甘蔗災(zāi)害監(jiān)測研究進展及展望*

黃秋燕 ，覃志豪 ，覃梓洪 ，胡寶清

（1.廣西師范學(xué)院/北部灣環(huán)境演變與資源利用重點實驗室，南寧 530001；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.廣西師范學(xué)院/廣西地表過程與智能模擬重點實驗，南寧 530001；4.廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，南寧 530001）

0 引言

圖1 廣西甘蔗生產(chǎn)發(fā)展（（a）：廣西甘蔗種植面積及占全國比重，（b）：廣西甘蔗產(chǎn)量及占全國比重）（數(shù)據(jù)來源：1980—2015年的《廣西統(tǒng)計年鑒》及《中國統(tǒng)計年鑒》）Fig.1 The production development of sugarcane in Guangxi（（a）：The area planted of sugarcane in Guangxi and its proportion of the total area planted in China，（b）Sugarcane yields of Guangxi and its proportion of the total yields in China）（Data source：Statistical yearbook of Guangxi and statistical yearbook of China from 1980 to 2015）

甘蔗，學(xué)名Saccharum Officinarum，是一種對水分、溫度及養(yǎng)分需求比較特殊的多年生高大實心草本作物。甘蔗莖稈粗壯，富含甜汁，是生產(chǎn)食糖的主要原料。我國是世界第三大甘蔗種植國，種植面積僅次于巴西和印度。同時，我國也是蔗糖生產(chǎn)及蔗糖消費大國，我國的蔗糖產(chǎn)量居世界第三位，蔗糖消費位居世界第二位。我國甘蔗主產(chǎn)區(qū)位于南方的廣西、云南、廣東和海南4省（區(qū)），其中廣西甘蔗種植面積及產(chǎn)糖量均占全國比例60%以上［1-2］，對全國食糖供需平衡起到?jīng)Q定性作用（圖1）。盡管我國南方具有種植甘蔗所需要的水分、溫度等優(yōu)越自然條件，然而，南方同時也是我國農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，極端天氣狀況頻發(fā)，雨量分布不均，春旱、秋旱現(xiàn)象普遍，時有凍災(zāi)、臺風(fēng)影響。隨著全球性的氣候變暖加劇，病蟲害發(fā)生的頻次及危害程度也不斷加劇［3］，旱災(zāi)、低溫凍害、風(fēng)害、洪澇及病蟲害等災(zāi)害給甘蔗生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。據(jù)報道，我國甘蔗主產(chǎn)區(qū)廣西省每年因旱災(zāi)而損失的甘蔗產(chǎn)量在18%以上［4］。受地理位置與季風(fēng)環(huán)流的影響，南方冬半年常受來自西伯利亞的強大寒冷空氣影響，寒冷空氣帶來的低溫往往給甘蔗生產(chǎn)造成重大損失。2008年1—2月，南方遭受持續(xù)性大范圍的低溫雨雪冰凍天氣襲擊，導(dǎo)致廣西甘蔗損失46億元以上［5］。每年5—9月是南方地區(qū)的臺風(fēng)多發(fā)期，恰好是甘蔗生長的中后期，這時甘蔗植株一般較高，常造成風(fēng)折或嚴(yán)重倒伏。統(tǒng)計表明，臺風(fēng)、季風(fēng)較嚴(yán)重的年份，甘蔗倒伏、彎曲約30%～40%，其中甘蔗莖稈彎曲率占30%左右，倒伏角度為30°以下的占15%左右，影響輕微的年份約10%～20%［6］；甘蔗倒伏后，產(chǎn)量減少5%～20%，含糖量降低約10%［7］。洪澇主要使甘蔗根系生長發(fā)育受阻、蔗地的肥料流失及容易產(chǎn)生病蟲害，造成甘蔗減產(chǎn)或絕收，其中以重度水淹對甘蔗影響最為嚴(yán)重。水淹時間越長，甘蔗減產(chǎn)也就越嚴(yán)重。2017年6月25日至7月2日，廣西出現(xiàn)了大范圍的嚴(yán)重致洪暴雨過程，統(tǒng)計表明［8］甘蔗受災(zāi)總面積有3.63萬hm2，其中被水淹程度嚴(yán)重（淹過蔗頂）為0.43萬hm2，中度（淹過蔗壟）1.27萬hm2，輕度（只淹過蔗溝）1.93萬hm2。病蟲害是甘蔗生產(chǎn)上的重要生物災(zāi)害，是制約甘蔗產(chǎn)生雙高目標(biāo)（“高產(chǎn)高糖”）的主要因素之一。甘蔗作為多年生宿根作物，生長周期長，從生長期到收獲期均有病蟲害發(fā)生。目前世界上已發(fā)現(xiàn)甘蔗病害120種以上，甘害蟲1 000多種［9］。統(tǒng)計表明，甘蔗每年因病蟲危害造成的產(chǎn)量損失達(dá)百分之幾到十幾［10］，甚至更多。其次，隨著環(huán)境污染和生態(tài)破壞日益嚴(yán)重，我國土壤重金屬污染及土壤鹽化也日益嚴(yán)峻，人為因素導(dǎo)致的重金屬污染與鹽脅迫對甘蔗生產(chǎn)與品質(zhì)的影響也不容忽視。因此，開展甘蔗災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警研究既是災(zāi)害學(xué)領(lǐng)域中研究的熱點，又是當(dāng)前地方政府相關(guān)管理部門及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門關(guān)注的課題。

甘蔗種植具有種類分布分散性以及地域復(fù)雜性的特點，甘蔗災(zāi)害發(fā)生又具有時空變異性與突發(fā)性等特點，常規(guī)的地面調(diào)查方法獲取甘蔗災(zāi)情信息，很難滿足相關(guān)部門決策管理的需求。遙感技術(shù)具有獲取信息量大、多平臺和多分辨率（時間和空間）、客觀、快速及大面積無損觀測的優(yōu)勢，是開展甘蔗災(zāi)害監(jiān)測的有力技術(shù)手段。利用遙感技術(shù)開展甘蔗災(zāi)害監(jiān)測的基本原理是通過遙感技術(shù)反演甘蔗在災(zāi)害發(fā)生或受到災(zāi)害脅迫條件下的生長參數(shù)，然后分析反演的甘蔗生長參數(shù)與甘蔗正常生長情況下的偏離程度。早期關(guān)于甘蔗災(zāi)害遙感監(jiān)測的研究主要是以光譜反射率為核心的狀態(tài)監(jiān)測方法為主。近年來，隨著我國遙感事業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)遙感信息獲取已從國外遙感數(shù)據(jù)到大量應(yīng)用自主國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、航空遙感、無人機、地面近距遙感的轉(zhuǎn)變，形成了“天—地—網(wǎng)”一體化的農(nóng)業(yè)遙感信息協(xié)同綜合獲取的技術(shù)體系，無疑會促進甘蔗災(zāi)害遙感監(jiān)測研究的深入。雖然國內(nèi)外對甘蔗抗災(zāi)害防災(zāi)已有一些相關(guān)報告，但國內(nèi)還缺乏較為系統(tǒng)的歸納總結(jié)。本文在梳理近年來相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析甘蔗災(zāi)害監(jiān)測已取得的成果及存在問題，針對每種災(zāi)害特點結(jié)合當(dāng)前遙感技術(shù)發(fā)展趨勢指出了甘蔗災(zāi)害監(jiān)測未來可能研究方向，以滿足政府決策部門對農(nóng)業(yè)災(zāi)害事件的監(jiān)測、預(yù)警及應(yīng)對實踐需求。

1 氣象災(zāi)害監(jiān)測

1.1 農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測

農(nóng)業(yè)干旱是指長時間降水偏少，造成空氣干燥，土壤缺水，使農(nóng)作物體內(nèi)水分發(fā)生虧缺，影響正常生長發(fā)育而減產(chǎn)的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害［11］。農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測是采用干旱指標(biāo)（表1）對干旱發(fā)生時間、發(fā)展過程和影響范圍進行描述。農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測方法主要有氣象干旱監(jiān)測法與遙感干旱監(jiān)測法兩大類。氣象干旱監(jiān)測法主要是從氣象觀測角度構(gòu)建干旱監(jiān)測方法，常用指標(biāo)包括降雨距平指數(shù)（SRI）、連續(xù)無有效降雨天數(shù)（NRD）、土壤相對濕度指數(shù)（SWI）、帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）［16］、作物水分脅迫指數(shù)（CWSI）［24］等。遙感干旱監(jiān)測法是通過對土壤和植被中的水分進行遙感監(jiān)測反演，實現(xiàn)利用多源遙感數(shù)據(jù)進行區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測，從水分供需角度出發(fā)，所采用的指標(biāo)又分水分供應(yīng)性指數(shù)、需水性指數(shù)、綜合性指數(shù)3類指數(shù)［28］（表1），但綜合性指數(shù)仍處于起步階段，尚未形成適合不同區(qū)域和不同尺度的有效干旱監(jiān)測模型［29］。

表1 國內(nèi)外常用的農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)Table 1 Main agricultural drought monitoring indexes in the world

農(nóng)業(yè)干旱是影響甘蔗生產(chǎn)的主要限制因素之一。盡管農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害監(jiān)測已得到了較深入的研究和廣泛的實際應(yīng)用［30-33］，但我國研究重點是小麥等大田糧食作物［34-36］，甘蔗干旱及其遙感監(jiān)測研究還很少［37］，科學(xué)研究與業(yè)務(wù)應(yīng)用需求之間存在較大的差距。盧小鳳等［38］、莫建飛等［39］、李莉等［40］利用氣象干旱指數(shù)開展廣西甘蔗秋季干旱的演變特征、干旱等級空間分布及廣西秋旱災(zāi)害風(fēng)險等級評估研究；蘇永秀等［41］利用水分盈虧指數(shù)進行廣西甘蔗旱情業(yè)務(wù)監(jiān)測；匡昭敏等［42］、鐘仕全等［43］、王君華等［44］利用MODIS/HJ/ETM遙感數(shù)據(jù)提取植被狀態(tài)指數(shù)（VCI）和溫度條件指數(shù)（TCI）開展廣西甘蔗干旱遙感監(jiān)測研究（表1），少見關(guān)于甘蔗干旱預(yù)警的相關(guān)報道。

甘蔗干旱成災(zāi)機理十分復(fù)雜，涉及到降水，前期降水對后期的影響程度、蒸發(fā)、土壤含水量、徑流、作物自身抗旱性等多個因素，因此甘蔗干旱監(jiān)測也比較復(fù)雜。現(xiàn)有研究初步形成了利用遙感數(shù)據(jù)或氣象數(shù)據(jù)的甘蔗干旱監(jiān)測應(yīng)用框架，但所用的干旱監(jiān)測指標(biāo)仍過于簡單，模型的適用性及機理性解釋仍存在不足（表1）。氣象干旱指標(biāo)本質(zhì)上屬于大氣層的干旱表征，而農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)本質(zhì)上是研究土壤水分的變化，農(nóng)業(yè)干旱并非出現(xiàn)在降水結(jié)束時，而是出現(xiàn)在植物根系不能獲取到所需要水分。因此，氣象干旱指數(shù)并不能完全適用于甘蔗干旱強度的表征。遙感干旱監(jiān)測法具有大面積同步觀測、客觀、動態(tài)等優(yōu)勢，理論上光學(xué)遙感數(shù)據(jù)與微波遙感數(shù)據(jù)均可應(yīng)用于干旱監(jiān)測，但遙感信息是某個時間點上地物反映出來的綜合物理信息，光學(xué)遙感數(shù)據(jù)易受天氣、時相等因素影響。雖然微波遙感具有全天時和全天候觀測能力，但微波遙感僅能反演土壤表層（2～5 cm）的濕度，而作物根系通常都在10～20 cm以下，導(dǎo)致作物水分脅迫狀況往往難以得到真實反映。其次，植被生長狀態(tài)指數(shù)是以植被生長狀態(tài)僅受到干旱脅迫為假設(shè)，事實上植被健康狀況受到多種自然災(zāi)害和人為因素的綜合影響。地表溫度指標(biāo)能基于土壤含水量與地表（冠層）溫度之間此消彼長的內(nèi)在關(guān)系，但地表溫度遙感反演存在較多影響因素，存在較大不確定性［45］。植被溫度指數(shù)利用植被指數(shù)與地表溫度的互補特性提供的作物水分虧缺信息來監(jiān)測旱情，但該方法是以植被指數(shù)（NDVI）與地表溫度之間存在相反的變化趨勢為前提，但這一假設(shè)是當(dāng)水分是植被生長的限制因素才成立，如果能量成為植被生長的限制因素時，植被指數(shù)則與地表溫度呈正相關(guān)［36］；植被溫度指數(shù)法對已發(fā)生旱災(zāi)的區(qū)域具有較好的解釋能力，但在甘蔗干旱監(jiān)測與預(yù)警方面的表現(xiàn)不足?，F(xiàn)有關(guān)于甘蔗干旱的研究仍以定性描述為主，缺乏定量監(jiān)測與預(yù)警評估結(jié)果，干旱成災(zāi)機理認(rèn)識不充分，難以表示干旱發(fā)生對甘蔗生長過程的影響程度，也不能反映甘蔗受旱機理以做出預(yù)警（表2）。雖有一些研究利用盆栽或大田試驗方法探索甘蔗在干旱脅迫下的生理響應(yīng)和生理機制研究［46-54］，但關(guān)于干旱脅迫下甘蔗冠層光譜響應(yīng)仍少見研究（表1）。目前的研究對甘蔗干旱災(zāi)變過程和成災(zāi)機理還缺乏充分認(rèn)識，尤其是不同生長季干旱對甘蔗生長發(fā)育與最終產(chǎn)量及其含糖率的影響，甘蔗干旱遙感監(jiān)測地面觀測試驗仍不足。

表2 甘蔗干旱監(jiān)測方法比較Table 2 Comparison of sugarcane drought monitoring methods

針對甘蔗干旱監(jiān)測存在的不足，未來應(yīng)加強實際需求與科研需求相結(jié)合，重點展開以下研究：一是加強甘蔗干旱成災(zāi)機理研究，辨識甘蔗干旱成災(zāi)的主要影響因素及其反饋機制，揭示不同類型甘蔗種植區(qū)干旱災(zāi)變過程，明確干旱對甘蔗生長發(fā)育及最終產(chǎn)量與含糖率的影響，提出甘蔗干旱遙感監(jiān)測預(yù)警方法。二是加強多源數(shù)據(jù)綜合利用，通過地—星—機同步觀測，結(jié)合能較好地反映出甘蔗生育進程、產(chǎn)量與各生育階段溫度、降水量以及土壤水分動態(tài)關(guān)系的甘蔗生長模型，處理分析各種觀測數(shù)據(jù)，篩選出能夠有效表征甘蔗干旱變化特征的關(guān)鍵指示因子，建立物理機制明確及多要素、多尺度、多過程的甘蔗旱情遙感監(jiān)測與預(yù)警平臺，探究盡可能減輕干旱對甘蔗生產(chǎn)損失的有效途徑。三是加強時序遙感數(shù)據(jù)的異常信息提取方法研究，探索準(zhǔn)確旱災(zāi)識別方法，綜合遙感與地面觀測、模型模擬技術(shù)，提高甘蔗旱災(zāi)損失評估能力。

1.2 低溫凍害監(jiān)測

低溫凍害是指農(nóng)作物在生長發(fā)育過程中，當(dāng)溫度下降到適宜溫度的下限時，作物就延遲或停止生長，又可分為零上低溫冷害和零下低溫凍害。甘蔗起源于熱帶，天生就對低溫敏感，當(dāng)溫度低于12℃時易遭受寒害，即零上低溫危害。甘蔗凍害程度與低溫強度關(guān)系如表3［55］所示。甘蔗低溫凍害監(jiān)測主要有地面調(diào)查法及遙感監(jiān)測法（表4）［56］，常用低溫凍害指示有5—9月平均氣溫之和距平指標(biāo)、生育期積溫指標(biāo)、熱量指數(shù)及綜合指標(biāo)4種。

表3 甘蔗凍害程度與低溫強度關(guān)系Table 3 Relationship between frost injury degree of sugarcane and low-temperature intensity

表4 國內(nèi)外常用的低溫凍害監(jiān)測指標(biāo)Table 4 Main low temperature and freeze monitoring indexes in the world

甘蔗低溫凍害遙感監(jiān)測的內(nèi)容集中在甘蔗發(fā)育期的識別和溫度異常監(jiān)測上，基本上可分為最低地面溫度反演法［62-65］與植被指數(shù)差值法［66-72］兩種。最低地面溫度反演法利用遙感數(shù)據(jù)反演地面溫度，結(jié)合地基觀測資料，訂正得到遙感的地面柵格最低溫度，再結(jié)合作物生育期資料，建立受災(zāi)程度與降溫幅度的相關(guān)關(guān)系，確定受災(zāi)程度和影響范圍。該方法顧及致災(zāi)因子的空間變化情況，但低溫凍害監(jiān)測效果與遙感資料反演地表溫度的精度直接相關(guān)。由于目前熱紅外遙感的空間分辨率較低，受混合像元影響，利用熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演地表溫度的精度很難達(dá)到地塊尺度上的災(zāi)害評估要求［71］。植被指數(shù)差值法根據(jù)作物遭受冷凍害后，由于作物植株保持過冷卻狀態(tài)導(dǎo)致體內(nèi)綠素活性會減弱，葉片對近紅外光和紅光的敏感度下降，從而使得低溫凍害前后植被指數(shù)產(chǎn)生變化，比較受災(zāi)前后植被指數(shù)的差值可以判斷受災(zāi)情況，操作簡單，植被的生物學(xué)意義較為明顯［71］。由于發(fā)生冷凍害時往往氣象條件極差，光學(xué)遙感受天氣條件制約很難實現(xiàn)實時監(jiān)測，且植被指數(shù)差值法研究中較多采用MODIS中分辨率遙感影像，空間分辨率較低，難以滿足田間尺度低溫凍害監(jiān)測的精度要求。

盡管低溫凍害遙感監(jiān)測方法研究已取得了一定進展（表5），與地面調(diào)查法相比具有極大的潛在優(yōu)勢，但是在監(jiān)測機理、精度、實時性和實用化等方面還存在著較大的不足，特別是甘蔗低溫凍害遙感監(jiān)測機理不足，凍害狀態(tài)下的作物光譜效應(yīng)與遙感信息傳遞機制及其不確定性尚未清楚，導(dǎo)致甘蔗低溫凍害的關(guān)鍵因子也尚未明晰。

表5 甘蔗低溫凍害監(jiān)測方法比較Table 5 Comparison of low temperature and freeze monitoring methods on sugarcane

未來需要加強甘蔗低溫凍害的監(jiān)測預(yù)警機理研究，利用作物生長模型機理性強的優(yōu)勢，結(jié)合地面同步觀測與多源遙感數(shù)據(jù)，獲取不同生育期正常生長狀態(tài)與低溫凍害脅迫狀態(tài)下的甘蔗基本農(nóng)學(xué)參數(shù)，是開展甘蔗低溫凍害機理研究的重要內(nèi)容。高光譜遙感具有精細(xì)反射地物光譜特征的能力，可有效地識別低溫凍害脅迫下的甘蔗光譜信息的敏感變化特征（如葉綠素含量密切相關(guān)的紅邊），這為研究低溫凍害機理提供了新的視角。同時，要結(jié)合地基、空基及星基多種觀測手段，著力探索與甘蔗低溫凍害密切相關(guān)的各影響因素，厘清低溫凍害與各影響因素的相互作用機制，從而篩選出能夠有效表征甘蔗低溫凍害變化特征的關(guān)鍵指示因子，建立具有多個地理要素特征的低溫凍害監(jiān)測模型；重視時序數(shù)據(jù)與作物生長模型、數(shù)據(jù)同化技術(shù)的耦合，探索適合區(qū)域特點的低溫凍害指示體系；基于機理研究的基礎(chǔ)上，建立基于生理—生態(tài)機理特征的甘蔗低溫凍害遙感監(jiān)測預(yù)警模型，可有助于及時采取應(yīng)對措施，減少災(zāi)害損失。其次，南方持續(xù)低溫凍害天氣與北半球大氣環(huán)流異常密切相關(guān)，甘蔗主產(chǎn)區(qū)復(fù)雜地形對低溫凍害也有一定影響，加強甘蔗關(guān)鍵期氣候異常預(yù)測技術(shù)研究，探索地復(fù)雜地形對甘蔗低溫凍害的影響機制，對于提高甘蔗低溫凍害預(yù)警能力將具有重要的意義。

1.3 風(fēng)害及洪澇災(zāi)害監(jiān)測

甘蔗風(fēng)害、洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測主要作用是獲取甘蔗風(fēng)害、洪澇災(zāi)害的范圍及災(zāi)害損失評估兩個方面，因災(zāi)害類型不同，監(jiān)測指標(biāo)有所差別。圖2是利用遙感技術(shù)開展風(fēng)害監(jiān)測的流程，利用臺風(fēng)過境前后研究區(qū)NDVI的差值提取臺風(fēng)影響的甘蔗NDVI變化值，并與正常年份該時段的甘蔗NDVI變化值的標(biāo)準(zhǔn)方差作比較，判斷此時段甘蔗的生長變化情況，依據(jù)甘蔗的生長變化情況對甘蔗臺風(fēng)災(zāi)害損失等級標(biāo)準(zhǔn)進行劃分。但除了NDVI外，其他植被指數(shù)是否可應(yīng)用于甘蔗風(fēng)害遙感監(jiān)測尚需要進一步驗證。由于臺風(fēng)、洪澇發(fā)生時天氣條件惡劣，光學(xué)遙感很難獲取監(jiān)測區(qū)域高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)，而SAR數(shù)據(jù)具有不受惡劣天氣和晝夜影響的特點，隨著其空間分辨率的不斷提高，已經(jīng)成為風(fēng)害、洪澇災(zāi)害等災(zāi)害監(jiān)測中極其重要的手段。Chen等［72］利用SAR數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)變化的敏感性應(yīng)用于甘蔗倒伏監(jiān)測，以廣東雷州半島為研究區(qū)，從Radarsat-2數(shù)據(jù)中提取甘蔗極化特征，然后用極化特征的時間序列來克服甘蔗生長條件變化的影響，監(jiān)測臺風(fēng)前后大面積甘蔗倒伏情況。莫建飛等［73］基于C/S結(jié)構(gòu)和GIS組件開發(fā)技術(shù)，利用不同作物、不同生育期的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測指標(biāo)（表3）與災(zāi)害評估模型，研發(fā)了廣西主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，嘗試對甘蔗、玉米等作物進行干旱、洪澇災(zāi)害監(jiān)測?，F(xiàn)有關(guān)于甘蔗風(fēng)害、洪澇災(zāi)害監(jiān)測仍處理于起步階段，一些關(guān)鍵技術(shù)問題仍沒有得到很好解決?？紤]到洪澇災(zāi)害期間云雨密布、天氣惡劣，遙感影像時空分辨率有限，單一遙感影像信息無法進行全方位監(jiān)測，未來需重視多源遙感數(shù)據(jù)復(fù)合利用的優(yōu)勢（圖3），探索如何高效協(xié)同和智能化提取甘蔗淹沒信息的提取方法。

圖2 甘蔗風(fēng)害遙感監(jiān)測流程Fig.2 Analysis process of effects of typhoon on sugarcane

圖3 多源數(shù)據(jù)復(fù)合的甘蔗洪澇監(jiān)測流程Fig.3 The workflow of sugarcane flood disaster monitoring based on multi-source data

2 生物災(zāi)害監(jiān)測

病蟲害與田間雜草均對甘蔗生長產(chǎn)生影響，其中以病蟲害的危害最大，雖有研究顯示［74］雜草蔓延，將會使得農(nóng)作物產(chǎn)量下降30%，但長期以來甘蔗田間雜草監(jiān)測一直被忽略。如何利用田間監(jiān)測結(jié)合遙感技術(shù)控制田間雜草對甘蔗生長的危害，對于促進精準(zhǔn)糖業(yè)發(fā)展具有重要的意義，但目前關(guān)于這方面的研究較少。因此，甘蔗生物災(zāi)害監(jiān)測，重點是病蟲害監(jiān)測。利用遙感技術(shù)開展甘蔗病蟲害監(jiān)測，國外已開展較深入的研究，但國內(nèi)相關(guān)研究仍較少。

病蟲害遙感監(jiān)測原理可分為基于光譜特征病蟲害直接監(jiān)測與基于生境信息反演的病蟲害間接監(jiān)測［75］兩種。前者是在遭受病蟲害的作物導(dǎo)致的生物量或LAI的減少、葉片上產(chǎn)生病斑蟲傷、葉綠體或其他細(xì)胞器的破壞而作物色素含量（如葉綠素、類胡蘿卜素和花青素）的變化、作物脫水［76-77］，等病蟲害脅迫條件下作物冠層反射光譜與吸收光譜發(fā)生變化，當(dāng)這些變化能引起特定傳感器或傳感器系統(tǒng)響應(yīng)時，利用遙感技術(shù)獲取病蟲害導(dǎo)致的作物生理變化的光譜響應(yīng)特征，并與正常生長狀態(tài)的作物冠層光譜響應(yīng)特征作對比，以實現(xiàn)作物病蟲害識別。后者是基于病蟲害發(fā)生需要適宜的景觀格局和生境條件，通過遙感數(shù)據(jù)及田間觀測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)反演作物生長的地表溫度、田間濕度及作物長勢狀況等生境信息，構(gòu)建作物病蟲害發(fā)生情況的定量指標(biāo)實現(xiàn)作物病蟲害遙感間接監(jiān)測。根據(jù)數(shù)據(jù)源差異，病蟲害遙感監(jiān)測又可分為基于高光譜分析技術(shù)的遙感監(jiān)測方法與基于航空/航天平臺的多光譜遙感監(jiān)測方法［75］。由于高光譜遙感具有更高的光譜分辨率，能夠探測到植被光譜曲線在某些特定波段下的細(xì)節(jié)信息，在研究中備受關(guān)注。Apan等［78］采用“病-水脅迫指數(shù)DWSI”對甘蔗銹病進行識別，基于EO-1 Hyperion高光譜影像成功監(jiān)測了受病害影響的區(qū)域范圍?；诟吖庾V分析技術(shù)所用病蟲害監(jiān)測指標(biāo)可分為可見-近紅外光譜響應(yīng)特征與熒光波段光譜響應(yīng)特征兩大類（表6）?？梢?近紅外光譜響應(yīng)特征包括作物病蟲害脅迫下的葉片或冠層反射光譜及植被指數(shù)光譜特征（如NDVI等），表7是作物病蟲害探測常用植被指數(shù)［79］。

表6 甘蔗病蟲害遙感監(jiān)測方法對比Table 6 Comparison of monitoring methods for sugarcane diseases and pests based on remote sensing

基于可見-近紅外光譜響應(yīng)特征的甘蔗病蟲害監(jiān)測計算簡便，已取得了一些成效［75-79］，但病蟲害發(fā)生的機理比較復(fù)雜，病蟲害光譜特征的敏感波段位置和表現(xiàn)形式較多樣化，監(jiān)測模型適用性差，缺乏機理性解釋。熒光對作物葉片的養(yǎng)分脅迫、病害脅迫、人工損壞等脅迫狀態(tài)有顯著的區(qū)分能力，利用熒光成像技術(shù)進行病蟲害監(jiān)測預(yù)警已受到關(guān)注。Bravo等［80］利用小麥背景場的圖像和熒光誘導(dǎo)圖像，獲取小麥條銹病害脅迫下的熒光信號，探索了對熒光成像技術(shù)在小麥條銹病的分類和識別的效果，結(jié)果表明，健康小麥葉片和感病小麥葉片在550 nm和690 nm激光誘導(dǎo)下的熒光強度有明顯差異，構(gòu)造二次判別模型對病害樣本和健康樣本進行分類，分類精度達(dá)到71%，但未見有利用熒光成像技術(shù)研究甘蔗病蟲害的研究報道?；诤娇?航天平臺的多光譜遙感監(jiān)測方法是利用病蟲害脅迫下的作物冠層光譜特征、圖像分析特征及圖形特征實現(xiàn)病蟲害識別，這種方法的優(yōu)勢是可以利用可見光-近紅外遙感、熱紅外遙感及微波遙感等多源數(shù)據(jù)互補來提高病蟲害識別精度，但存在機理性研究不足與不同空間分辨率遙感數(shù)據(jù)的尺度效應(yīng)等問題。由于甘蔗病蟲害發(fā)生具有動態(tài)性、突發(fā)性、異質(zhì)性及隱蔽性等特點，當(dāng)前病蟲害遙感監(jiān)測機理與方法在精度、穩(wěn)定性和通用性方面與實際作業(yè)和管理的監(jiān)測需求之間仍存在一定的差距［78］。

表7 作物病蟲害探測常用植被指數(shù)［79］Table 7 Correlation common vegetation indices of crop diseases and pests detection

未來需要加強甘蔗病蟲害遙感監(jiān)測預(yù)測機理模型研究，利用甘蔗生長模型從機理上定量描述甘蔗生長過程及其與環(huán)境因子之間關(guān)系的優(yōu)勢，結(jié)合遙感技術(shù)能大面積、周期性實時獲取地表農(nóng)作物信息的能力，將遙感信息與甘蔗生長模型同化，實現(xiàn)區(qū)域甘蔗長勢信息的定量反演，提高病蟲害監(jiān)測預(yù)測的精度。其次是研究氣象條件對甘蔗病蟲害發(fā)生的范圍、時間、強度和頻次等的影響；分析甘蔗病蟲害的時空變化及其規(guī)律性；研究不同氣象條件下氣候型甘蔗病蟲害的預(yù)警預(yù)測技術(shù)；建立甘蔗病蟲害發(fā)生發(fā)展的氣象等級指標(biāo)體系；加強多源數(shù)據(jù)融合，重視無人機遙感平臺機動獲取田間尺度遙感數(shù)據(jù)源的優(yōu)勢，深入探索實用的甘蔗病蟲氣象的監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警和評估技術(shù)方法研究。

3 環(huán)境污染災(zāi)害監(jiān)測

重金屬污染與鹽脅迫主要是由于人為因素導(dǎo)致的環(huán)境污染災(zāi)害，兩者對甘蔗生長與品質(zhì)均產(chǎn)生影響。在重金屬鎳和鉛脅迫下，甘蔗根的生長發(fā)育受到抑制，葉綠素含量下降，葉綠素結(jié)構(gòu)遭到破壞，糖分含量減低，抗氧化酶系統(tǒng)代謝紊亂，且傷害程度隨著重金屬濃度的增加和脅迫時間的延長而加?。?1］；甘蔗生物量、莖徑和莖節(jié)長隨著土壤中鎘濃度的增加而降低，鎘濃度越高，抑制效應(yīng)越明顯［82］。2014年環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示［83］，我國農(nóng)田土壤點位超標(biāo)率為19.4%，其中鎘、鎳和銅等重金屬污染最為突出。而甘蔗要求土壤含鹽量小于0.3%才能正常生長［84］。鹽脅迫條件下甘蔗株高、根長減少，生物量、葉面積下降，水分利用率降低；鹽堿嚴(yán)重影響到甘蔗的萌發(fā)、苗期的生長及生理變化，最終導(dǎo)致甘蔗產(chǎn)量和糖分下降［85］。我國甘蔗種植區(qū)特別是廣東、廣西沿海的耕地鹽漬化趨勢日益加劇［86］。因此，開展甘蔗重金屬污染遙感監(jiān)測及甘蔗鹽脅迫遙感監(jiān)測研究，對及時了解甘蔗生產(chǎn)中的潛在危害，提高甘蔗品質(zhì)，具有重要的意義，但目前尚未有關(guān)于甘蔗重金屬脅迫或鹽脅迫遙感監(jiān)測的研究。

甘蔗重金屬污染遙感監(jiān)測與鹽脅迫遙感監(jiān)測反演原理相似，均是依據(jù)健康作物特征光譜與重金屬脅迫或鹽脅迫下的作物特征光譜的差異，建立作物冠層光譜反射率與重金屬污染脅迫下或鹽脅迫作物生理生態(tài)參數(shù)（葉綠素、葉面積指數(shù)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)等）之間的響應(yīng)關(guān)系，利用遙感技術(shù)展開大面積土壤/農(nóng)作物重金屬脅迫信息或鹽脅迫信息反演，實現(xiàn)重金屬脅迫或鹽脅迫監(jiān)測。其中，反演模型是關(guān)鍵。目前關(guān)于重金屬脅迫遙感反演模型與鹽脅迫反演模型均是以基于回歸統(tǒng)計的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑橹鳎锢砟Ｐ洼^少。經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯嵸|(zhì)上是反射光譜的經(jīng)驗統(tǒng)計方法［87］，模型局限性較多，易受土壤類型和重金屬種類及環(huán)境因子影響，模型普適性較差。鹽分信息遙感反演機理性模型少有研究，而重金屬脅迫遙感物理模型包括輻射傳輸模型（RTM）與幾何光學(xué)模型（GOM），前者如適用于土壤重金屬含量反演的Hapke模型［88］、SOILSPECT模型［89］及適用于植被土壤重金屬含量反演的 PROSPECT［90］、SAIL［91］、PROSAIL 模型［92］，后者最典型的是 BRDF 模型［93］。現(xiàn)有研究對光譜和重金屬之間關(guān)系的物理機理了解不夠，物理建模難度較大。

與多光譜遙感相比，高光譜遙感具有波段多、連續(xù)和分辨率高的特點，可以記錄地物多個窄波段反射率，在地物精細(xì)分類及重金屬污染、鹽脅迫等作物生化信息反演方面更有優(yōu)勢。因此，未來研究需要加強地面觀測與遙感觀測，結(jié)合甘蔗生長模型，深入研究甘蔗產(chǎn)量與品質(zhì)對重金屬污染及鹽脅迫的定量關(guān)系，揭示光學(xué)信號與甘蔗重金屬污染、鹽脅迫的生理生態(tài)響應(yīng)特征關(guān)系，構(gòu)建甘蔗重金屬污染及鹽脅迫的物理機理反演模型。

4 結(jié)論與展望

甘蔗是我國生產(chǎn)食糖的主要原料，廣泛種植于我國南方地區(qū)，蔗糖產(chǎn)業(yè)一直是我國甘蔗主產(chǎn)區(qū)的農(nóng)業(yè)支柱。但我國甘蔗生產(chǎn)受到多方面自然災(zāi)害的影響，尤其是干旱災(zāi)害、低溫凍害及病蟲害最為嚴(yán)重；同時人為因素導(dǎo)致的重金屬污染與鹽脅迫對甘蔗生產(chǎn)帶來了潛在危害。全球氣候變暖、極端天氣的頻發(fā)增加了甘蔗災(zāi)害監(jiān)測的難度，而當(dāng)前農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展背景下，我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)與管理方式正在發(fā)生根本性變化，這對科學(xué)防范與有效規(guī)避甘蔗災(zāi)害提出了更高的要求。遙感獲取到地面真實的表觀現(xiàn)象為甘蔗災(zāi)害管理提供了目標(biāo)識別、制圖和監(jiān)測功能。利用遙感全域同步觀測的優(yōu)勢，開展甘蔗多種災(zāi)害遙感監(jiān)測，是甘蔗防災(zāi)減災(zāi)的迫切需要，也是精準(zhǔn)糖業(yè)的重要研究內(nèi)容。

現(xiàn)有甘蔗災(zāi)害監(jiān)測主要集中在旱災(zāi)、低溫凍害及病蟲害監(jiān)測方面，以遙感表觀監(jiān)測為主；甘蔗旱災(zāi)、低溫凍害及病蟲害的成災(zāi)機理仍十分薄弱；應(yīng)用遙感技術(shù)開展風(fēng)害、洪澇災(zāi)害監(jiān)測仍處理于起步階段，一些關(guān)鍵技術(shù)問題仍沒有得到很好解決；甘蔗災(zāi)害遙感監(jiān)測機理模型研究不足，模型監(jiān)測精度與應(yīng)用需求仍有較大的差距；利用遙感技術(shù)開展甘蔗重金屬污染監(jiān)測、甘蔗鹽脅迫監(jiān)測也尚未展開；低空無人機遙感、傳感器技術(shù)及“互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘及云計算等新技術(shù)新方法應(yīng)用于甘蔗災(zāi)害監(jiān)測研究較少。

現(xiàn)有甘蔗災(zāi)害監(jiān)測研究工作和成果相對比較分散，未來甘蔗災(zāi)害監(jiān)測研究在理論上及技術(shù)上還需要突破，以應(yīng)對復(fù)雜的氣候變化給甘蔗產(chǎn)生造成的不利影響。未來需要加強以下幾個方面研究：一是甘蔗災(zāi)害成災(zāi)機理研究，特別是甘蔗干旱成災(zāi)機理研究，辨識甘蔗干旱成災(zāi)的主要影響因素及其反饋機制，提高干旱監(jiān)測預(yù)警模型的精度。同時，重視甘蔗低溫凍害機理及甘蔗病蟲害機理研究，發(fā)展甘蔗災(zāi)害遙感監(jiān)測機理模型。二是加強甘蔗災(zāi)情監(jiān)測時空信息獲取和災(zāi)情時空動態(tài)發(fā)展趨勢預(yù)報研究。由于甘蔗種植具有地域特性，其生長是一個動態(tài)過程；甘蔗災(zāi)害的發(fā)生不僅與其所處的地理環(huán)境因素有關(guān)聯(lián)，還與農(nóng)業(yè)耕作制度、作物種植區(qū)域等因素有關(guān)。利用甘蔗生長模型機理性、系統(tǒng)性、動態(tài)性、機理性、預(yù)測性及其通用性的優(yōu)勢，對甘蔗各種災(zāi)害情景動態(tài)模擬與預(yù)測，將有助于理解甘蔗災(zāi)害形成過程及造成的影響，提高甘蔗災(zāi)情監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確性。三是加強多源觀測數(shù)據(jù)的利用，加強氣象觀測、地面觀測、作物生長模型及遙感信息等多源數(shù)據(jù)耦合，發(fā)展“星、云、機、站”的災(zāi)害立體防控體系［94］，建立針對各種災(zāi)害的甘蔗遙感監(jiān)測預(yù)警模型。其次，重視低空無人機遙感、傳感器技術(shù)及“互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)應(yīng)用于災(zāi)害的數(shù)據(jù)采集與管理，探索大數(shù)據(jù)挖掘、云計算及數(shù)據(jù)同化等新技術(shù)應(yīng)用于甘蔗災(zāi)害時間序列數(shù)據(jù)挖掘、災(zāi)害預(yù)測模型優(yōu)化等方面研究，提高甘蔗防災(zāi)減災(zāi)的信息化監(jiān)測與應(yīng)對能力，促進農(nóng)業(yè)向智能化、智慧化的高端方向發(fā)展［95］。