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基于光谱技术的水稻稻纵卷叶螟受害区域检测

引 言 农作物病虫害是引起粮食减产和品质下降的重要因素之一,严莺威胁粮食安全。传统病虫害的检测主要由农业生产者和植保专家在田间肉服观察,基于经验进行诊断,费时费力且不利于大范围的开展Ll』。采用分子技术的诊断方法主要应用光学显微镜、透射电子显微镜技术、生物测定技术、生物电子技术等,此类方法由于检测精密,实时性较差,难以在农业生产实际中得到推广。 因此,开展作物病虫害的快速检测方法研究对提高作物产量和减轻农业损失具有重要意义。由于植物遭受病虫害的侵染后,其外观形态和生理效应发生变化,如卷叶、落叶、枯萎等,导致冠层形状变化;叶绿素组织遭受破坏,光合作用减弱,养分吸收、运输和转化等机能衰退,受害植物的光谱特性与健康植物的光谱特性相比,某些特征波段的反射率会发生不同程度的变化[2]。因而可以采用光谱分析技术、遥感技术等进行作物病虫害快速检测,为适量喷洒农药提供依据。其中遥感技术从大尺度上分析作物病虫害的发生发展情况,而针对具体作物的病害情况则需要地面非成像光谱数据的积累和支持[}引。国内、外利用光谱分析技术围绕作物病虫害开展了大量的定性和定量的研究。早在20世纪70年代Beverly等¨1就提出利用玉米叶片的反射光谱检测玉米矮花叶病毒及小斑病菌的感染。Hamedt7矗],Moshou等【9]分别对小麦真菌病和条锈病进行了检测。 20世纪90年代,我国开始对多光谱诊断植物病害情况进行初步研究[10’¨]。近年来,相关专家学者就小麦条锈病[1215]进行了监测和识别、水稻稻叶瘟和胡麻斑病进行了估测[2—6|,同时针对番茄、棉花等作物病虫害快速检测进行了大鼍的研究和试验07-2a]。由于作物及作物病虫害种类繁多,基于光谱分析技术的病害特征不尽相同,因而针对具体作物的具体病害种类展开详尽的研究,具有莺要的现实意义,也可为大尺度监测田间作物病虫害提供有利的支持。稻纵卷叶螟是一种迁飞性害虫,田间虫口密度高,危害范围广,历期长,其对水稻植株上部功能叶片的危害直接影响水稻灌浆物质的积累,进而影响水稻产量。目前国内针对田间稻纵卷叶螟的快速检测研究刚刚起步,迫切需要引入快速、高效的监测技术为田问稻纵卷叶螟虫害防治提供指导。本研究即以大田水稻为对象,以水稻光谱信息采集为主要手段,结合田间稻纵卷叶螟受害情况调研数据,考察受害区和对照区水稻冠层反射光谱特征差异,选取稻纵卷叶螟受害水稻敏感波段,分析稻纵卷叶螟受害区定性检测参数,为建立普适的水稻稻纵卷叶螟检测模型进行探索,从而达到早发现、及时防治病虫害,以提高作物产量,减少经济损失。 1方法与材料 实验于2008年10月7~10日在广东省华南农业大学试验基地进行,水稻品种为玉香油占,已进入抽穗期。将稻纵卷叶螟受害区划分为50个5mX5in的小区,划分30个健康对照小区。对各受害区和对照区采集冠层叶片反射光谱数据,并对水稻受害情况进行田间调查。水稻光谱反射率数据的采集采用美国ASDFieldSpeeHH光谱辐射仪(Anal”ieal SpectralDevices,Inc.,USA),测量的波长范围为325~1075nm,光谱分辨率1nm。实验选择晴朗无云或少云的天气,分别于2008年10月8日、9日10~12时采集田间冠层叶片反射光谱。光谱仪探头垂直向下,距叶片冠层30cln左右,每次采集目标光谱前后进行参考板校正,每点反复测量3次取平均值作为该小区光谱测量结果。对各受害小区,随机选取两丛进行人工查数,调研稻纵卷叶螟受害情况,分别记录其总叶片数LT,受害卷叶叶片数La及叶片白斑数Lb,从而统计各区受害情况。利用(1)式进行计算受害水稻的卷叶率Ca和白斑率Cb,将Ca和G相加即得稻纵卷叶螟总受害率crG=LIX100/L,r;Cb—k X100/b (1) 2结果与讨论 2.1受害区水稻冠层光谱特征分析图1为水稻受害区和对照区冠层反射光谱曲线。依照稻纵卷叶螟总受害率划分为0~10%(轻度受害)、20%~40%(Ⅱ中度受害)和40%以上(Ⅲ重度受害)3个等级,其中o~10%受害程度较少且在病害区中数据源较少,故针对其他2个等级与对照区(I)的冠层反射光谱进行比较。如图1(a)所示,在可见光区(400~700rim),550 nln附近中度受害水稻冠层反射率明显低于对照冠层反射率值,萤度受害水稻冠层反射率则高于对照区冠层反射率。与对照区冠层反射光谱相比,水稻受害时,叶片受损及干枯导致叶绿素含量降低,因而对红光波段(600~700nm)的吸收减小。近红外区(7001 000咖)如图l(b)所示,冠层反射率急剧增高,中度受害区域冠层反射率仍低于对照冠层反射率值,重度受害水稻冠层反射率则与对照区冠层反射率接近;特别地,在750~770nrn范围内,受害水稻冠层反射光谱曲线均不同程度出现“尖峰”波动,而对照区冠层反射光谱曲线较为平缓。 2.2稻纵卷叶螟受害水稻一阶微分光谱特征由于微分光谱可以消除基线漂移和平缓背景干扰的影响,同时提供比原始光谱更高分辨率和清晰的光谱轮廓心引,并可以计算求得光谱的红边参数,因此对稻纵卷叶螟受害区和对照区光谱曲线进行一阶微分计算。一阶微分光谱的计算如公式(2)所示,其中丑表示波长i处的原始光谱反射率数据,f(xi)表示波长i处的微分光谱反射率数据,h为差分步长。/(Xi);(一11丑+18矗一1—9鼯2+2z一)/6h (2)由图2对照区和受害区一阶微分均值曲线可知,在可见光区受害与对照微分光谱基本一致,而在近红外区受害微分光谱峰值低于对照Ⅸ峰值,且光谱曲线红边拐点发生“蓝移”,即向短波方向移动;此外在750nln后出现跳跃和谐波,可能由于受害水稻叶片表皮和叶肉细胞被破坏且叶片外观形态发生卷曲所致。 2.3水稻稻纵卷叶螟受害区判别为了从广域上判别水稻稻纵卷叶螟受害区域,对各受害区和对照区原始光谱进行了零均值化计算,进而计算均方差得到修正曲线。由于均方蒡可反映各厌内样本数据与其均值的偏离程度,故建屯修正曲线针对受害区不同受害状态的水稻冠层反射率差异较大的特点,直观观测某些特征波段上样本离散度的情况。结果如图3所示,可见光区(400~700am)受害区与对照区修正曲线趋势相近;近红外区(750~950 rim)对照区冠层光谱修上E曲线相对平缓,而受害区冠层光谱修正曲线变化剧烈,随波长的增加呈上升趋势;且随受害程度的增加,受害区修正反射率值上升。由此可直观判别∞o量oo—叫由∞2840毗吣吣OO0≤》譬。留_sJ岳 万方数据1082 光谱学与光谱分析 第30卷广域内水稻是否受稻纵卷叶螟虫害侵扰。垮b≯耋01:::夸一 Wavelength/nm嗽3Modifmd他m蛐岫∞ofricecanopy1;CzTntrast region;2:Moderatedemaged;3l Severedemaged 2.4稻纵卷叶螟受害检测参数分析植被指数由于涵盖多波段信息可以更加有效地探测地物,被广泛应用于作物长势、病虫害和产量估算等农业领域。针对中度受害区,进一步研究了水稻稻纵卷叶螟受害的检测参数,利用受害冠层反射光谱存在“尖峰”波动的特征,选取762和774nm波长反射率数据分别构建近红外区比值指数(NIR-RⅥ)、差值植被指数(NIR_DⅥ)、和归一化植被指数(NIR-N】D、厂I)和斜率指数(KI),如表1所示。Table1 Detectionparameters0fC舰tphalocrocismedinaUs Guenee参数 公式 对照区 受害区NTl}RVl(762。774) R762/Rm0.924NIR-DVI(762,774)R762一R774--0.007N琥一NI)Ⅵ(762,774) (岛62一岛“)/(R7_6z+Rm) -0.039KI(762,774)(R762-R774)X100/(762-774)0.0652.1480,048o.365一O.410分析表1所示结果可知,利用NIR-NDVI特征可以有效地区分对照区和受害区区域,以0为特征值,NDVI值大于0的即为受害植株;受害区中随机抽取的25个样本数据进行验证,准确率达70%。然而由于作物冠层反射光谱受外界环境、作物营养、生长阶段等多种因素的影响,该检测参数的适用性还需进一步进行论证。 3结语 本文针对水稻稻纵卷叶螟受害检测进行了初步探索。研究以水稻光谱信息采集为主要手段,结合田间稻纵卷叶螟受害情况调研数据,考察了受害区和对照区水稻冠层反射光谱和一阶微分光谱特征差异,通过分析总体样本修正曲线,提供了直观判别广域水稻是否受稻纵卷叶螟虫害侵扰的依据,进一步分析了稻纵卷叶螟受害区定性检测参数,为建立普适的水稻稻纵卷叶螟检测模型进行了初步的探索。研究结论如下:(1)比较水稻受害区和对照区冠层反射光谱曲线可知,在可见光区(400~700rim)。550nnl附近中度受害水稻冠层反射率明显低于对照冠层反射率值,重度受害水稻冠层反射率则高于对照区冠层反射率。水稻受害时,叶片受损及干枯导致叶绿素含量降低,对红光波段(600~700rim)的吸收减小。近红外区750~770珊范围内,受害水稻冠层反射光谱曲线均不同程度出现“尖峰”波动,对照区冠层反射光谱曲线较为平缓。(2)分析对照区和受害区一阶微分均值曲线可知,在可见光区受害与对照微分光谱基本一致,而在近红外区受害微分光谱峰值低于对照区峰值,且光谱曲线红边拐点发生“蓝移”,即向短波方向移动。(3)构建并分析反射光谱修正曲线可知,在750950n/n对照区冠层光谱修正曲线相对平缓,而受害区冠层光谱修正曲线变化剧烈,随波长的增加呈上升趋势;且随受害程度的增加,受害区修正反射率值上升,可从广域上直观判别是否受稻纵卷叶螟侵扰。(4)针对中度受害区,选取762和774nln波长反射率数据构建植被指数,经分析认为利用NIR-NDVI特征可以有效地区分对照区和受害区区域,经验证,准确率达70%。

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