作物病虫害遥感监测与预测

《作物病虫害遥感监测与预测》可供从事农业信息技术、“3S”技术应用、农业植物保护、农业气象及农业推广部门工作者参考，也可作为农林业等科学领域的科研和教学人员的参考书。

《作物病虫害遥感监测与预测》是作者多年来从事农作物病虫害研究与应用的成果。《作物病虫害遥感监测与预测》涉及的内容主要反映了2010年以来作者所在研究团队在中国科学院“百人计划”项目、遥感与数字地球研究所所长创新基金、国家863计划、国家自然科学基金、国家科技支撑计划、公益性行业（农业）科技专项、北京市自然科学基金等项目支持下，与多家科研、教学和应用示范单位通力合作取得的科研成果。《作物病虫害遥感监测与预测》系统介绍利用遥感、地理信息系统，结合农学、植物保护学、农业气象学和数学等学科对主要作物病虫害开展遥感监测与预测研究及构建遥感监测和预测系统。《作物病虫害遥感监测与预测》由五部分组成。**部分介绍作物病虫害遥感监测与预测研究意义与现状；第二部分介绍非成像光谱技术监测作物病虫害研究；第三部分介绍成像遥感技术监测作物病虫害研究；第四部分介绍作物病虫害遥感预测研究；第五部分介绍作物病虫害遥感监测与预测系统。

 

目录《地球观测与导航技术丛书》出版说明序前言**部分作物病虫害遥感监测与预测研究意义及现状第1章绪论31.1研究意义31.2作物主要病虫害危害与特点41.3研究现状91.4作物病虫害遥感监测与预测研究评述16参考文献17第2章作物病虫害遥感监测机理与方法222.1作物病虫害胁迫生理机制与光谱响应特性222.2作物病虫害光谱特征提取282.3作物病虫害遥感监测算法40参考文献52第二部分非成像光谱技术监测作物病虫害研究第3章作物病害非成像遥感监测研究653.1小麦条锈病高光谱遥感监测653.2小麦白粉病高光谱遥感监测753.3水稻胡麻叶斑高光谱遥感监测953.4棉花黄萎病高光谱遥感监测102参考文献115第4章作物虫害非成像遥感监测研究1204.1稻纵卷叶螟高光谱遥感监测1204.2小麦蚜虫高光谱遥感监测127参考文献145第5章作物病虫害遥感区分研究1475.1作物病虫害与养分胁迫遥感区分方法1475.2作物不同病虫害类型遥感区分方法162参考文献178第三部分成像遥感技术监测作物病虫害研究参考文献190第6章作物病虫害成像高光谱遥感解析1916.1小麦条锈病图谱解析1916.2小麦白粉病图谱解析1966.3小麦蚜虫图谱解析201参考文献210第7章作物病虫害多光谱遥感监测研究2117.1小麦条锈病多光谱卫星遥感监测2117.2小麦白粉病多时相卫星遥感监测2207.3棉花黄萎病多时相卫星遥感监测2547.4小麦蚜虫多光谱卫星遥感监测2907.5玉米黏虫多时相卫星遥感监测301参考文献306第四部分作物病虫害遥感预测研究第8章基于病害流行条件的区域病害预测研究3138.1基于气象因素的作物病害中期预测3138.2耦合菌源、气象和遥感信息的病害预测方法3248.3小结334参考文献334第9章基于多源数据生境评价的病虫害预测研究3379.1基于多源数据小麦白粉病预测3379.2基于遥感数据和气象数据小麦蚜虫预测347参考文献353第五部分作物病虫害遥感监测与预测系统第10章作物主要病虫害遥感监测与预测系统35710.1病虫害监测与预测系统设计35710.2作物病虫害遥感监测与预测系统应用实例36410.3小结370索引371

**部分作物病虫害遥感监测与预测研究意义及现状第1章绪论1.1研究意义农作物病虫害一直以来是制约农业生产的重要因素，对作物的产量和品质造成较大的影响。据联合国粮农组织(FAO)估计，世界粮食产量常年因虫害损失10%，因病害损失14%左右。我国作为一个地形复杂、气候和种植结构多样的大国，农业生产受到多种重大流行性病害和迁飞性虫害的影响。特别是近年来，在全球气候变暖大背景下，伴随着各类灾害和异常天气的频繁出现，作物病虫害的分布范围和流行程度有明显扩大和增强趋势，这给病虫害的预警和防控工作提出了更加严峻的挑战。Piao 等（2010）分析了中国1971~2007年的作物病虫害发生面积及对应的农药施用量，发现病虫害发生面积在1971~2007年呈明显的增加趋势，从1971年的约1亿ha增加到2007年的约3.45亿ha，其中，1986~2007年增加速率较1971~1985年更快。同时，农药施用量也明显增加，从1971年的约60万t增加到了2007年的约130万t（图1-1）。另外，全国农作物病虫害监测网数据显示，2013年，我国全年生物性灾害发生面积达到73亿亩次1亩≈666.7m2。，其中，病虫害发生面积高达55.5亿亩，远超过鼠害（4.4亿亩）和草害（13.5亿亩）的发生面积，成为*严重的农作物生物性灾害。图1-11971~2007年作物病虫害发生面积及农药使用量在作物病虫害发生日益严峻的形势下，对病虫害进行大范围、快速、高精度的监测和预警是有效防控的关键。目前作物病虫害的监测和预警主要还是依赖植物保护人员的田间调查、取样等方式。这些传统方法虽然真实性和可靠性较高，但耗时、费力，且存在代表性、时效性差和主观性强等弊端，已难适应目前大范围病虫害实时高效的监测和预报需求。针对这一现状，我国2013~2015年的“中央一号文件”均强调推进农作物病虫害专业化统防统治，加强重大病虫害监测预警与联防联控能力建设，支持开展病虫害绿色防控，建立农业可持续发展长效机制的政策导向，这也从国家层面更清晰地提出了关于农业病虫害防控问题的需求和解决思路。在大范围病虫害监测和预报方面，遥感技术是目前**能够在大范围内快速获取空间连续地表信息的手段，成为一种农情获取和解析方面不可替代的技术。近年来，农业遥感技术在农作物估产、品质预报和农业灾害监测等多个方面有着不同程度的研究和应用。随着遥感传感器和遥感平台的快速发展，农业遥感的诸多研究成果正加快向应用转化的速度，在一定程度上改变了传统的作业和管理模式，并推动农业朝优质、高效、生态、安全和现代化、信息化的方向发展。遥感技术在植物保护方面的应用是农业遥感应用领域的一个重要分支，农业病虫害遥感是针对特定病虫害的特点通过选择合适的数据，融合遥感、模式识别、计算机视觉、数据挖掘等多学科方法，进行病虫害发生和发展的规律分析、模型构建、制图和展示。总体而言，由于病虫害种类、特点的复杂性和发生发展的高度动态性，使这一领域集中了较多的研究，并在理论和方法上形成较鲜明的特点。因此，有必要对作物病虫害遥感监测和预报研究的方法进行系统性梳理和归纳，为进一步研究和应用转化提供参考和借鉴。这方面的探索将有利于减少杀虫剂和杀菌剂的使用量，减轻粮食因为病虫害造成的损失，保证农田生态环境和后续农产品的安全性，同时，对保障我国粮食安全和广大农民增产增收将产生重要而深远的影响。1.2作物主要病虫害危害与特点作物病虫害是我国主要农业灾害类型之一，具有种类多、影响大且时常暴发成灾的特点，其发生范围和严重程度对我国国民经济，特别是农业生产造成了重大损失。病虫害的流行严重影响了我国农业生产，亟需对这些病虫害的发生、发展加以控制，以保障粮食安全生产。遥感技术目前在作物病虫害监测领域的研究和应用范围已涵盖了多种不同的作物和病害类型，包括小麦条锈病、小麦叶锈病、小麦白粉病、小麦蚜虫、棉花黄萎病、棉花根腐病、棉花棉蚜虫、水稻胡麻叶斑病、水稻稻瘟病、水稻干尖线虫病、水稻稻纵卷叶螟、水稻稻飞虱、西红柿早疫病、西红柿晚疫病、蚕豆细菌疫病、蚕豆赤斑病、花生锈病、大豆黄萎病、大豆菌核病、甜菜蛇眼病、甘蔗橘锈病、芹菜核菌病及玉米蚜虫等。本书主要以小麦、玉米和棉花等作物的主要病虫害类型为例，包括小麦条锈病、小麦白粉病、小麦蚜虫，水稻胡麻叶斑病、水稻稻纵卷叶螟，棉花黄萎病，以及玉米黏虫等作物主要病虫害类型，探讨如何利用遥感技术开展病虫害监测与预测研究。首先，介绍上述病虫害的主要危害与发病特征。1.2.1小麦条锈病危害与特点小麦条锈病是小麦锈病的一种，是大区流行性病害。从环境偏好上看，该病属于低温、高湿、强光型真菌性病害，孢子通过空气传播，具有发病广、流行性强、发病概率高的特点，是我国乃至全世界发生*广、危害**的病害之一。小麦受害后，可导致叶片早枯，成穗数降低，千粒重下降，一般可减产5%~10%，重病田减产达20%以上。我国境内在河北、河南、陕西、山东、山西、甘肃、四川、湖北、云南、青海、新疆等地均有暴发记录，对小麦生产造成了极大的损失。1950年、1964年、1990年、2002年全国4次大流行小麦条锈病，分别造成了约60亿kg、30亿kg、26亿kg、10亿kg的产量损失。近年来，随着新的生理小种和其他致病类型的出现和发展，小麦条锈病危害一直呈加剧态势。小麦条锈病病原属担子菌亚门真菌。菌丝丝状，有分隔，生长在寄主细胞间隙中，用吸器吸取小麦细胞内养料，在病部产生孢子堆。小麦条锈病的典型症状主要发生在叶片上，其次是叶鞘和茎秆，穗部、颖壳及芒上。苗期染病，幼苗叶片上产生多层轮状排列的鲜黄色夏孢子堆。成株叶片初发病时夏孢子堆为小长条状，鲜黄色，椭圆形，与叶脉平行，且排列成行，呈虚线状，后期表皮破裂，出现锈被色粉状物；小麦近成熟时，叶鞘上出现圆形至卵圆形黑褐色夏孢子堆，散出鲜黄色粉末，即夏孢子。病菌靠分生孢子或子囊孢子借气流传播到感病小麦叶片上，若温湿度条件适宜，病菌萌发长出芽管，芽管前端膨大形成附着胞和侵入线，穿透叶片角质层，侵入表皮细胞，形成初生吸器，并向寄主体外长出菌丝，后在菌丝丛中产生分生孢子梗和分生孢子，成熟后脱落，随气流传播蔓延，进行多次再侵染。病菌在发育后期进行有性繁殖，在菌丛上形成闭囊壳。1.2.2小麦白粉病危害与特点小麦白粉病在小麦各生育期均可发生，是一种为害较重的病害，在我国山东沿海、四川、贵州、云南普遍发生。近年来该病在东北、华北、西北麦区，亦有日趋严重之势。小麦受害后，可导致叶片早枯，成穗数降低，千粒重下降，一般可减产5%~10%，重病田达20%以上。小麦白粉病病原属子囊菌亚门真菌。菌丝体表寄生，蔓延于寄主表面在寄主表皮细胞内形成吸器吸收寄主营养。在与菌丝垂直的分生孢子梗端，串生10~20个分生孢子，椭圆形，单胞无色，侵染力持续3~4天。病菌靠分生孢子或子囊孢子借气流传播到染病小麦叶片上，其后的侵染过程和小麦条锈病类似。病菌越冬方式有两种：一是以分生孢子形态越冬；二是以菌线体潜伏在寄主组织内越冬。越冬病菌先侵染底部叶片呈水平方向扩展，后向中上部叶片发展，发病早期发病中心明显。冬麦区春季发病菌源主要来自当地。春麦区，除来自当地菌源外，还来自邻近发病早的地区。当植株生长衰弱，施肥管理不当时亦容易加重病情。1.2.3小麦蚜虫危害与特点小麦蚜虫又叫腻虫，其分布极广，几乎遍及世界各产麦国。在我国为害小麦的蚜虫有多种，通常包括：麦长管蚜、麦二叉蚜、黍缢管蚜、无网长管蚜。严重危害我国小麦的蚜虫主要有三种，包括：禾溢管蚜、麦长管蚜和麦二叉蚜，但常年以麦长管蚜和麦二叉蚜发生数量*多，为害*重。一般麦长管蚜无论南北方密度均相当大，但偏北方发生更重。小麦麦蚜危害主要包括直接为害和间接为害两个方面。直接为害主要以成、若蚜吸食幼嫩或开始衰老的叶片、茎秆、嫩头和嫩穗的汁液，危害小麦正常发育，苗期受害严重时小麦会生长停滞，分蘖减小，危害的同时蚜虫会排出蜜露，附着在叶表面，常使叶面生霉变黑，严重地影响小麦叶片的光合作用，*终造成小麦减产。麦长管蚜多在植物上部叶片正面为害，抽穗灌浆后，迅速增殖，集中在穗部为害。间接为害是指麦蚜能在为害的同时，传播小麦病毒病，其中以传播小麦黄矮病为害**。前期危害可造成麦苗发黄，影响生长，后期危害叶片发生卷曲，植株发油发黑，千粒重降低，严重时麦穗枯白，不能结实，甚至整株枯死，严重影响小麦产量。小麦蚜虫的生活习性因种类而异。麦长管蚜喜光耐湿，喜中温不耐高温，适湿范围为相对湿度40%~80%，适温范围为16~25℃。天气干旱时，蚜虫发生量一般较大。因为湿度低时，植物中的含水量相对较少，而营养物质相对较多，有利于其生长发育。因此，干旱期间降雨对麦长管蚜的繁殖无不利影响，雨后蚜量突增而形成灾害。但过于干旱会使得植物过分缺水，会增加汁液黏滞性，降低细胞膨压，造成蚜虫取食困难，影响其生长发育。相反，如果夏季多雨，植物含水量过多，酸度就会增大，从而引起消化不良，造成蚜虫蚜量死亡。持续2~3天的中雨对麦蚜发生也有明显的抑制作用，尤其是抽穗期遇到中雨，对翅蚜在麦穗上生活、繁殖都不利，蚜害偏轻。因此，降雨通过对大气湿度的影响而间接影响蚜量消长，特别是大雨对麦长管蚜的发生不利，暴风雨的机械冲击常使蚜量明显下降。据文献报道，当一小时降雨达到30mm，伴随大风时，蚜量的下降率达80%。1.2.4棉花黄萎病危害与特点棉花黄萎病是一种危害棉株维管束的土传病害，其致病菌为大丽轮枝菌，属半知菌亚门淡色菌科淡色孢科轮枝菌属。关于棉花黄萎病病菌的致病机理目前主要有机械障碍和毒素作用两种观点，大丽轮枝菌侵入棉花根表面后，菌丝体穿透皮层、内皮层到达木质部，在木质部病原菌不断产生分生孢子，并刺激邻近薄壁细胞产生胶状物质、侵填体从而堵塞导管，使水分和养分运输发生困难，同时借助蒸腾作用侵染植物的地上部分。被侵染的棉株表现出叶片萎蔫、褪绿等症状，*终植株死亡，这被称为机械障碍；毒素作用是指病原菌产生的毒素能破坏感病棉花品种的叶片和根组织细胞膜，改变细胞膜透性，使细胞内钾离子大量渗漏而减少，导致棉株萎蔫。黄萎病在棉花整个生育期均可发病。自然条件下幼苗发病少或很少出现症状。一般在3~5片真叶期开始显症，生长中后期棉花现蕾后田间大量发病，初在植株下部叶片上的叶缘和叶脉间出现浅黄色斑块，后逐渐扩展，叶色失绿变浅，主脉及其四周仍保持绿色，病叶出现掌状斑驳，叶肉变厚，叶缘向下卷曲，叶片由下而上逐渐脱落，仅剩顶部少数小叶，蕾铃稀少，棉铃提前开裂，后期病株基部生出细小新枝。纵剖病茎，木质部上产生浅褐色变色条纹。夏季暴雨后出现急性型萎蔫症状，棉株突然萎垂，叶片大量脱落，发病严重地块惨不忍睹，造成严重减产。由于病菌致病力强弱不同，症状表现亦不同。主要可分为落叶型、枯斑型和黄斑型。落叶型菌系致病力强，病株叶片叶脉间或叶缘处突然出现褪绿萎蔫状，病叶由浅黄色迅速变为黄褐色，病株主茎顶梢侧枝**变褐枯死，病铃、苞叶变褐干枯，蕾、花、铃大量脱落，仅经10天左右病株成为光秆，纵剖病茎维管束变成黄褐色，严重的延续到植株顶部。枯斑型棉花叶片症状为局部枯斑或掌状枯斑，枯死后脱落，为中等致病力菌系所致。黄斑型病菌致病力较弱，叶片出现黄色斑块，后扩展为掌状黄条斑，叶片不脱落。在久旱高温之后，遇暴雨或大水漫灌，叶部尚未出现症状，植株就突然萎蔫，叶片迅速脱落，棉株成为光秆，剖开病茎可见维管束变成淡褐色，这是黄萎病的急性型症状。棉花病株各部位的组织均可带菌，叶柄、叶脉、叶肉带菌率分别为20%、13.3%、6.6%，病叶作为病残体存在于土壤中是该病传播重要菌源。棉籽带菌率很低，却是远距离传播重要途径。病菌在土壤中直接侵染根系，病菌穿过皮层细胞进入导管并在其中繁殖，产生的分生孢子及菌丝体堵塞导管，此外病菌产生的轮枝毒素也是致病重要因子，毒素是一种酸性糖蛋白，具有很强的致萎作用。此外，流水和农业操作也会造成病害蔓延。黄萎病适宜发病温度为25~28℃，高于30℃、低于22℃发