数和外在形态发生变化,遥感技术探测到的光谱信息也不同,因此,遥感技术能够用于水稻病虫害的监测8。目前病虫害的研究包括有胁迫与健康作物的分类、多种病虫害同时发生时的有效识别、病虫害发生严重程度的定量分析以及病虫害发生的早期检测9,而且研究范围从叶片尺度逐渐扩大到田块尺度以及区域尺度,天空地遥感技术的发展为精准农业提供了精确的多源数据。中国发射的一系列高分辨率卫星和欧洲太空局发射的哨兵系列等卫星大大缩短了对地观测的周期,连同中国的风云系列、资源系列、环境系列等卫星以及大量商业卫星构筑了一个高频度、高空间分辨率、多谱段、全覆盖的对地观测系统10。无人机平台和轻小型无人机载遥感传感器的不断突破不仅极大提高了观测分辨率,同时为一些地块破碎及多云多雨的区域提供了更灵活的数据获取手段4。地面遥感技术如地面近红外遥感技术、地面高光谱遥感技术的发展进一步提高了作物病虫害监测及其胁迫严重度的检测精度11,并且使病虫害的早期监测成为可能。且随着遥感技术、数据融合技术的发展以及遥感与作物病理学、作物生态学等联系的加强,使得遥感技术能进一步实现作物病虫害的预测。本文就水稻病虫害遥感监测预测机理、多尺度遥感监测方法、预测方法、模型构建方法及遥感监测预测系统等多方面对水稻病虫害遥感监测预测研究进展进行了总结,并就现有研究存在的问题及未来发展趋势进行了讨论。

2 水稻病虫害遥感监测与预测机理

遥感技术在水稻病虫害上的应用分为两部分:①水稻病虫害监测:基于光谱特征响应的遥感监测,病虫害胁迫前后水稻的光谱特征的变化是遥感监测的基础;②水稻病虫害预测:水稻病虫害的发生需要适宜的环境因素,地表温度、气象数据等因素与水稻病虫害的发生密切相关,可以将这些因素作为指标来预测病虫害的发生4

2.1 水稻病虫害遥感监测机理

水稻在病虫害胁迫条件下光谱反射率变化是进行遥感监测的基本依据4。健康水稻光谱特征在可见光波段,受叶绿素影响,吸收多,反射少;在近红外波段,受到叶子内部细胞结构的影响,光谱反射率较高12。可见光波段和红外波段常用于水稻病虫害的识别,如:李波等使用原始分段光谱可见光(490~670 nm)、短红外(520~1 750 nm)进行PCA主成分提取,第一、第二主分量累计贡献率可达95%以上,采用第一、第二主分量作为输入向量进行PNN训练,当SPREAD=0.1时,PNN的分类精度最高,总体分类精度高达95.65%13;Feng等14使用可见/近红外高光谱、中红外光谱和激光诱导光谱3种光谱对水稻的白叶枯病、稻瘟病和水稻纹枯病多种病害进行了研究,结果表明基于全谱段的可见/近红外高光谱选择最优分类模型精度高达100%,中红外光谱测试集最高准确率为96.88%,激光诱导光谱最高准确率为86.54%;Ghobadifar等15使用SPOT5影像监测水稻纹枯病,基于近红外波段和红波段分别构建了NDVI、RVI、SDI植被指数,结果表明这些指数都可以用于水稻纹枯病的监测。

病虫害胁迫会破坏水稻色素、细胞结构等,水稻叶片发育不良,有病虫害造成的明显病斑虫伤、叶面积减少、叶片枯黄脱落等外在症状16,这些症状能够被遥感传感器监测到,形成光谱图像特征,进而用于识别水稻病虫害,如:Zhang等17使用RGB图像和多光谱图像能够检测出水稻纹枯病;Fan等18在对二化螟的研究中,基于灰度共生矩阵提取了高光谱图像的均值、方差、同质性、对比度、相异性、熵、二阶矩和相关性一系列纹理特征,并对比了基于全光谱、特征波长、纹理特征和特征波长融合的二化螟侵染度评估模型,结果表明基于特征波长和纹理特征融合的模型取得了最好的性能;Phadikar等19提出了一种基于费米能量的图像分割方法,将图像的感染区域从背景中分离出来,根据现场专家的意见,利用感染部位的颜色、形状和位置等特征来表征疾病症状,然后使用约简算法,选择特征(共14个),最后利用所选特征,建立了覆盖所有病株图像的规则库分类器。水稻病虫害监测能够实现病虫害的精准定位,为精准施肥,及时防控提供理论基础。

2.2 水稻病虫害遥感预测机理

病虫害的发生是需要一定的生态条件来支撑的,病害的发生离不开温度、湿度等环境因素,虫害的发生多是与空间分布、气候变化等有关20。如低温高湿环境,容易引发甘蔗凤梨病21,且小麦在该环境条件下,可能会导致白粉病、锈病等病害情况更加严重22;粘虫具有春季北迁的特点,且若温度环境升高达2.69 ℃,则粘虫会有一个快速的生长发育阶段23。遥感技术作为获取空间连续观测的重要手段,在获取作物生物物理状态和生境特征信息方面有巨大的潜力,信息技术和卫星图像的发展极大地改善了生境监测14。水稻病虫害预测主要是基于多源数据融合、特征与模型方法构建研究等实现的。Zhang等24在对小麦白粉病的研究中指出相较于仅使用气象数据(如降水、温度、太阳辐射、湿度等),利用遥感和气象数据构建的综合模型预测精度更高,总体精度从69%提升到78%。Yuan等25基于Worldview 2和Landsat 8卫星数据提取植被指数(GNDVI和VARIred)和环境特征(湿度、绿色度和LST)来评估作物病虫害,与仅基于植被指数的模型相比,结合植被和环境指数的FLDA模型在作物病虫害发生预测方面更为准确(准确率分别为71%和82%)。石晶晶26研究了长江三角洲地区水稻稻飞虱与生境因子的关系,使用了MODIS、Landsat、GDEM、TRMM等数据反演水稻的空间分布、植被指数、气温、降水等生境因子,并采用多元统计法实现了对稻飞虱危害等级的预报预测。田洋洋等27使用了水稻纹枯病病害调查数据、光学遥感数据和气象数据等多源数据,反演了与病害相关的生境因子并建立了病害等级评价模型。水稻病虫害遥感预测技术利用多源数据与适宜水稻病虫害发生发展的生境因子,如地表温度数据、气象数据、水稻种植范围等,综合作物特征与生态环境构建预测模型,对病虫害的发生发展进行预测。

3 基于不同数据源的水稻病虫害监测方法

近年来,随着遥感技术的发展,我们不仅能够使用地面遥感数据,而且基于航空、航天平台的遥感数据也能够被获取,用于作物病虫害遥感监测研究中。基于近地面的遥感观测技术能够获取作物叶片或冠层光谱数据,适用于针对性的研究病虫害对作物植株造成的影响;基于航空平台的遥感观测技术能够对田块尺度的作物光谱进行监测,相对于近地面遥感,其观测范围相对较大,但空间分辨率也相对较低;基于航天平台的遥感技术适用于对区域尺度的作物病虫害的遥感监测识别,其观测范围广,且能连续观测,但其空间分辨率也是最低的,对复杂地形作物病虫害的监测精度会有一定影响。

3.1 基于近地的水稻病虫害遥感监测方法研究

近地水稻病虫害遥感监测多是使用高光谱遥感技术针对水稻叶片尺度以及冠层尺度监测的技术。高光谱遥感技术因其丰富的窄波段信息,更多的保留了水稻的光谱细节信息,受到广大研究者们的青睐。Liu等28使用高光谱数据,在对健康和受稻纵卷叶螟胁迫的水稻的光谱特征研究中发现受胁迫水稻叶片在可见光区(430~470 nm、490~610 nm和610~680 nm)和一个短波红外区(2 080~2 350 nm)具有较高的反射率,在近红外(780~890 nm)和短波红外(1 580~1 750 nm)波段的反射率较正常叶片低;万泽福29使用单叶的高光谱成像数据,反演稻瘟病感染前后的水稻生化参数,并以水稻生化参数作为支持向量机(SVM)的输入特征,实现了对感病和健康样本的分类,分类精度可达90%以上;Huang等30使用高光谱数据研究了基于叶片尺度的稻纵卷叶螟有7个敏感光谱区:503~521 nm、526~545 nm、550~568 nm、581~606 nm、688~699 nm、703~715 nm和722~770 nm,基于冠层尺度的稻纵卷叶螟有1个敏感光谱区:747~754 nm,选用了同稻纵卷叶螟侵染相关性高的指数构建了线性回归模型;黄建荣31使用高光谱数据在冠层尺度上对不同生育期的水稻褐飞虱的胁迫进行了研究,构建了基于光谱指数的多元回归模型。近地水稻病虫害监测为水稻病虫害监测提供了理论基础。但是,受实际生产及应用需求,水稻病虫害的研究更倾向于田块尺度及区域尺度发展。

3.2 基于航空的水稻病虫害遥感监测方法研究

针对田块尺度的水稻监测,特别是破碎的田间地块,无人机遥感技术相对来说是最合适的监测方法。无人机遥感不需要人为操控驾驶,可实现对目标的连续拍照监测,实时监测目标情况。田明璐等32使用基于无人机的多光谱遥感对稻纵卷叶螟危害水稻的程度进行了研究,结合敏感光谱波段(560 nm、717 nm、840 nm、668 nm)和植被指数(NDVI、DVI),建立的模型能够实现对稻纵卷叶螟的识别;袁建清33使用无人机获取的多光谱遥感影像,构建水稻穗颈瘟区分模型,能够实现田块级的病害区分填图和区域病害填图;孙盈蕊34在田块尺度上使用无人机机载的高光谱非成像监测仪对水稻病虫害胁迫严重程度的光谱进行分析,在近红外波段,病虫害等级越高,水稻光谱反射率越低,利用PNN建立了病虫害严重程度的反演模型,能够实现水稻田病虫害的精准监测;Liu等35使用无人机高光谱传感器,获取水稻孕穗期的冠层光谱反射率,并使用新开发的双波段光谱指数(R490-R470)、三波段光谱指数(R400-R470)/(R400-R490)和已经公开发布的光化学反射光谱指数(R550-R531)/(R550+R531)建立回归模型,实现了对水稻卷叶率的估算;Qin等36使用机载的宽带高分辨率数据,分析水稻纹枯病胁迫前后的光谱变化,通过对植被指数和疾病指数的分析,构建了新的图像指数RSI,用于定量评估稻纹枯病感染程度。无人机遥感具有灵活、高时空分辨率的特点,已经在小区域范围的作物病虫害监测得到了广泛的应用。但是由于受无人机续航能力、观测时间等的限制,对于大面积区域尺度的水稻监测仍有一定的局限性。

3.3 基于卫星的水稻病虫害遥感监测方法研究

近些年,随着科技的发展,国内外接连发射了大量卫星,包括有国外的Landsat、WorldView、PlanetScope等以及国内的资源卫星、高分卫星、风云卫星等。卫星遥感具有观测范围广、数据采集快和重复、连续观测的特点,适用于区域尺度的水稻病虫害监测。Shi等37使用PL卫星获取的多光谱数据提出构建归一化两阶段植被指数,结果表明,归一化两阶段植被指数有较好的识别能力,并基于PL卫星图像,用VIs作为输入变量,PLS-DA为制图框架,绘制疾病分布图,与野外调研结果高度一致;唐倩38将高光谱数据和高分二号遥感多光谱数据结合实现了对稻纵卷叶螟的严重程度的反演;Yuan等25基于Worldview 2和Landsat 8卫星数据提取植被指数和环境特征实现对作物病虫害的预测;Ghobadifar等39研究指出SPOT图像可以通过识别植物叶片中叶绿素含量和绿色程度来显示田间受感染作物的粗糙散射,利用这些指标特征可以明确区分褐飞虱和纹枯病感染的水稻和健康水稻的阈值。然而卫星遥感因为其探测范围大,相应的空间分辨率相对较小,且光谱分辨率也有一定的限制,虽然卫星也能携带高光谱传感器如EO-1 Hyperion卫星、高分五号卫星等,但是由于受数据量以及空间分辨率的限制,多是用在研究中,较难大范围广泛投入到于实际应用中。

4 水稻病虫害遥感监测与预测模型构建方法研究

水稻病虫害的遥感监测识别都是在监测模型的基础上实现的。常用的数据驱动型的遥感监测与预测模型主要有统计分析模型、机器学习模型两大类,典型模型如表1所示,同时,过程机理和知识图谱等方法在水稻病虫害遥感监测与预测中也有很多应用。

表1   遥感监测与预测典型模型

Table 1  Typical models of remote sensing monitoring and prediction

病虫害名称建模方法文献出处
稻颖枯病主成分分析(PCA)、学习矢量量化(LVQ)[41]
褐斑病多元逐步回归(MSR)、主成分分析(PCA)、偏最小二乘回归(PLS)[40]
稻瘟病线性判别分析(LDA)、K近邻模型(K-NN)、支持向量机(SVM)[45]
纹枯病线性回归(LR)、决策树(CART)[51]
叶枯病、稻瘟病和纹枯病支持向量机(SVM)、逻辑回归(LR)、卷积神经网络(CNN)[14]
白叶枯病、纹枯病和稻瘟病支持向量机(SVM)[43]
白叶枯病、褐斑病、窄褐斑病和稻瘟病支持向量机(SVM)[47]
褐飞虱多元线性回归(MLR)[55]
二化螟反向传播神经网络(BPNN)、线性判别分析(LDA)[18]
褐飞虱和稻纵卷叶螟多元线性回归(MLR)[42]
稻干尖线虫病、稻纵卷叶螟概率神经网络(PNN)[13]
病虫害卷积神经网络(CNN)[44]

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(1)统计分析模型。Liu等40使用多元逐步回归分析、主成分回归分析以及偏最小二乘回归分析反演水稻褐斑病的严重程度,结果表明偏最小二乘回归分析效果最好。Liu等41在对稻颖枯病的研究中,使用主成分分析、方差分析、人工神经网络分析对稻颖枯病严重程度进行了分析。Yang等42在对褐飞虱和稻纵卷叶螟对水稻侵染严重程度的研究中,使用多元线性回归分析,结果显示,具有两个以上SCs的模型在鉴别虫害严重程度方面效果更好。统计分析方法对数据具有很强的依赖性,通用性不是很好,但因其原理简单、计算方便受到研究者们的青睐。

(2)机器学习模型。机器学习模型又可以分为经典机器学习模型和深度学习模型。经典机器学习模型包括有KNN、决策树、SVM等模型算法,应用在水稻病虫害监测,如:Yao等43使用SVM实现了对水稻白叶枯病、纹枯病和稻瘟病等病害的检测和区分,准确率达到97.2%;Suman等44基于遥感影像病叶的颜色和形状特征使用SVM实现了对水稻白叶枯病、褐斑病、窄褐斑病和稻瘟病的分类;Tian等45将线性判别分析(LDA)、K近邻模型(K-NN)、SVM 机器学习模型用于对水稻稻瘟病早期监测识别的研究。然而经典机器模型算法更多是依靠经验选择特征对病虫害监测识别,容易受人为特征选择的影响46。深度学习模型的发展,则较好地改善了这一问题,其明确特征学习的重要性,利用大数据学习特征,能更好应用于图像识别和分类,如:Rahman等47基于卷积神经网络模型对水稻病虫害进行研究,其中对VGG16和InceptionV3等最先进的大规模体系结构进行微调,结果表明在实际数据集中是有效的,然后提出了两阶段小型CNN架构,所提出的结构能够达到预期的准确率93.3%,且模型尺寸明显减小;He等48针对褐飞虱提出了基于双层的快速R-CNN检测算法,在不同数目和不同虫龄的检测中平均准确率分别为94.64%和92.92%;钟昌源等49通过结合语义分割两大类模型框架的优点,提出分组注意力模块,构建了农作物病害的实时语义分割模型,分割像素精度可达93.9%。机器学习方法是一种不依赖于规则设计的数据学习算法,近年来常用于进行回归分析和解决分类问题,但是其也存在计算复杂且收敛慢等问题。

(3)过程机理和知识图谱方法。水稻病虫害的遥感监测识别是基于病虫害胁迫前后水稻光谱变化实现的,病虫害胁迫造成的水稻叶片色素和细胞结构等功能失调,使得遥感技术检测到的光谱也发生了变化。可见—近红外光谱响应特征和荧光波段光谱响应特征是水稻病虫害遥感监测的两个主要光谱特征,如:很多学者基于可见光—近红外波段光谱响应特征分别实现了对二化螟、水稻纹枯病、褐飞虱等病虫害的监测50-52;Hao等53研究表明白叶枯病侵染会导致水稻光合性能降低,且对叶绿素荧光Fm和Φ有显著影响,指出叶绿素荧光可用于植物病害的无损监测。知识图谱模型方法通过整合病虫害常用得识别特征如形状、颜色、纹理等特征,构建知识图谱模型,在该模型基础上,对病虫害进行监测识别。如Ferentinos54使用plant village数据集和互联网上3万多张田间图片组成数据集,在对健康作物或作物病虫害识别中,最佳性能达到了99.53%。

5 多时相遥感数据与生境数据结合的水稻病虫害预测方法研究

中国植保工作长期以“预防为主,综合防治”作为指导方针,因此对水稻病虫害发生的早期预测是防治工作的关键。病虫害的发生发展如病菌孢子的繁殖、传播、侵染,以及虫卵的出土、羽化、成虫等也是长时间过程,而且需要适宜的景观格局和生境条件11。多时相影像具有连续且丰富的波段信息,通过分析可得到受到病虫害侵染的作物在时间序列图像中的一些光谱特征的时间轨迹24;作物病虫害的发生发展和局部爆发是随着周围的生境条件动态变化56,因此结合多时相遥感数据与生境数据能够提高对作物病虫害的早期监测预警能力。Wolter等57利用多时相遥感影像,实现了对云杉卷叶蛾寄主的生境参数的反演;Goodwin等58利用多时相陆地卫星影像,实现了对受到甲虫侵扰的松树的分类;Eklundh等59发现MODIS时间序列影像能够用于定位松林昆虫危害斑块;Zhang等24采用多时相影像,通过分析提取了光谱的时间变化信息,实现了对区域尺度小麦白粉病的监测。在水稻方面:Zhang等60使用安徽、江苏、浙江等9个地区的20幅Landsat TM-8遥感影像进行景观分析,提取了斑块密度、分形维数、景观破碎化指数等景观特征指标,并与水稻纹枯病的发生和流行相联系,结果表明,景观指标可以作为区域水稻纹枯病发生和流行的重要指标;陈冰等61对2000~2018年广东省化州市发生以及流行的水稻病虫害与气象条件关系及预测模型进行了系统的概述,表明水稻病虫害的发生和流行与气象条件密切相关;Chen等62研究表明相对湿度的最小值、最大值、极差和平均温度对稻瘟病的预测有着显著的影响,通过物联网(获取湿度、温度等数据)和人工智能技术实现了对水稻稻瘟病的预测;Ghobadifar等63使用SPOT5影像和气候数据构建了水稻褐飞虱监测模型,结果表明,温度和相对湿度是影响田间褐飞虱侵染的两个重要因素;沈颖等64在分析水稻白叶枯病流行原因时指出通过整理分析白叶枯病发生危害、气候条件等资料,构建模型,可对白叶枯病的发生发展进行预测。遥感数据与生境数据结合,以遥感数据为基础结合满足水稻病虫害环境适宜性的生境数据,更贴合作物生长特性,对于水稻病虫害的早期预测与及时防控有一定的积极作用。

6 水稻病虫害监测与预测空间信息系统及应用

病虫害的监测预报是科学防治和精准用药的基础,建立监测预警系统应当是面向建立一种能够实现对病虫害持续、高效监测,能够及时提供相关信息,实现信息共享和综合防治,集自动化和智能化一体的系统。曾弟先等65基于深度学习的TensorFlow框架构建了卷积神经网络图片识别平台,用户上传病虫害图片,平台能够自动进行识别分类。姚青等66设计的农业病虫害图像采集与诊断系统,包含图像采集和图像处理两部分,实现了水稻纹枯病的田间实时监测,准确率为83.5%。陈继光等67研发了基于黑龙江农作物病虫害的监测系统,系统由Web在线监测系统和Android终端调查系统两块组成,基于GIS对病虫害等级进行分析预测。邵泽中68开发了稻田病虫害智能诊断APP客户端,能够用于对稻田49种害虫和47种病害的识别,还包含专家诊断功能和历史记录功能等,给基层测报人员和农民在稻田病虫害的识别上提供了极大的便利。刘万才等69提出对于水稻迁飞性害虫和具有传播能力的病害实行跨区域和跨境监测,该监测体系的构建,明显提高了水稻病虫害的监测预警能力。成都市“四情”监测系统是包含气象数据和视频数据等,可以实现对作物的生长状况及生长环境等的监测70。空天信息创新研究院发布的病虫害遥感监测与预测系统,使用多源数据如遥感数据、气象数据等,实现了植被病虫害的监测与预测71。韩国京畿道农作物种植户开发了基于网络的植物病害预测信息系统,该系统由气象数据采集系统、作业处理系统、数据存储系统和Web服务系统四部分组成,能够精确到个别农场每日或每小时的染病风险,用于指导农民种植72。Che'ya等73指出基于频谱分析的移动应用系统在作物病虫害管理中具有重要作用,能够用于病虫害早期感染监测,并及时给出治疗方案和预防措施,以防止进一步感染。作物病虫害作为一种生物胁迫,具有高度动态性的特点4,遥感监测预警系统应当加强多源遥感数据的综合使用,搭建能满足大尺度病虫害发生情况的实时动态监测预警平台。以上病虫害监测与预测系统在满足对水稻病害与虫害种类及严重程度识别的基础上,还具有图片上传以及图片识别等功能,极大地方便了基层测报人员及农民的使用。病虫害监测与预测系统的建立,极大地促进了农业的智慧与自动化管理。

7 现存问题和未来发展趋势

随着技术的发展,遥感技术在水稻病虫害的监测预测中的运用将会越来越流行。通过中国知网和Web of Science两个数据库平台中,综合主题“水稻”AND“病害”AND “光谱”以及主题“水稻”AND “虫害”AND “光谱”进行从2000~2022年文献搜素,汇总如图1,从图中可以看出近些年来使用遥感方法对水稻病虫害进行的研究在逐渐增多,但是对比虫害和病害研究,虫害研究相对较少。并针对水稻病虫害如稻瘟病、稻曲病、白叶枯病、褐斑病、颖枯病、稻叶夹病、纹枯病、细菌性条斑病、胡麻斑病、稻飞虱、二化螟、稻纵卷叶螟、稻干尖线虫一系列的病虫害研究文献进行了汇总,如图2,可以看出部分病虫害如颖枯病、稻叶夹病等研究相对较少。

图1

图1   水稻病虫害光谱分析相关研究文献数量年纪动态变化

Fig.1   Age dynamics of the number of literatures related to spectral analysis of rice diseases and pests


图2

图2   病虫害多样性研究文献占比

Fig.2   Proportion of literature on diversity of rice pests and diseases


通过对现有水稻病虫害遥感监测预测研究的了解,就该研究存在的一些重要问题及未来发展趋势进行讨论:

(1)病虫害专属光谱响应特征认识不足。病虫害胁迫使得水稻生理生化参数发生变化引起光谱变化,而在野外实地监测中,水稻不仅会受到病虫害的胁迫,同样还可能会存在非生物的胁迫。非生物胁迫同病虫害胁迫引起水稻光谱变化的生理机制相似,可能会造成同病虫害胁迫相似的光谱响应特征,因此要加强对病虫害胁迫的专属光谱特征的认识,构建光谱特征库,对在复杂的农田环境进行病虫害遥感监测具有实际意义。

(2)多时相遥感数据与生境数据结合。病虫害的发生是一个过程,受病害胁迫水稻的光谱特征形成的时间特征会有更为显著的信号变化;虫害在早期密度小,且位置隐蔽,难以被遥感方法监测识别。多时相遥感数据与生境数据结合,能够实现对水稻病虫害的实时动态监测与预警。

(3)在大数据背景下,整合多源数据,构建水稻病虫害监测预测系统,是对大区域的病虫害监测预测的一种重要手段。将叶片、冠层等中小尺度的研究应用到大区域范围时,当仅使用遥感技术对水稻病虫害进行监测预测,由于数据分辨率变化等局限性,其监测预测精度相对较低。整合多源数据,推动如物联网、环境信息采集等非遥感技术与遥感技术结合,构建的水稻病虫害监测预测系统,能够在一定程度上解决单一数据源造成的精度较低的问题。

8 结 论

随着农业信息化的推进以及科技的发展,使用遥感技术对病虫害监测识别也将会朝着精准化、智能化等方向发展。本文就水稻病虫害遥感监测机理,即水稻受到病虫害胁迫后的光谱变化是遥感监测的基本原理,且结合气象数据、生境因子和遥感数据等多源数据可以实现对大区域病虫害的预测,基于多尺度介绍了水稻病虫害的遥感监测方法和预测方法的研究以及模型方法的构建,对现有的监测预测系统进行了梳理,并就现有技术的未来发展进行了展望。目前,基于遥感技术的水稻病虫害监测与预测技术受到越来越多的学者的研究和关注,然而,与在实验室条件下的科学研究相比,实际落地应用存在外部环境条件、数据获取、应用区域等的不确定性,因此,科学研究与实际落地应用之间仍然存在一定的差距。未来,随着水稻病虫害遥感监测与预测机理的不断清晰,通过多源信息的挖掘与融合,可实现对水稻病虫害时空动态精准监测与有效预测。

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