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预测(Forecast〉是指对研究对象的未来状态进行预计和推测,广义地讲,说是预测者根据历 史资料和新的信息情报,运用适当的方法和技术,对研究对象的未来状态进行科学的分析、估算 和推断。
预测学的认识论和方法论与宿命论(Predestinarian)所认为的客观事物是预定的 (predeteminative〉观点不同,而首先是遵循在客观事物的可知性和可能性基础上的,认为事物 的未来状态是可预测的〈predictive〉。
自然科学的主要任务在于正确认识世界的物质性,认识物质间的相互联系和相互制约关系, 以及物质从一种状态向另一种状态转化的规律等等。认识世界的目的是为了改造世界。只有正确 地认识世界,才能更好地改造世界。预测科学在认识方面与一般自然科学相比,有更进一步的特 殊性质,众所周知,对事物的过去和现在的存在状态的认识,是意识对存在的反映,或者说是存 在决定意识的问题,是主观正确反映客观的问题。这固然已属不易,还存在诸多的困难。然而, 预测科学不仅要正确认识事物的过去和现在的客观存在状态及其变动规律,还要通过对事物的过 去和现在各种变动状态的分析、区分,去伪存真,并从中获取各种有关变动的必然性和偶然性(或 然性〉的概率分布信息,以及变动的趋势、征兆和苗头,运用高度科学的和严格的分析手段和技 术去判断和推论出事物未来可能出现的趋势和状态水平。可想而知,它的困难程度比一般的认识 世界要大得多。科学的预测应建立在对事物的过去(历史的〉和现在的状态的大量的调查和整理 的基础上,以获取大量丰富的信息后,再运用正确和先进的技术和手段,对信息进行筛选和演绎, 才能作出对事物未来发展趋势、状态的准确判断和预见。
自古以来,中国的《易经》,八卦,西方中世纪的诺查旦马斯的大预言等等,人们早就开始了 预测活动。二十世纪以来,预测学更已成为自然科学和社会科学各项应用领域中必不可少的分支 学科。要更好地改造世界,必须事先认识世界,例如,天文预测、全球气候预测、水文预测、地 震预测、人口预测、城镇发展预测、粮食预测、可利用资源预测、环境保护预测、农林植物有害 生物预测等等都直接与人类社会和国民经济有关。预测的理论和方法、技术都有了长足的进展, 如对称规律、可数规律、周期性规律、贯性原则、类推原则、相关原则等与预测有关的原理,以 及二十世纪新兴的三论一一系统论、信息论和控制论均在预测科学中得到应用和发展。特别是计 算机的广泛应用使预测科学得到迅猛发展。"3S"技术,即地理信息系统(GIS〉、全球卫星定位 系统(GPS)及遥感遥测系统(RS),也已开始研究和应用于测报的监测和分析判断,使得人们可 以主动采集和分析事物存在的时空状态及其与有关因素间的关系,使人们的认识客观世界的能力 达到多维的水平。必须指出,尽管科学已发展到二十一世纪,但我们仍不得不承认,世界上至今 仍有许多事物和规律不能为人类所认识和把握,而且事物还在不断地发展变化,因此,认识世界 是无穷尽的。其实任何事物即便说已经被人们认为是科学的理论和规律,都要经历一个"现象, 认识-理论"的过程,并还可能被不断修正或更新。农作物有害生物的预测预报的水平与上述有关 应用学科中的预测学相比,无论是理论上或是技术上,都有许多方面相对比较落后,但在以生物 学为基础的病虫害短期预报技术方面,已为广大植物保护工作者所掌握,并达到相当准确和时效的程度。
一、农作物有害生物预测〈以下简称"预测勺的历史沿革与进展
1、全国有害生物预测预报网络机构的建设进展
早在1956年底全国建立了专业性测报站138个,群众性测报点1890个,1978年原农林部成 立了农作物病虫预测预报总站,以后各级政府陆续投资建设病虫测报机构,基本建成了从中央到 省、市、县(市〉的全国测报网体系。到2000年,全国共有专业性测报机构2000余个,从事测 报工作的专业技术人员8300余人。1989·2002年,国家实施了农作物病虫预测预报网络体系建设 项目,而且,1998·2002年国家实施了植物保护工程,加强了农作物病虫预测预报基础设施建设工 作,中央和地方政府共同投资,己建成国家级农作物病虫区域性测报站500多个,初步建成了全国农作物有害生物监测预报体系。
2、农作物主要病虫预测预报标准办法的建设进展
早在50年代初期就开展了东亚飞握和小麦吸浆虫的虫情侦查和预报,国家十分重视病虫测报 标准的制订工作。1952年,在农业部召开的全国治螺座谈会议上,制订了中国第一个测报标准办 法,即《螺情预测办法》。1955年农业部颁布了《农作物病虫害预测预报方案》。60年代开始,连 续多年组织专业人员整理印发全国主要病虫基本测报资料汇编,供全国共同使用。1973年农林部 召开农作物病虫预测预报座谈会议,制订了27种(类） ＜＜主要农业作物病虫预测预报办法》。1979 年,农业部分别召开各类农作物主要病虫测报技术座谈会议,修订和制订了《农作物主要病虫测报办法》,并于1981年第一次正式公开出版发行了全国统一的测报标准办法。全书共包括有32 种(类〉主要病虫,并总结了我国迁飞性害虫的研究成果,首次编入了迁飞性害虫异地预报办法。 1986-1992年,农业部又将标准化建设工作引入了病虫测报行业,制订出15种病虫《测报 调查规范》,经国家技术监督局批准,以中华人民其和国国家标准颁布,于1996年6月1日正式 实施,实行测报标准化是提高病虫测报质量的重要保证。
3、监测数据与预测信息快速传递和预报手段的建设进展
20世纪80年代以前,都以信邮方式进行监测数据和预报信息的传递和发布,工作量大,传 递速度慢。1979年,由农业部统一创制了一套特有的电报编码程序,即《农业病虫测报专用电码》, 作为公益电报(BCH〉在全国电信部门通用。1981年,在全国普遍应用了农作物病虫监测预报模 式电报,使预报内容规范化,编报程序化,传递快迅化,并通过无线广播台层层发布重要虫情、 尤其在基层测报站均能够通过有线广播,将虫情及防治意见直接传送到千家万户,对于及时扑灭 农作物有害生物灾害,保障农业生产安全,发挥了十分重要的作用。
20世纪90年代开始,国家投资建设的各区域性测报站陆续配备了电子计算机和传真机。目 前,全国基本以电子邮件和传真机作为病虫监测数据和预报信息传递平台。在数据的规范化管理 方面,已开发出棉铃虫和水稻病虫全国统一数据库管理系统。目前,正朝着通过国际互联网系统, 实现全国统一的有害生物专用网络系统的方向发展。
20世纪末以来,农业部农作物病虫测报机构和部分省(区〉农作物病虫预测预报单位,不断 把现代媒体技术、信息技术引入病虫预测预报工作领域,开发农作物病虫灾害预报可视化(电视〉 预报信息平台,大力推进农作物病虫可视化预报工作的发展。部分农作物病虫测报机构配备了数 码相机、数码摄像机、扫描仪、光盘刻录机、电频采集编辑卡等电视预报的硬件设备,并应用 Photshop,Photoline,cordmw等图像处理软件,和Adope Premiere、VIdeocraR等电影制作软件, 制作了电视预报光盘,在各级电视台播出。形象直观、图文并茂、及时准确地发布了病虫灾情动 态和防治技术措施等信息,提高了预报质量和利用效率。
国外农作物病虫预测预报工作比我国起步旱,技术进步很快。前苏联和日本在20世纪40年 代就开展了重要病虫的测报工作。如日本在20世纪40年代就由政府制定了有关法律,确定了农 作物病虫测报的任务,20世纪60年代以来,建立健全了全国测报和防除机构及人员编制。除政 府聘用的800多名专职技术人员外,全国还有9000多名病虫业务调查员和几千个观察点,实行测 报数据和情报的统一管理。目前,日本中央政府及47个县已组成计算机联网系统,统一应用DRESS 专用软件系统,以中央政府为中心,47个县各有亚中心,形成了大型电子计算机全国联机网络系 统,负责全国数据收集、处理、贮存和传递,中央政府能迅速得到测报数据资料,预报信息也能 迅速发布、传递和相互交换。目前,日本可发布32种作物(以果树、蔬菜、花卉等为主),208 种病虫鼠害的预报。
20世纪70年代以来,美国、加拿大、英国等国也相继建立了测报资料的计算机数据库。美 国的许多州,建立了病虫综合管理计算机网络中心系统,病虫的监测数据能及时通过网络传送至 中心,经整理分析后发布病虫预报及防治意见信息,可直接通过网络传送给农场主。西欧建立了 一个由14国参加的妨虫联合测报网络,统一用Taylor吸虫器定期采集甥虫样本。该网络中心设在 英国洛桑试验站,由该站统一鉴定甥虫种类,进行数据统计贮存、整理和分析计算,发布虫牙虫发 生趋势预报信息。另外,"3S"技术已在病虫测报中得到一定应用。美国、英国、澳大利亚等国利用雷达对迁飞性害虫的空中监测也进行了深入的研究和初步应用。
中国作为一个发展中国家,在农作物病虫测报工作方面虽已有相当的规模和成就,但与发达国 家相比,尤其在资金的投入,高新技术和设备的建设和应用、机构健全方面还有很大差距,需要 各级政府和有关部门的大力支持,更需要广大植物保护工作者的不懈努力。
二、预测的原理
虽然农作物病虫预测涉及的领域广泛,研究的预测对象十分繁多,所用的方法手段也五花八 门,但通过人们长期的研究和实践,通常将人们对预测的思维方式归纳为以下三个原理。
1惯性原理:客观事物的发展变化过程常常表现出它的延续性,通常也称为"贯性原则气或 连贯性原则。可以说没有一种事物的存在和发展与其过去的行为没有联系的,过去的行为和表现 不仅影响现在的存在和状态,还会影响未来的状态和表现。这也表明任何事物的发展都有时间上 的延续性,或也称有时间上的惯性。客观事物运动的贯性大小,取决于其本身的动力大小,以及 外界因素制约的程度。研究对象的贯性越大,说明其延续性越强,越不易受外界因素的干扰而改 变其本身的运动倾向。如果我们对事物的过去到现在的贯性或延续性有所了解,那么就为预测提 供了依据。也就可预测其向未来的延续状态或趋势。贯性原理是各种趋势外推预测方法的理论依 据。这种延续性往往可表现在两个方面z (1〉事物发展趋势的特征(如发展方向、速度、变化周 期等〉在未来一段时间内的表现。据此,可建立种种趋势外推模型进行预测。〈2〉在一定时间内, 某些外界因素的联系结构和相互作用关系可按一定的格局延续下去。也就是说系统的结构和机能 将在未来一段时间内保持下去。因此也可建立有关结构或功能的外推预测模型,进行预测。 事物运动的贯性或延续性的存在,为预测的可行性提供了理论依据。目前,常用的一些预测 方法和技术,有许多属于贯性原理的范畴。如常用的利用时间序列外推法建立的趋势预测模型, 即属于第一类延续性质,它假定研究的对象将随时间的推移而会按照一定的趋势和一定的变化比 例向前发展。而利用回归分析法建立的因果关系预测模型,即属于第二类延续性质。这类回归分 析的因果关系模型反映了各种变量在过去发展变化中的依赖关系和内在相互制约作用,而预测正 是依据这些结构和功能关系的延续性。
2类推原则z世界上许多事物的发展和变化常表现有类似之处,利用事物之间状态表现上的 某些相似之处的特性,就可把发生(或已知的)事物的状态表现过程或形式类推,或预测到未来发 生的或后发生而尚未知的事物的发生状态表现。在预测中人们常从以下三方面来进行类推20)依j 据历史上曾发生过的事件来推测当前或未来:(2)依据其他地区曾发生过的事件,来推测本地区 将发生的状态,如根据迁出地(或虫源地)已发生的迁飞害虫发生期和发生量来预测迁入地未来的1 害虫状态:(3)根据局部推总体。类推原则不能用于所有事物的预测。必须通过仔细的分析、比| 较,首先确定两种事物间确实存在类似性,才能应用。
3相关原则z世界上任何事物的存在和发展都不是孤立的,而是与其他事物的存在和发展具;| 有或多或少的相互影响、相互制约或相互依赖的关系。事物之间的这种相互相关的关系,常表现 出因果的关系,所以在深入分析事物之间的这种相互关系的基础上就能预测其未来的变动状况。? 当然,某事物的状态变量并不是与任何某一个或多个其他事物状态变量存在显著的相关关系。因· 此,相关原理的应用关键在于首先要找出到底与那一个或多个事物间确实存在显著相关关系,而;
与其他一些事物间却没有显著关系,这便是因子选择的重要性。相关事物的联系又分为同步的和 不同步的:直接的或间接的等类型。总之,相关原则在指导预测中是极为重要的科学原理。 此外,不确定性(或然性)分析和概率判断准则在预测中也十分重要。上面我们己说到预测学的世 界观或指导思想是世界的可知性和可能性,但限于目前人们的科学发展水平,可以说,世界在目 前时刻尚有许多事物的存在和变化规律是未知的或不确定性的。但随着科学的发展,这类不确定 的状态也可能将成为确定性的和可知的。但毕竟在目前或相当长时期内,我们只能将之视为不确 定性的,在预测中我们也常称之为随机性或随机事件。对于随机事件如何进行预测呢?常用概率 论或数理统计方法,求出随机事件出现各种状态的概率,然后根据概率判断准则去推测预测对象 的未来状态出现的概率,也称之为概率预报。
三、测报的类别
(一)按预测内容分
1发生期预测发生期预测就是预测农作物有害生物的某种虫态或虫龄的出现期或为害期: 某种病害的侵染过程时期,或流行阶段z对具有迁飞、扩散习性的害虫,预测其迁出或迁入本地 的时期。从害虫生活史、病菌的侵染或流行过程、物候学的角度,研究预测其发生期。以此作为 确定防治适期的依据。
2发生量预测发生量预测就是预测有害生物的发生数量或田间虫口密度:病害发生程度的 普遍率或严重度等,主要是估测病虫未来的虫口数量或病害流行程度是否有大发生趋势,是否会 达到防治指标。从有害生物猖獗理论及农业技术经济学观点出发,运用多年积累的系统资料,以 此作为中、长期预测的依据。
3迁飞害虫预测迁飞预测是根据害虫发生虫源或发生基地内的迁飞害虫发生动态、数量, 及其生物、生态和生理学特性,以及各迁出迁入地区的作物生育期与季节相互衔接的规律性变化, 结合气象预测资料,来预测迁飞的时期、迁飞数量及作物虫害发生区域等。 4危害程度预测及产量损失估计在发生期、发生量预测的基础上,根据病菌的致病力、害 虫的为害能力和作物产量的损失率,从而推断病虫灾害程度的轻重或所造成损失的大小:配合发 生量预测进一步划分防治对象田,确定防治次数,并选择合适的防治方法,控制或减少危害损失。 5风险评估可分为外来入侵性有害生物风险评估和内源性有害生物风险评估。前者是指对 检疫性有害生物」旦侵入后,可能在那些区域定殖和造成危害程度的评估:后者则是指对非检疫 性有害生物可能在那些区域的发生和危害程度的评估。
(二)按预测时间长短分
1短期预测短期预的期限大约对病害一般为1周以内,对害虫则大约在20天以内。一般作 法是:根据过去发生的病情或1、2个虫态的虫情,推算以后的发生时期和数量,以确定未来的防 治适期、次数和防治方法。其准确性高,使用范围广。
2中期预测中期预测的期限,一般为20天到一个季度,常在一个月以上,但视病虫种类不 同,期限的长短可有很大的差别。如一年一代、γ年数代、一年十多代的害虫,.采用同一方法预 测的期限就不同。通常是预测下一个世代的发生情况,以确定防治对策和进行防治工作部署。 3长期预测长期预测的期限常在一个季度或一年以上。预测时期的长短仍视有害生物种类 不同和生殖周期长短而定。生殖周期短、繁殖速度快,预测期限就短,否则就长,甚至可以跨年
度。超过一年以上的预测,也可称为超长期预吻。
(三〉按预测空间范围分
1迁出区虫源预测(或本地虫源预报)在一定环境条件影响下,某种昆虫从发生地区迁出或 从外地迁入的行为活动是昆虫种群行为之一。迁出区虫源预测主要查明迁出区的虫源基数和发育 进度,是属于迁出型还是本地型虫源,再分别组织实施预测。
2迁入区虫源预测(或异地虫源预测)迁入区虫源预测主要查明迁入地区的气候条件、作物 长势和生育期阶段,以及迁入区的虫情,预测迁入害虫未来发生趋势。
四、预测的方法
有害生物预测的方法可分以下几大类。
1以生物学为基础的预测法这类方法都以生物的生长发育、生存、繁殖、侵染循环、生活 史等生物学特性为基础,结合环境因素的影响或相互关系,并分析出一定的生物学参数或关系式。又可分为经验预测和实验预测两大类。
(1)经验预测是在20世纪50-60年代我国的植保工作者发展起来的。是指观察有害生物 的发生和作物物候变化、气候变化间的种种关系,明确其发生基数、生活史J发育速度等与环境 间关系,应用物候现象、发育进度、生物数量基数、繁殖系数、气候指标、菌量指标等调查观察 指标进行预测,一般有发育进度预测法、分龄分级预测法、物候预测法、气候图预测法、经验预 测法等短期预测,准确性很高,至今仍为基层测报系统最常用的基本方法。 (2)实验预测法应用实验生物学方法,求出某些生物学参数,例如通过实验求出害虫发育 与温度间关系及其发育起点温度、有效积温常数等,然后利用气象资料可进行发生期预测。通过 实验测定病害的侵染率、潜伏期、流行过程等,然后可以通过计算一定的生物学参数或模拟模型 进行病害发生期预测。通过天敌与害虫间的种间竞争实验,总结出一定竞争参数和模型,可对天 敌的控制作用进行预测。随着MoMs R F(1963)报导根据稻纵卷叶螺种群生命表,建立了种群预 测模型。在20世纪60一70年代国际上盛行着种群生命表的研究。通过生命表研究可以获得多项 种群生命过程的生物学参数,并可模拟建立多种生命系统模型。随着电子计算机的普及,这类预 测模型将有很大的生命力。但由于研究和组建种群生命表需要很长的时间和花费人工,故不易被 人们采纳接受。
(3)数理统计预测法用数学方法来进行预测己不是新鲜的事了。数学预测可分为动力学预 测和统计预测两大类。由于事物的状态或其他事物间的关系一般可分为确定性的与非确定性的两 大类。例如昆虫的发育速率与外界温度的关系,即有效积温法则,已证明为确定性关系,但昆虫 种群数量的动态与气候的关系,却由于其涉及的生物学特性或外界条件十分复杂,干扰很大,有 些机制还不明确。故一般认为是非确定性关系,或称为随机性关系。数学对这两类状态的描述或 预测已发展成为两大体系z确定论和概率论。确定论认为:只要己知所有系统的初始条件就可以 从确定方程中算出将来的一切,也就是动力学预测,例如上述的有效积温法则计算公式,害虫与 病害预测中常用的"S"形曲线〈Logistic curve),天敌与害虫的种间竞争模型等。动力学模型又 称机理模型,模型一般可得到生物学机理的解释。但实际上,事物的存在状态和相互关系还存在 大量的非确定性过程,主要有两大类即模糊性和随机性,将这两者的数学理论和方法应用在预测 上即为统计预测。目前大约300多种预测方法中,绝大多数属于统计预测。大致可将统计预测归为三大类:一是专家调查法,如德尔菲调查法:二是因果关系分析法,如回归分析、相关分析、 相似分析、差别分析、模糊分析、聚类分析等:三是时间序列分析法,如自回归滑动平均、指数 平滑、季节交乘、方差分析、周期外推法等。统计预测不考虑系统的真实性、结构、功能等机理, 因而是属于"现象学"的范畴,它只是统计过程的综合结果,故较易于实行,在一定条件下也是 有效的。但预测效果不够稳定,或不能作机理性解释。因此,如何将动力学预测与统计预测或下 面的信息预测结合起来,正是今后的研究方向。
(4)信息预测法信息论、控制论和系统论,总结了20世纪现代科学技术发展后的三种科学 的方法论。信息预测就是以抽象体系、物理体系和信息体系作为预测的理论基础,并且把自然科 学和社会科学的预测统一起来。基于信息的预测需要对客观事物作具体的分析,寻找其内在的各 种普遍规律,收集各方面的有关信息,包括各种病虫资料、农业措施、经济情报和多种外界条件, 加以适当的综合,将信息按它们之间的关系加以归类,如定性和定量的关系、整体与局部的关系、 平行的关系、连接的关系、动态的关系等。信息经综合后具有的特点是z ①加上了专家的主观因 素,并常占有突出地位z ②预测的程序随结果检验不断更新,故具有自我学习、修正的功能:③ 信息处理量随着综合过程增加。
信息预测方法随着计算机技术的发展得到了飞跃的发展。利用计算机组建大型数据库、知识 库管理系统,有害生物预测系统和信息传递和管理系统、决策支持系统、专家系统和地理信息系 统等。
信息预测法在国外研究较早,20世纪70年代已有较成功的例子,而在我国则是从20世纪80 年代才开始起步的。随首信息技术各方面的发展,使信息预测法成为当前研究的热点,它的另一 个优点是能综合利用各类预测方法,例如专家系统与统计预测或决策支持系统相结合:基于人工 神经网络的预测方法等都已证实为准确率很高的优秀预测方法。
五、预测的步骤
预测的过程一般包括以下几个步骤z
1根据预测的任务确定预测目标具体地说就是按计划、决策的需要,确定预测对象、规定 预测的时间期限和希望预测结果达到的精确度等。
2收集和分析有关资料和情报资料和情报是预测的基础,可以从中分析得到反映预测对象 特性和变动倾向的信息。原始资料必须经过加工整理,以便去粗取精、去伪存真,并制成数据库 或各种应用文件。对资料和情报的一般要求是要准确、及时、完整和精简实用。 3选择预测方法并组建数学模型进行预测预测者经分析、研究、了解预测对象的特性,同 时根据各种预测方法的适用条件和性能,选择出合适的预测方法。预测方法是否选用得当,将直 接影响预测的精确度和可靠性,运用预测方法的核心,是建立描述、概括研究对象特征和变化规 律的模型。定性预测的模型是指逻辑推理的程式。定量预测的模型通常是以数学关系式表示的数 学模型。根据预测模型,输入有关资料、数据,即可得到预测结果。由于根据不同的预测方法组 建的数学模型其预测结果也有差异,因而在实际操作时需要比较各模型的预测结果,从中选出最 佳的或将各方法所得结果按权重集成后进行实际应用。
4预测评价和检验修正预测评价就是对预测结果的准确性和可靠性进行验证。预测结果受 到资料的质量、预测人员的分析判断能力、预测方法本身的局限性等因素的影响J未必能确切地
估计预测对象的未来状态。此外,各种影响预测对象的外部因素在预测期限内也可能出现新的变 化。因而要分析各种影响预测精确度的因素,研究这些因素的影响程度和范围,进而估计预测误 差的大小、评价原来预测的结果。在分析评价的基础上,通常还要对原来的预测值进行检验、修 正,得到最终的预测结果。
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