枸杞4大病蟲害的遙感近地高光譜特征

馬 菁， 張學(xué)儉

(寧夏農(nóng)林科學(xué)院， 寧夏 銀川 750002)

枸杞4大病蟲害的遙感近地高光譜特征

馬 菁， 張學(xué)儉*

(寧夏農(nóng)林科學(xué)院， 寧夏 銀川 750002)

為給枸杞病蟲害的防治提供依據(jù)，填補我國枸杞光譜特征研究方面的空白，采用近地高光譜遙感方法對枸杞主產(chǎn)區(qū)寧夏中衛(wèi)市中寧縣枸杞的健康冠層與枸杞木虱、癭螨、負泥蟲和白粉病等4種枸杞病蟲害危害冠層的近地高光譜特征及變化規(guī)律進行研究。結(jié)果表明：不同病蟲害感染后的冠層都具特有的光譜特征規(guī)律。健康枸杞冠層的光譜特征曲線較為平滑，其光譜反射率在紅光波段700～760 nm和近紅外波段處高于染病冠層；木虱、癭螨和負泥蟲危害的冠層光譜特征曲線較為曲折，出現(xiàn)較多折點，并且發(fā)生藍移現(xiàn)象；白粉病危害冠層的光譜特征較其他3種病蟲害的平緩，但其光譜反射率在近紅外波段較健康枸杞冠層的低。隨著受害程度的加重，木虱危害的枸杞冠層光譜反射率在紅光波段700～760 nm處和近紅外波段處降低；癭螨危害的枸杞冠層光譜反射率在綠光波段550～600 nm和紅光波段600～700 nm處升高，在紅光波段700～760 nm處和近紅外波段處光譜反射率降低；負泥蟲危害的枸杞冠層光譜反射率在紅光波段700～760 nm和近紅外波段處降低；白粉病危害的枸杞冠層光譜反射率在藍光波段、綠光波段和紅光波段600～730 nm處升高，在紅光波段730～760 nm和近紅外波段處降低。

枸杞； 病蟲害； 近地高光譜； 光譜特征； 變化規(guī)律

寧夏枸杞(Lyciumbarbarum)系茄科枸杞屬，是名貴的中藥材和高級滋補品[1-2]。寧夏是全國枸杞的主產(chǎn)區(qū)，其中寧縣是世界枸杞的原產(chǎn)地，種植枸杞已有500余年的歷史，1995年中寧縣被國務(wù)院命名為中國枸杞之鄉(xiāng)[3-6]。近年來，枸杞作為當?shù)氐闹饕?jīng)濟作物，種植面積逐年擴大，但隨著種植面積的擴大及種植年限的增加[7]，加之氣候的異常變化，枸杞病蟲害發(fā)生也日趨嚴重，主要多發(fā)性成災(zāi)病蟲害有枸杞木虱、癭螨、負泥蟲、蚜蟲、紅癭蚊和白粉病等[8-9]，給生產(chǎn)造成了巨大的經(jīng)濟損失。

地物光譜特征是遙感理論研究和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)[10]。近地光譜指利用手持或者便攜式光譜儀在實驗室及野外測量農(nóng)作物冠層及葉片受病蟲害危害后的光譜反射率，其不僅能夠用于不同病蟲危害的光譜分析，篩選病蟲危害后的敏感波段，也可在應(yīng)用衛(wèi)星遙感前對地面病蟲危害的目標物光譜進行定標[11]。植被具有特有的光譜特征曲線，植被實測光譜數(shù)據(jù)可以用于研究植被的類型、植被識別和分類、植被生態(tài)學(xué)評價、植被化學(xué)成分估測、植被病蟲害及植被健康狀況監(jiān)測等[12]。Nillson[13]使用手持光譜儀研究作物生長、病蟲害危害和產(chǎn)量預(yù)測等。Michio等[14]研究發(fā)現(xiàn)，960 nm處的導(dǎo)數(shù)光譜可用于監(jiān)測水稻的水分虧缺狀況。Steddom等[15]用高光譜葉片反射率和多光譜冠層反射率數(shù)據(jù)研究黃化炭疽病對甜菜的危害情況。Apan等[16]研究西紅柿受晚疫病、茄子受28星瓢蟲危害后的光譜變化情況，并分析了光譜與病蟲害的關(guān)系。我國的光譜研究起步較晚。吳繼友等[17]研究松毛蟲危害的光譜特征；王人潮等[18]認為，通過光譜測定及其變換運算，可以區(qū)分不同氮素營養(yǎng)水平；黃木易等[19]研究冬小麥條銹病的冠層光譜特征；田慶久等[20]利用單葉片的光譜反射率在1 450 nm處水的吸收峰深度和面積與葉片水分含量呈極顯著關(guān)系診斷葉片的水分狀況。有關(guān)枸杞病蟲害的遙感近地高光譜特征研究目前在我國尚未見報道，為此，筆者于2013—2014年根據(jù)枸杞木虱、癭螨、負泥蟲、白粉病等不同病蟲害的致病機理，采用近地高光譜遙感技術(shù)，實測研究區(qū)枸杞冠層反射光譜數(shù)據(jù)，分析枸杞主要病蟲害的光譜特征及變化規(guī)律，以期為枸杞病蟲害的防治提供依據(jù)，同時填補我國枸杞光譜特征研究的空白。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗材料為4～5年生處于盛果期的寧杞1號品種，種植于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市中寧縣上渠、寬口井、花豹灣枸杞標準化生產(chǎn)示范基地。儀器為美國SVC GER1500手持式光譜輻射儀。

1.2 試驗時間與地點

試驗于2013—2014年枸杞病蟲害高發(fā)的5—10月在寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市中寧縣上渠、寬口井、花豹灣枸杞標準化生產(chǎn)示范基地進行。選擇晴朗無風的天氣，在13:00左右使用手持式光譜輻射儀，測定健康無病的枸杞冠層及感染木虱、癭蟎、負泥蟲、白粉病等的枸杞冠層的光譜特征值。

1.3 光譜特征值測定

由于不同病蟲害的致病機理和發(fā)病癥狀不同，枸杞冠層在染病后，在不同染病程度下，其光譜特征也隨之發(fā)生了變化。根據(jù)《寧夏回族自治區(qū)地方標準DB 64/T 852—2013》將冠層的染病程度劃分為輕度受害、中度受害和重度受害3個級別，分別測定感染4種病蟲害的枸杞冠層在輕度、中度和重度受害程度下的光譜特征值，并繪制健康枸杞冠層以及感染4種病蟲害的枸杞冠層在不同染病程度下的光譜特征圖譜。

采用隨機取樣法選擇樣本，每個點隨機調(diào)查2株枸杞樹。試驗共測定枸杞冠層樣本382組，其中，染病枸杞冠層樣本為295組，健康枸杞冠層樣本為87組。染病枸杞冠層樣本中，感染木虱樣本為81組，感染癭螨樣本為76組，感染負泥蟲樣本為68組，感染白粉病樣本為70組。每次測定前后都用標準參考板對儀器進行校正，測量探頭距冠層上方1.3 m且垂直向下，每小區(qū)重復(fù)測20次取其平均值代表該冠層的光譜值。為了消除數(shù)據(jù)噪聲，只研究波譜范圍350～1 050 nm的光譜反射率特征及變化規(guī)律。采集到的光譜值記為DN值，不是地物的光譜反射率，需要進行光譜反射率換算。換算公式：

R目標= (DN目標/DN參考板)×100

式中，R目標代表目標物的光譜反射率，DN目標代表目標物的光譜值，DN參考板代表參考板的光譜值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用GER1500光譜處理軟件、Excel 2007、SPSS 17.0等進行光譜數(shù)據(jù)的處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 健康枸杞冠層的光譜特征

由圖1可見，健康枸杞冠層具有典型的植被光譜特征。由于葉色、細胞結(jié)構(gòu)和含水量的影響，在藍光波段反射率低，綠光波段的中點550 nm左右形成1個反射率小峰，在紅光波段，起先反射率甚低，在670 nm附近達到低谷，隨后又上升，在700～800 nm處反射率陡峭上升，到800 nm附近達最高峰，強烈地反射近紅外輻射。

圖1 健康枸杞冠層的光譜特征

Fig.1 Spectral characteristics of healthyL.barbarumcanopy

2.2 感染病蟲害枸杞冠層的光譜特征

從圖2可見，不同病蟲害感染的冠層具有其特有的光譜特征規(guī)律。

2.2.1 木虱 木虱危害的枸杞冠層光譜較健康冠層的光譜曲折，出現(xiàn)較多折點；且隨著受害程度的加重，在藍光波段、綠光波段和紅光波段600～700 nm處，光譜反射率差異不顯著；在紅光波段700～760 nm處，特別是近紅外波段處，受害程度越重，光譜反射率越低。原因在于，木虱成蟲和若蟲在枸杞枝葉上刺吸危害，破壞了葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且其橙黃色的卵粒密布葉背，若蟲固著于葉表或葉下，致使植株生勢衰退。因此，在近紅外波段處其光譜反射率下降。

圖2 感染木虱、癭螨、負泥蟲和白粉病枸杞冠層的光譜特征

Fig.2 Spectral characteristics ofL.barbarumcanopy infected withPoratriozasinica，Acerimacrodonis，LemadecempunctataandPowderymildew

2.2.2 癭螨 癭螨危害的枸杞冠層光譜較健康冠層的光譜曲折，出現(xiàn)較多折點。在藍光波段、綠光波段500～550 nm處，隨著受害程度的加重，光譜反射率差異不顯著；在綠光波段550～600 nm處、紅光波段600～700 nm處隨著受害程度加重光譜反射率升高；紅光波段700～760 nm處，特別是近紅外波段，受害程度越重光譜反射率越低。原因在于，受枸杞癭螨危害，被害葉片上密生黃綠色近圓形隆起的小點，嚴重時呈淡紫色，在可見光波段，葉片葉綠素被破壞，致使色素吸收降低，導(dǎo)致反射率升高；而近紅外波段，癭螨破壞葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，呈蟲癭狀畸形，導(dǎo)致反射率下降。

2.2.3 負泥蟲 負泥蟲危害的枸杞冠層光譜較健康的光譜曲折，出現(xiàn)較多折點。在藍光波段、綠光波段、紅光波段600～700 nm處，隨著受害程度的加重光譜反射率差異不顯著；紅光波段700～760 nm處，特別是近紅外波段處，受害程度越重光譜反射率越低。原因在于，枸杞負泥蟲危害后，成蟲、幼蟲食葉使葉片造成不規(guī)則缺刻或孔洞，并在被害枝葉上到處排泄糞便，因此，在近紅外波段，葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致反射率下降。

2.2.4 白粉病 白粉病危害的枸杞冠層光譜較枸杞木虱、癭螨和負泥蟲等3種蟲害危害的光譜平緩。在藍光波段、綠光波段、紅光波段600～730 nm處，不同受害程度枸杞冠層的光譜反射率差異顯著，受害程度越重，光譜反射率越高；在紅光波段730～760 nm處，特別是近紅外波段，其光譜反射率差異顯著，受害程度越重光譜反射率越低。原因在于，白粉病危害后，枸杞葉片外觀呈白色，光合作用受阻，所以在可見光波段，由于染病冠層葉片的葉綠素被破壞，致使色素吸收降低，從而導(dǎo)致反射率升高。在近紅外波段，病害破壞了葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致反射率下降。因此，白粉病危害后可見光和近紅外波段的光譜反射率差異都很顯著。

3 結(jié)論與討論

1) 枸杞有明顯的植被光譜特征，但枸杞冠層被病蟲害感染后，光譜特征會發(fā)生異常，并且不同病蟲害感染的冠層都有特有的光譜特征規(guī)律。健康枸杞冠層的光譜特征曲線較為平滑，且在紅光波段700～760 nm和近紅外波段處其光譜反射率高于染病冠層的光譜反射率；木虱、癭螨和負泥蟲危害的冠層光譜特征曲線較健康枸杞冠層的光譜特征曲線曲折，出現(xiàn)較多折點，并且發(fā)生藍移現(xiàn)象；白粉病危害的冠層較其他3種病蟲害危害的冠層光譜特征平緩許多，但在近紅外波段，白粉病危害的枸杞冠層光譜反射率較健康枸杞冠層的光譜反射率低很多。

2) 隨著受害程度加重，木虱危害的枸杞冠層光譜反射率在紅光波段700～760 nm處和近紅外波段處降低；癭螨危害的枸杞冠層光譜反射率在綠光波段550～600 nm和紅光波段600～700 nm處升高，在紅光波段700～760 nm處和近紅外波段處光譜反射率降低；負泥蟲危害的枸杞冠層光譜反射率在紅光波段700～760 nm和近紅外波段處降低；白粉病危害的枸杞冠層光譜反射率在藍光波段、綠光波段和紅光波段600～730 nm處升高，在紅光波段730～760 nm和近紅外波段處降低。

3) 該試驗方法新穎，在枸杞病蟲害研究方面具有很大的創(chuàng)新性，先進的儀器和大量的數(shù)據(jù)支持，使得試驗數(shù)據(jù)具有很強的科學(xué)性。試驗采集的樣本量較大，具有一定的代表性，能夠較客觀真實地反映枸杞冠層的光譜特征，但是不排除因為樣本量不足而存在誤差的可能性。試驗選取的枸杞冠層均為感染單一病蟲害的情況，但在實際情況中，枸杞冠層常常被多種病蟲害混合感染，多種病蟲害混合感染的冠層光譜特征還有待進一步研究。

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(責任編輯： 王 海)

Remote Sensing Field Hyperspectrum Characteristics of Four Main Diseases and Insect Pests inLyciumbarbarum

MA Qing, ZHANG Xuejian*

(NingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan,Ningxia750002,China)

The field hyperspectrum characteristics and variation rule of Poratrioza sinica, Aceri macrodonis Keifer, Lema decempunctata Gebler and powdery mildew on the healthy canopy ofL.barbarumin Zhongning County, Ningxia were analyzed by field hyperspectrum remote sensing method to provide the basis for control of diseases and pests inL.barbarumand fill in the blank of spectral characteristics inL.barbarumin China. Results: The canopy infected with different diseases and pests has the specific spectral characteristic rule. The spectral characteristic curve of the healthy canopy is smoothness and its spectral reflectance at red spectral band 700～760 nm and near-infrared band is higher than the infected canopy. The spectral characteristics curve of the canopy infected withP.sinica,A.macrodonisKeifer, and Lema decempunctata Gebler is twisty with more breaks and blue-shifted phenomenon. The spectral characteristics curve of the canopy infected with powdery mildew is flat compared with other three pests but its spectral reflectance at near-infrared band is lower than the healthy canopy. The spectral reflectance of the canopy infected withP.sinicaat red spectral band 700～760 nm and near-infrared band reduces with increase of the harm degree. The spectral reflectance of the canopy infected withA.macrodonisrises at 550～600 nm and 600～700 nm and reduces at 700～760 nm and near-infrared band with increase of the harm degree. The spectral reflectance of the canopy infected withL.decempunctatareduces at 700～760 nm and near-infrared band with increase of the harm degree. The spectral reflectance of the canopy infected with powdery mildew rises at blue band, green band and red band (600～730 nm) and reduces at 730～760 nm and near-infrared band.

Lyciumbarbarum; diseases and insect pests; field hyperspectrum; spectral characteristics; variation rule

2015-05-22； 2015-12-27修回

寧夏回族自治區(qū)自然科學(xué)基金項目“枸杞病蟲害高光譜遙感監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究”(NZ14206) ;寧夏農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新先導(dǎo)基金項目“枸杞主要病蟲害遙感光譜特征研究”(NKYJ-13-10)

馬 菁(1988-)，女，助理研究員，碩士，從事農(nóng)業(yè)遙感研究。E-mail：majingstar@163.com

*通訊作者：張學(xué)儉(1965-)，男，研究員，碩士，從事農(nóng)業(yè)3S技術(shù)研究。E-mail：13709579808@163.com

1001-3601(2016)03-0114-0065-04

S791.247

A

植物保護·土壤肥料·微生物

Plant Protection·Soil and Fertilizer·Microorganism