邵美云

（西藏民族大學(xué)，陜西 咸陽 712000）

青稞（Hulless barley），別名裸大麥、米大麥、元麥，是禾本科大麥屬的一種，為禾谷類作物，多分布于我國西北、西南各省，適宜在高原清涼氣候下生長，具有適應(yīng)性廣、耐寒性強(qiáng)以及高產(chǎn)早熟等顯著特征。青稞不僅是藏區(qū)居民的主要糧食、畜料及燃料，還是啤酒、醫(yī)藥等的生產(chǎn)原料，具有相當(dāng)高的價值[1]。青稞在種植生產(chǎn)過程中，不可避免地會受到諸多病蟲害的影響。其中，黑穗病在青稞中具有很高的發(fā)病率，并有逐年加重的發(fā)展趨勢。黑穗病會不斷侵蝕青稞植株，影響青稞的產(chǎn)量與質(zhì)量，給種植戶造成較大的經(jīng)濟(jì)損失?；诖?，筆者針對青稞黑穗病的發(fā)病規(guī)律，研究探討了青稞黑穗病防治方法。

1 青稞黑穗病的發(fā)病規(guī)律

黑穗病，屬真菌性病害，是青稞生產(chǎn)過程中比較常見的一種病癥，患此病的青稞，輕則減產(chǎn)，重則絕產(chǎn)。黑穗病主要是侵害青稞的幼苗，即青稞幼苗期很容易感染黑穗病，或者說是該病害的高發(fā)期。其主要通過種子攜帶真菌來傳播，在每年青稞脫粒的時候，黑穗病散發(fā)出的冬孢子能夠有效附著于青稞種子上，青稞播種后，冬孢子便會萌發(fā)菌絲并逐步侵入青稞芽中，伴隨著青稞的生長而不斷成長與擴(kuò)散。在青稞抽穗前，黑穗病會嚴(yán)重危害青稞的花器與種子，產(chǎn)生大量冬孢子，導(dǎo)致大量青稞形成病穗[2]。而在此過程中，如果溫度及濕度比較適宜，黑穗病孢子便會很快開始萌發(fā)，對青稞種皮及穎殼造成侵染與損害。通常來講，在青稞抽穗前，一般并不會出現(xiàn)相關(guān)癥狀。但是，一旦抽穗，病穗癥狀便會出現(xiàn)。這會使得病穗外側(cè)出現(xiàn)很多黑粉，病穗生長變形，導(dǎo)致青稞畸形與發(fā)育不良，不夠結(jié)實(shí)，會對青稞產(chǎn)量與質(zhì)量造成重大影響。

黑穗病也可以通過糞肥帶菌的途徑傳播。具體來講，青稞收獲后，植株與病株脫粒，秸稈等會作為喂養(yǎng)飼料投入畜舍。而黑穗病病菌孢子生命力很強(qiáng)，經(jīng)消化仍可存活，會隨家畜糞便排出，在土壤中甚至還可以存活三年。如果種植戶未對堆肥發(fā)酵就直接使用，會使土壤帶病，也就使土壤成為重要的侵染來源。

2 作物病蟲害光譜響應(yīng)生理機(jī)制

傳統(tǒng)的病蟲害監(jiān)測防治方式仍然是以田間調(diào)查為主，即通過人工目測的方法來判斷植株的癥狀，得出植株病蟲害等級。這樣的方式不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且難以完成大面積的作物監(jiān)測，調(diào)查所得結(jié)果也很容易受到人為主觀因素的干擾，從而造成誤判。加上病蟲害的發(fā)生存在很多不確定性，傳統(tǒng)監(jiān)測又存在一定的滯后性，所以很容易導(dǎo)致農(nóng)藥誤用或?yàn)E用，不僅不利于作物生長，還會對環(huán)境造成污染。對此，筆者根據(jù)冠層光譜反射率特征，開發(fā)了一種新型有效的光學(xué)遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備。該設(shè)備基于遙感技術(shù)，用于大面積監(jiān)測和快速識別作物病蟲害，通過目標(biāo)物反射的信息，在不與目標(biāo)物接觸的情況下，實(shí)時監(jiān)測青稞生長情況，盡早發(fā)現(xiàn)如黑穗病等病蟲害，對大面積青稞作物區(qū)實(shí)施全方位、動態(tài)化的監(jiān)測，進(jìn)一步推動農(nóng)業(yè)向著高效、生態(tài)、優(yōu)質(zhì)和現(xiàn)代信息化發(fā)展[3]。

當(dāng)作物受到病蟲害脅迫時，其內(nèi)部理化特征及結(jié)構(gòu)特征會發(fā)生相應(yīng)的改變，尤其是外形會變得枯黃甚至凋零。在此過程中，作物的光譜在不同波段也會有所不同，吸收與反應(yīng)特征發(fā)生變化，出現(xiàn)不同的光譜響應(yīng)。一是葉片等器官的細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠?qū)庠斐刹煌潭确瓷?；二是植物?xì)胞生物化學(xué)成分，如葉片水分、色素等吸收作用的影響。由此可見，基于光譜響應(yīng)的多效性，將光譜響應(yīng)特征經(jīng)過形式化與定量化表達(dá)，可以深入了解作物病蟲害侵害種類、程度等。

3 基于不同平臺的青稞黑穗病監(jiān)測

3.1 基于近地高光譜平臺的遙感監(jiān)測

基于近地高光譜平臺的遙感監(jiān)測，主要是利用非成像地物光譜儀來測量青稞受黑穗病脅迫后冠層、葉片的光譜反射率，或者是利用地面成像光譜來獲取近地光譜圖像，收獲高光譜數(shù)據(jù)。高光譜具有范圍窄、波段多、信息冗余等諸多特點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的遙感監(jiān)測，可以探測到更多隱匿物質(zhì)[4]?；诮馗吖庾V平臺的遙感監(jiān)測，可為青稞黑穗病監(jiān)測的定性與定量化參數(shù)提取及機(jī)理估算模型的構(gòu)建提供必要的支持并奠定有效基礎(chǔ)。當(dāng)然，也有非成像與成像之分，這都需要人們進(jìn)行深入研究。

首先，就基于近地非成像高光譜遙感識別而言，多是以傳感器來接受被探測對象的反射與電磁波，從而探取光譜數(shù)據(jù)信息。ASD FieldSpec FR Fro 2500光譜儀的出現(xiàn)，可直接用于地面獲取目標(biāo)物體光譜曲線。近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞光譜數(shù)據(jù)的相關(guān)研究越發(fā)深入且廣泛。比如利用ASD高光譜儀測定青稞黑穗病冠層光譜反射率，同時利用逐步與線性判別的辦法，結(jié)合分層聚類得出敏感波段，對識別黑穗病具有很好的效果。再比如，可以利用一階微分最大值法提取光譜紅邊位置，進(jìn)而構(gòu)建作物指數(shù)。此方式精度高，可以提前12天實(shí)現(xiàn)病害識別。

其次，就基于近地高光譜遙感識別而言，高光譜成像技術(shù)于19世紀(jì)80年代形成并逐漸發(fā)展。作為一項新興的遙感技術(shù)，其既能準(zhǔn)確獲得目標(biāo)物圖像，又能得出每一像素點(diǎn)的連續(xù)光譜信息[5]。由于具有很高的分辨率，故可獲取“圖譜合議”的遙感數(shù)據(jù)。結(jié)合光譜圖像信息的分析與提取，可以得出青稞的顏色、紋理及位置等。與此同時，結(jié)合對光譜信息的高緯度數(shù)據(jù)壓縮及特征波長的提取，可以實(shí)現(xiàn)對青稞內(nèi)部特征的監(jiān)測。利用高光譜成像系統(tǒng)，獲取青稞黑穗病的圖譜數(shù)據(jù)，進(jìn)而篩選出敏感波，借助支持向量機(jī)得出判別模型，能夠達(dá)到較高的青稞黑穗病分類精度。

綜上所述，基于近地高光譜平臺的遙感監(jiān)測技術(shù)先進(jìn)且精度較高，同時具有獲取光譜段多、波段連續(xù)以及數(shù)據(jù)量大等顯著優(yōu)點(diǎn)。但近地平臺也存在著探測面積小，容易受地面地勢情況的影響，而且成本相對較高等缺點(diǎn)。另外，除了ASD FieldSpec FR Fro 2500光譜儀設(shè)備以外，還有成像高光譜儀（Gaisskymin2）等部分常用設(shè)備。

3.2 基于航空遙感平臺的遙感監(jiān)測

航空遙感又被稱為機(jī)載遙感，是一種借助航空飛行器，搭載傳感器，從空中對目標(biāo)進(jìn)行遙測的探測手段。當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空遙感的技術(shù)手段也比較多樣，多層次、立體化的現(xiàn)代遙感信息采集系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。航空遙感作為一種現(xiàn)代空間數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)手段，其優(yōu)勢也比較突出，比如探測面積大、成像比例大、分辨率高、信息容量大等。而這也正好滿足了青稞黑穗病監(jiān)測的需要。與此同時，基于航空遙感平臺的遙感監(jiān)測方法，也是一種無損測試技術(shù)[6]。也就是說，在不破壞作物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)時監(jiān)測青稞的生長狀況，及時掌握青稞黑穗病的發(fā)生情況，為黑穗病測報提供信息與依據(jù)，便于采用迅速有效的防治措施。

隨著數(shù)碼圖像技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，其高效、實(shí)時、無損等特征優(yōu)勢使得青稞黑穗病遙感檢測更加便捷高效。其中，特別是無人機(jī)遙感。無人機(jī)遙感，簡單來講就是在無人機(jī)上安裝一臺功能強(qiáng)大的照相機(jī)，然后通過獲取與分析圖像來得出相應(yīng)數(shù)據(jù)。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，無人機(jī)遙感并非只有低空拍照，其真正的作用在于獲取圖像并從中提取有價值的信息加以應(yīng)用。比如在青稞黑穗病的監(jiān)測中，無人機(jī)配合遙感系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)，將低空拍攝的作物影像資料實(shí)時傳輸至計算機(jī)，然后結(jié)合對影像資料的分析，發(fā)現(xiàn)青稞黑穗病的發(fā)生情況，以此為依據(jù)來進(jìn)行有針對性的防治。具體來講，利用ASD FieldSpec FR Fro 2500光譜儀和GPS同步獲取近地青稞穗光譜數(shù)據(jù)和相應(yīng)的點(diǎn)位信息，定位青稞黑穗病感染區(qū)域。或者是利用多時相高光譜航空飛行數(shù)據(jù)，來檢測青稞黑穗病的發(fā)病范圍及程度[7]。隨著飛行器的不斷推陳出新，市場上出現(xiàn)了各種低空飛行器，比如輕小型飛機(jī)、無人機(jī)以及熱氣球等。其中，特別是無人機(jī)，更是為遙感領(lǐng)域的創(chuàng)新及多元化發(fā)展提供了更多的思路及可能性。結(jié)合當(dāng)前的實(shí)踐應(yīng)用，低空遙感飛行，比如無人機(jī)遙感系統(tǒng)，因具備成本低、操作方便、靈活機(jī)動、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為遙感系統(tǒng)中的一個重要組成部分。未來，使用無人機(jī)搭載遙感技術(shù)，是極具潛力的操作技術(shù)，也是快速實(shí)時監(jiān)測青稞黑穗病的重要手段之一。

基于航空遙感平臺的遙感監(jiān)測具有風(fēng)險低、靈活性強(qiáng)、使用與維護(hù)邊界、飛行時間短且監(jiān)測范圍較大等顯著優(yōu)勢，能有效彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感和普通航空遙感實(shí)效性不強(qiáng)、缺乏靈活性、受天氣條件限制等不足。當(dāng)然，其也存在著一定的缺點(diǎn)，比如很容易受到風(fēng)速的影響，機(jī)身的穩(wěn)定性有待提升，自身承重能力有限，電池續(xù)航能力不足等。

3.3 基于衛(wèi)星平臺的遙感監(jiān)測

航天遙感就是以衛(wèi)星以及航天飛行器等作為平臺的遙感，衛(wèi)星遙感是航天遙感中最常見且應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。衛(wèi)星遙感技術(shù)，就是利用衛(wèi)星（人造）作為傳感器的搭載平臺，通過遠(yuǎn)距離地接受地面目標(biāo)物的反射或輻射的電磁波，從中探取光譜特征信息，獲取目標(biāo)物的圖像與光譜數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)定性、定量以及定位描述的一種技術(shù)[8]。衛(wèi)星也有多種類型，如果按照運(yùn)行軌跡及所使用的傳感器類型不同來分類的話，可以分為地球同步衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、極地軌道衛(wèi)星等?？傮w而言，衛(wèi)星遙感技術(shù)的優(yōu)勢比較突出與多樣，比如可實(shí)施連續(xù)觀測，視點(diǎn)高，采集數(shù)據(jù)廣以及影像信息資料豐富等。而缺點(diǎn)也是存在的，比如影像存在混合單元，空間分辨率相對較為不足等[9]。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星上所搭載的傳感器技術(shù)也越來越成熟。由此，也為實(shí)現(xiàn)對青稞生長狀況的實(shí)時監(jiān)測，對黑穗病予以及時預(yù)警提供了有力的技術(shù)支持和條件保障。

從衛(wèi)星遙感技術(shù)領(lǐng)域的研究來看，國外相關(guān)研究起步較早。尤其是美國，作為發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星的國家，其于1960年就開始將此技術(shù)應(yīng)用于天氣預(yù)測，而后便開始用于監(jiān)測作物病蟲害。而國內(nèi)自1970年成功發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星以來，歷經(jīng)五十多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了對地觀測衛(wèi)星系列，包括地球遙感及監(jiān)視衛(wèi)星等。衛(wèi)星及衛(wèi)星應(yīng)用體系得以構(gòu)建，同時發(fā)揮著越來越重要的作用。國內(nèi)對于青稞黑穗病衛(wèi)星遙感的研究起步較晚。但可以預(yù)見的是，隨著技術(shù)的應(yīng)用及實(shí)踐的不斷拓展，應(yīng)用衛(wèi)星遙感可全面有效地指導(dǎo)青稞黑穗病監(jiān)測防治。

伴隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，人們對于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)也提出了更高層次的要求。其中，與傳統(tǒng)的病蟲害監(jiān)測方法相比，遙感以實(shí)時、大面積、無損害等監(jiān)測特點(diǎn)，具有顯著的優(yōu)勢及發(fā)展?jié)摿10]。當(dāng)然，黑穗病只是青稞病蟲害的一種，由于整個病蟲害發(fā)病機(jī)理復(fù)雜多變，加上遙感技術(shù)仍然有很多不完善的地方，所以實(shí)踐應(yīng)用過程中也面臨著一些問題。比如對光譜特征的專屬性認(rèn)知不足，缺乏對青稞黑穗病危害類型的比較研究，缺乏多源遙感信息的綜合應(yīng)用，監(jiān)測模型普適性較差等問題存在且突出。要想更好地發(fā)揮遙感技術(shù)對病蟲害的監(jiān)測作用，使其更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)種植與生產(chǎn)，就必須關(guān)注問題，解決問題。

未來，筆者認(rèn)為應(yīng)做好以下幾方面的工作：一是要應(yīng)用多時相遙感數(shù)據(jù)進(jìn)一步開展青稞黑穗病的遙感監(jiān)測，嘗試綜合使用基于不同平臺的遙感數(shù)據(jù)；二是要建立包含青稞黑穗病在內(nèi)的病蟲害光譜庫，以提升對復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境的適應(yīng)能力，這對指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)具有尤為突出的意義；三是要構(gòu)建全國性的監(jiān)測信息服務(wù)系統(tǒng)，在獲取遙感監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)的同時，挖掘其中有價值的信息并實(shí)時共享，大范圍推廣與應(yīng)用病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時動態(tài)監(jiān)測包括黑穗病在內(nèi)的青稞病蟲害，為綜合防治提供有力的保障；四是要加強(qiáng)與國際的合作交流，在建立遙感監(jiān)測病蟲害協(xié)同合作機(jī)制的同時，特別要學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)手段及有益經(jīng)驗(yàn)，為國內(nèi)青稞黑穗病等遙感監(jiān)測提供指導(dǎo)和幫助。