专利名称：基于大规模爆发性农害昆虫的生育周期的虫灾监测方法
技术领域：
本发明一般涉及虫灾探测技术，特别涉及一种基于大规模爆发性农害昆虫的生育周期的虫灾监测方法。
背景技术：
虫灾是世界性的自然灾害。以蝗虫为例，其对农作物的破坏性尤为突出。近年来，我国蝗灾大面积地频繁爆发，每次爆发都会导致成千上万亩农作物的受损。在某些蝗灾严重的地区，甚至会出现农作物颗粒无收的情况。
目前，国内外已经存在利用诸如卫星遥感技术对蝗灾进行监测的方法。但是，这些现有方法的问题在于，它们都是在蝗灾爆发成灾之后才利用对受灾面积和受损程度进行监测与评估。因此，这样的监测方法难以实现对蝗灾的有效预警、预测和减灾。
发明内容
因此，本发明就是针对现有技术中存在的上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够在农害昆虫爆发大规模虫灾之前做出预警并为虫灾爆发前对农害昆虫的减灭工作提供有效指导的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于大规模爆发性农害昆虫的生育周期的虫灾监测方法，该方法包括以下步骤1)通过探测得到至少一个地理区域的与所述农害昆虫的生育周期中密切相关的环境参数；2)根据所述探测得到的环境参数对所述至少一个地理区域的所述农害昆虫的生长情况进行判断；以及3)根据判断结果，向可能爆发虫灾的地理区域发出警报。
在本发明的方法中，所述步骤1)进一步包括根据所述农害昆虫的各个不同生育周期探测不同的环境参数的步骤。在这种情况下，所述步骤2)还包括对所述探测得到的与农害昆虫的各个生育周期有关的环境参数与预先确定的适于所述农害昆虫的各个生育周期的一般生长规律的环境参数分别进行比较的步骤。
所述步骤1)中的所述环境参数的探测结果至少通过以下方式之一得到a)通过地面直接测量；以及b)通过利用卫星遥感探测、反演和计算。
所述农害昆虫优选地包括东亚飞蝗、亚洲飞蝗、西藏飞蝗、草地蝗虫以及松毛虫。
在本发明的实施例中，所述步骤1)包括在所述农害昆虫的孵化期，所探测的环境参数为土壤水热条件参数，所述土壤水热条件参数至少包括地表温度和地表湿度；在所述农害昆虫的发育期，所探测的环境参数至少包括地表温度和植被覆盖度；以及在所述农害昆虫的成虫期，所探测的环境参数至少包括植被覆盖度和水体情况。在这种情况下，所述步骤3)可进一步包括当探测到的所述至少一个地理区域的环境参数与预先确定的适于所述农害昆虫一般生长规律的环境参数相符时，则向该地理区域发出虫灾警报。
另外，在本发明的实施例中，所述步骤3)还可包括以下步骤通过利用在所述农害昆虫的成虫期探测到的环境参数与预先确定的该阶段所述农害昆虫适宜的环境参数进行比较，以确定出所述农害昆虫的聚集和迁移规律图，并由此确定出所述农害昆虫的聚集地和范围，从而指导对虫灾的治理。
本发明通过对与诸如东亚飞蝗的农害昆虫的不同生育周期有关的环境参数进行测量，并将其与预先建立的适于其不同生育周期的环境参数进行比较和判断，从而可以在虫灾爆发之前有效地做出预警并为虫灾爆发前对害虫的减灭工作提供有效的指导。另外，本发明的方法还可被应用于森林病虫害的监测和治理。
附图的简要说明通过以下结合附图对本发明具体实施方式
所进行的详细说明，本发明的上述及其它目的、特征和优点将变得更加清楚。在以下的附图中
图1-图3的温度等值线示出了东亚飞蝗的分布范围，揭示了东亚飞蝗对温度条件的依赖性；图4为通过实地测量得到的2002年4月27日至6月16日部分天数的天津北大港水库地表温度时间序列变化曲线；图5为通过实地测量得到的2002年4月27日至6月16日部分天数的天津北大港水库地表土壤湿度的时间序列变化曲线；图6为通过实地测量得到的2002年4月27日至6月16日部分天数的天津北大港水库的植被覆盖度的时间序列变化曲线；图7示出了利用卫星遥感反演测得的地表温度与实地测量得到的地表温度之间的相关性曲线；图8示出了利用卫星遥感反演测得的地表湿度与实地测量得到的地表湿度之间的相关性曲线；图9示出了利用卫星遥感反演测得的植被覆盖度与实地测量得到的植被覆盖度之间的相关性曲线；图10为东亚飞蝗生育周期的三个阶段的监测集成图。
具体实施例方式
以下将以蝗虫(更具体地说是东亚飞蝗)为例并结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细说明。
东亚飞蝗是以绿色植物为主要食物的杂食昆虫，飞蝗的卵孵化、生长成虫以及繁殖最后形成蝗灾的过程与其生长发育的生物物理条件有密切的关系。本发明以东亚飞蝗的动物特性作为切入点，并通过多次野外实验，从而建立了蝗虫孵化期、发育期、成虫期三个阶段的生境的生物物理多个特征参数。通过借助所述参数并将其与东亚飞蝗的实际生长发育过程做出比较，就可以对东亚飞蝗的生长发育情况做出判断，进而可以在蝗灾发生之前做出预警以便及早采取相应的措施。
首先参考附图对蝗虫孵化期、发育期、成虫期三个阶段的多个生物物理特征参数的建立进行说明。
1.与东亚飞蝗孵化期有关的生境物理生物特征参数东亚飞蝗的孵化期对环境的水热条件要求比较高，其中地表温度和湿度是影响东亚飞蝗孵化最重要的环境要素。旱涝或干湿交替，是东亚飞蝗发生区的重要气候特征。东亚飞蝗的发育起点温度为15℃，蝗蝻的发育起点温度为18℃，整个生育期要求25℃以上的天数不少于30天，冬季5～10cm土温在-15℃以下时，蝗卵难以越冬。据观察，日均气温在-10℃以下超过20天或-15℃以下超过5天的地区，东亚飞蝗的卵不能安全越冬。因此，根据上述低温的等日线可确定出东亚飞蝗的分布北界，图1-3中用方框代表的地区为东亚飞蝗的分布区。
另外，由于土壤是东亚飞蝗产卵的场所。因此，东亚飞蝗对土壤的理化性、含水量、含盐量以及表土的松紧度都有较强的选择。一般来看，东亚飞蝗分布区尤其是孳生地的土壤通常是略为板结的盐碱地。调查研究表明，东亚飞蝗对土壤的含水量也有较强的选择性，一般沙土含水量在8％～12％、壤土含水量在15％～18％、粘土含水量在19％～22％时适宜飞蝗产卵和生存。因此，土壤的含水量也是东亚飞蝗分布的重要制约因素。
综合上述内容，由于东亚飞蝗的蝗卵与土壤水热条件有着密切的联系，因此，通过本发明的发明人通过大量的野外实验，从而建立了东亚飞蝗孵化期的生物物理条件模型。具体来讲，本发明为东亚飞蝗孵化期的监测建立了这样一种模型，即，在4月末5月初陆续出土的东亚飞蝗，其生境的临界地表温度在20-42之间，土壤湿度在18-22％之间。
2.与东亚飞蝗发育期有关的生境的生物物理特征参数东亚飞蝗孵化出土后，它与周边的生育环境有着生存依赖的联系。在这一阶段中，与东亚飞蝗相关的环境参数主要包括温度和植被覆盖度。
根据观察，在东亚飞蝗的发育期(即，蝗蝻期)，在35℃恒温中，蝗蝻积温需356.48日度，而在28～34℃变温中，蝗蝻积温为304～372日度。在恒温25℃中，蝗蝻的发育天数为41.2天；在35℃中为20.12天。
另外，植被覆盖度对东亚飞蝗的生长也有影响，据观察，蝗区的植被覆盖度一般在75％以下，而最适宜的植被覆盖度在15％～50％；覆盖度超过80％以上很少有蝗虫分布。不同的东亚飞蝗孳生区，其植被群落结构有较大的差异，如天津蝗区生长植物102种，但东亚飞蝗喜食的植物以芦苇为主，其次稗草、狗尾草、马绊草、荩草等。不同类型的蝗区，植物种类和植被覆盖度不同，沿海蝗区因含盐量高，生长植物种类少，多生长黄须、圣柳、蒿类等耐盐碱植物。有水的地方生长芦苇，大部分沿海蝗区的植被覆盖度在15％～75％。含盐碱高的土壤板结不宜蝗虫产卵。湖库(淀)蝗区和河泛蝗区植物种类较多，尤其蝗虫喜食的禾本科杂草，植被覆盖度高达25％～100％。道路、堤埝植被覆盖度相对较�。扇淼耐莸砗推降刂脖桓哺嵌却蟆４送猓欠苫认不堆≡裰脖桓哺嵌仍�50％以下的地方产卵。据北大港独流减河分洪道调查，在土壤湿度适中的情况下，植被覆盖度75％以下蝗区，蝗卵量是覆盖度75％以上蝗区卵量的2～5倍。因此，道路两旁和堤埝的产卵量高于洼淀和平地的卵量9。
综合上述内容，由于东亚飞蝗的发育期与其发育环境中的温度和植被覆盖度有着密切的联系，因此，通过本发明的发明人通过大量的野外实验，从而建立了东亚飞蝗发育期的生物物理条件模型。具体来讲，本发明为东亚飞蝗发育期的监测建立了这样一种模型，即，对于在5月-6月处于发育期(蝗蝻期)的东亚飞蝗来说，其适宜的温度在18℃以上且持续时间在30天以上，其适宜的植被覆盖度在15-50％之间。
3.与东亚飞蝗成虫期有关的生境的生物物理特征参数在东亚飞蝗的成虫期，蝗虫的生长主要与环境的水体情况和植被覆盖度有密切联系。在这一阶段，本发明人通过实地观察证明，东亚飞蝗成虫的聚集地和迁移路径一般是道路、水体周边、植被覆盖度适宜并且盐碱程度低的地区(例如芦苇地)，并且该地区需要确保其生长所需的露水、食物和温度。因此，通过实验，本发明人为东亚飞蝗成虫期的监测建立了这样一种模型，即，对于在6月处于成虫期的东亚飞蝗来说，其适宜的植被覆盖度在80％以下(分类图像中灰度区值为91-103为蝗灾区，参见图10)，其生活环境靠近水体或水沟。
以上对与东亚飞蝗3个生育周期密切相关的多个物理生物特征参数做出了说明。下面将对利用上述模型对东亚飞蝗的生长发育情况做出判断以在蝗灾发生之前做出预警和预测的方法进行说明。
实施例1利用地面测量对蝗灾的发生发展过程进行预测图4为2002年4月27日至6月16日部分天数的天津北大港水库地表温度时间序列变化曲线。图5为2002年4月27日至6月16日部分天数的天津北大港水库地表土壤湿度的时间序列变化曲线。这些图都是本发明人通过对该地区进行实地跟踪测量而得到的。从图4和图5可以看出，在这一阶段，该地区的地表温度大致在295K(21.84℃)～315K(41.84℃)之间变化，其地表土壤湿度大致在5％～30％之间变化。由于与上述东亚飞蝗孵化期的物理生物特征参数模型相比，该地区基本符合东亚飞蝗孵化期所适宜的温度条件和土壤湿度条件。因此，根据比较结果可以得到这样的结论，即，该地区的蝗虫孵化情况较好，需要警惕蝗灾的发生。
图6为2002年4月27日至6月16日部分天数的天津北大港水库的植被覆盖度的时间序列变化曲线。该图也是本发明人通过对该地区进行实地跟踪测量而得到的。结合上述图4以及图6可以看出，在这一阶段，该地区的温度条件和植被覆盖度情况基本与东亚飞蝗发育期(蝗蝻期)的物理生物特征参数模型相符合。因此，根据比较结果，可以得到这样的结论，即，该地区的环境适于蝗虫发育期的生长。此时可以结合蝗虫孵化期的情况对蝗虫的生长情况做出进一步的评估，并根据评估结果采取相应的预防措施。
另外，需要注意的是，图4至图6中的12条曲线分别代表了在不同取样样方数目的情况下所获得的测量结果。本领域的普通技术人员应该明白，取样样方的数目越多，测量结果的代表性就越强，测量的准确程度也就越高。
对于东亚飞蝗的成虫期来说，由于其与植被覆盖度和水体条件有关。因此，根据上述模型，可以通过在地面上寻找植被覆盖度在80％以下并且靠近水体或水沟的地区，从而通过监测东亚飞蝗成虫的相关栖境条件变化以发现蝗虫的迁移规律，进而确定蝗虫的发生地点和发生范围。
通过对东亚飞蝗生长三阶段的监测结果进行分析，就可以对蝗灾的发生做出预测。例如，还是以天津北大港水库地区为例，通过上述分析，可以发现，该地区的环境在东亚飞蝗的三个生长阶段都非常适于其生长，因此可以得到这样一个结论，即，该地区爆发蝗灾的可能性非常大。后来经过实际情况的验证，该地区果然爆发了大规模的蝗灾。
另外，在上述内容中，对东亚飞蝗爆发蝗灾进行预测可以采用一种综合分析的方法，例如可以建立一个分级蝗灾预警系统，当在东亚飞蝗的孵化期内得出其孵化状况较好的情况下，可以使该分级预警系统发出初级蝗灾警报。进而，当当在东亚飞蝗的发育期内得出其发育状况较好的情况下，可以使所述分级预警系统发出中级蝗灾警报。被监测地区可以在收到初级和/或中级蝗灾警报之后采取相应的预防措施，以提前对蝗虫进行预防和/或杀灭工作。另外，在蝗虫的成虫期，根据上述蝗虫迁移和聚集的环境特征模型，并结合其两个阶段的监测结果，该预警系统可以对相应的地区发出最高级的蝗灾警报，以使该地区立刻采取相应措施。这样，就可以避免蝗灾的大规模爆发。
实施例2利用卫星遥测对蝗灾的发生发展过程进行预测虽然通过实地测量可以对东亚飞蝗各个阶段的生长情况做出估计，进而对蝗灾发生的可能性做出评估。但其问题在于，由于地面测量只能采用局部抽样的方式进行，因此测量结果的代表性就会受到取样样方数目的影响。另外，虽然取样样方的数目越多，测量结果的可靠性就越高。但是，对地面测量来说，由于经济成本方面的原因，取样样方的数目也不可能太多。因此，为了增大测量范围并提高测量的可靠性，本发明人还提出了利用卫星遥感测量技术实现对蝗灾预测的方法。
卫星遥感技术可用于遥感测量地面上的各种目标参数，由于它现有的公知技术，故此不再对其进行详细说明。具体在预测蝗灾的应用中，针对上述与东亚飞蝗各个生育周期密切相关的生物物理环境参数，可以根据东亚飞蝗的各个生育周期而将卫星的遥感测量设定于不同的工作模式下，即，设定不同的遥感测量对象。
图7示出了利用卫星遥感反演测得的地表温度与实地测量得到的地表温度之间的相关性曲线。图8示出了利用卫星遥感反演测得的地表湿度与实地测量得到的地表湿度之间的相关性曲线。图9示出了利用MODIS卫星遥感反演测得的植被覆盖度与ETM测量得到的植被覆盖度之间的相关性曲线，该图用于表明不同空间尺度遥感测量结果的一致性。
从图7-图9可以看出从遥感反演的地表温度与实测温度两条曲线的变化趋势看，二者变化趋势大致上是一致的，呈现正相关的关系，相关系数为0.68；从遥感反演的地表湿度与实测地表湿度两条曲线的变化趋势看，二者呈现正相关的关系，其相关系数为0.54；从MODIS和ETM遥感反演的植被覆盖度两条曲线的变化趋势看，二者也呈现正相关的关系，其相关系数为0.91。
因此，利用卫星遥感技术，除了可以得到与地面测量相近的结果以外，还可以对大面积范围进行遥感监测，并且可以实现比地面监测更好的效果。
与地面测量相类似，在利用卫星遥感测量得到与东亚飞蝗各个生育周期有关的数据之后，通过利用遥感测量结果与上述东亚飞蝗各个生育周期的生物物理参数模型进行比较，同样可以对东亚飞蝗各个生育周期的生长情况做出评估。由于其具体方法与通过地面测量进行蝗灾评估的方法相同，故此不再赘述。
图10为东亚飞蝗生育周期的三个阶段的监测集成图。如图10所示，根据本发明方法所述在东亚飞蝗的孵化阶段，主要对其温度条件和湿度条件进行监测；在东亚飞蝗的发育阶段，主要对其温度条件和植被覆盖度进行监测；在东亚飞蝗的成虫阶段，主要对其植被覆盖度以及水体情况进行监测。这样通过对东亚飞蝗生育周期的三个阶段分别进行监测，就可以对监测地区的蝗虫生长情况做出准确的判断，进而可以在蝗灾爆发前对其做出准确的预测。通过本发明人的实际测量和观察，利用这种方法预测蝗灾的准确率可达95％以上。
虽然以上是以具体实施例的方式对本发明做出了说明，但是，本领域的普通技术人员应该明白，本发明并不仅限于上述具体的实施例。例如，虽然以上以东亚飞蝗为例对本发明进行了说明，但本发明的应用范围并不仅限于东亚飞蝗的虫灾预测。本发明的思想还可以应用到诸如亚洲飞蝗、西藏飞蝗、草地蝗虫、松毛虫等其它植物、森林病虫害的监测和预警当中。例如，对于松毛虫来说，其同样具有爆发性和大规模特点，对温度具有很强的依赖，以松树树叶为基本食物和群体迁移的习性等。因此，利用本发明的思想，通过实地或卫星遥感来测量与松毛虫各个生育周期相关的环境参数，并将测量测量结果与预先确定的与松毛虫各个生育周期相关的环境参数模型进行比较，也可以对松毛虫的虫灾的发生和发展过程做出准确的预测。总之，本发明的精神和范围是由所附权利要求来界定的。
权利要求
1.一种基于大规模爆发性农害昆虫的生育周期的虫灾监测方法，该方法包括以下步骤1)通过探测得到至少一个地理区域的与所述农害昆虫的生育周期中密切相关的环境参数；2)根据所述探测得到的环境参数对所述至少一个地理区域的所述农害昆虫的生长情况进行判断；以及3)根据判断结果，向可能爆发虫灾的地理区域发出警报。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)进一步包括根据所述农害昆虫的各个不同生育周期探测不同的环境参数的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)进一步包括对所述探测得到的与农害昆虫的各个生育周期有关的环境参数与预先确定的适于所述农害昆虫的各个生育周期的一般生长规律的环境参数分别进行比较的步骤。
4.根据权利要求1、2或3中的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中的所述环境参数的探测结果至少通过以下方式之一得到a)通过地面直接测量；b)通过利用卫星遥感探测、反演和计算。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述农害昆虫至少包括东亚飞蝗、亚洲飞蝗、西藏飞蝗、草地蝗虫以及松毛虫。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中在所述农害昆虫的孵化期，所探测的环境参数为土壤水热条件参数，所述土壤水热条件参数至少包括地表温度和地表湿度；在所述农害昆虫的发育期，所探测的环境参数至少包括地表温度和植被覆盖度；在所述农害昆虫的成虫期，所探测的环境参数至少包括植被覆盖度和水体情况。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤3)进一步包括当探测到的所述至少一个地理区域的环境参数与预先确定的适于所述农害昆虫一般生长规律的环境参数相符时，则向该地理区域发出虫灾警报。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤3)还包括以下步骤通过利用在所述农害昆虫的成虫期探测到的环境参数与预先确定的该阶段所述农害昆虫适宜的环境参数进行比较，以确定出所述农害昆虫的聚集和迁移规律图，并由此确定出所述农害昆虫的聚集地和范围，从而指导对虫灾的治理。
全文摘要
本发明公开了一种基于大规模爆发性农害昆虫的生育周期的虫灾监测方法，该方法包括1)通过探测得到至少一个地理区域的与所述农害昆虫的生育周期中密切相关的环境参数；2)根据所述探测得到的环境参数对所述至少一个地理区域的所述农害昆虫的生长情况进行判断；以及3)根据判断结果，向可能爆发虫灾的地理区域发出警报。本发明通过对与诸如东亚飞蝗的农害昆虫的不同生育周期有关的环境参数进行测量，并将其与预先建立的适于其不同生育周期的环境参数进行比较和判断，从而可以在虫灾爆发之前有效地做出预警并为虫灾爆发前对害虫的减灭工作提供有效的指导。另外，本发明的方法还可被应用于森林病虫害的监测和治理。
文档编号G01N33/00GK1580764SQ03153229
公开日2005年2月16日 申请日期2003年8月8日 优先权日2003年8月8日
发明者马建文 申请人:中国科学院遥感应用研究所
专业数控铣床产品供应商
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