設(shè)施黃瓜霜霉病高光譜特征選擇及預(yù)測模型

亢菊俠 趙家奇 吳雅茹

摘要：為構(gòu)建基于高光譜參數(shù)的設(shè)施黃瓜霜霉病發(fā)生級別預(yù)測模型，使用手持光譜儀ASD FieldSpec HandHeld檢測不同黃瓜霜霉病為害下黃瓜葉片高光譜反射率，并分析400～900 nm波段內(nèi)的光譜反射率參數(shù)與黃瓜霜霉病發(fā)生級別的相關(guān)關(guān)系和回歸關(guān)系。結(jié)果表明，在400～718 nm波段范圍內(nèi)，隨著霜霉病級別的增加，黃瓜光譜反射率均有明顯上升，并在568～687 nm波段范圍內(nèi)達(dá)到極顯著相關(guān)水平;在825～900 nm波段范圍內(nèi)，隨著霜霉病級別的增加，黃瓜光譜反射率均有明顯下降，在837～895 nm波段范圍內(nèi)達(dá)到極顯著相關(guān)水平。利用可見光區(qū)特征波長點679 nm、近紅外區(qū)特征波長點861 nm的光譜反射率以及歸一化植被指數(shù)（NDVI）、系統(tǒng)比值植被指數(shù)（RVI）構(gòu)建黃瓜霜霉病發(fā)生級別監(jiān)測預(yù)警方程，其中前3個預(yù)測模型均達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。因此，可以利用高光譜信息數(shù)據(jù)來預(yù)測設(shè)施黃瓜霜霉病發(fā)生的級別。

關(guān)鍵詞：設(shè)施黃瓜;霜霉病;光譜測量;預(yù)測模型

中圖分類號：S127;S436.421.1+1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0117-03

設(shè)施黃瓜在生長過程中，由于受到寡照、低溫、高濕等不良生態(tài)環(huán)境的影響，容易發(fā)生病害。黃瓜霜霉病是設(shè)施黃瓜生產(chǎn)中發(fā)生最廣泛、為害最嚴(yán)重的病害，病原為鞭毛菌亞門假霜霉屬古巴假霜霉菌（Pseudoperonospora cubensis）[1]。黃瓜霜霉病主要為害葉片。黃瓜苗期感染此病害后，子葉首先呈褪綠斑，慢慢發(fā)展成黃色斑，如果濕度大，子葉背面出現(xiàn)黑色霉層，隨后子葉逐漸全部變黃并干枯。黃瓜成株期感染此病害后，首先葉片上出現(xiàn)綠色水浸斑，慢慢變成黃綠色、淡褐色，并呈多角形，最后病斑合在一起，使得整個葉片干枯，并向上卷縮，如果濕度大，葉片背面呈灰黑色霉層，容易導(dǎo)致整個葉片枯死[2]。傳統(tǒng)黃瓜霜霉病診斷和預(yù)測預(yù)報方法是病理分析或經(jīng)驗判斷，該方法不僅費時、費力，且效果差。隨著科技進(jìn)步，逐漸發(fā)展出高光譜技術(shù)來監(jiān)測農(nóng)業(yè)病蟲害的危害程度，原理為作物受到為害時，葉片細(xì)胞的活性、含水量、葉綠素含量等生理特性發(fā)生變化，表現(xiàn)為作物冠層光波反射特性發(fā)生變化，尤其是可見光波段和短波紅外波段的光波特征變化。因此，可以通過受害作物某些特征波長的光波特性與正常作物光波特性的區(qū)別，來監(jiān)測作物病蟲害危害級別[3-4]。因此，高光譜技術(shù)為快速、方便、準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)施黃瓜霜霉病的監(jiān)測和預(yù)測預(yù)報提供了可能。

國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)已報道了高光譜遙感技術(shù)對重要病害發(fā)生程度的監(jiān)測。黃木易等測定了小麥感染條銹病后冠層光波反射率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光波反射率與條銹病的發(fā)生級別顯著相關(guān)，據(jù)此用光譜反射率參數(shù)構(gòu)建條銹病病情指數(shù)的預(yù)測預(yù)報模型，從而為條銹病的適時、適量防治提供依據(jù)[5]。陳兵等在棉花各個生育期條件下，對感染黃萎病棉花葉片的光波反射率與葉綠素含量進(jìn)行相關(guān)分析，并同時分析光波反射率的一階微分方程與葉綠素含量的相關(guān)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建黃萎病侵染條件下，棉花葉片葉綠素含量的預(yù)測預(yù)報模型[6]。Franke等采用手持式光譜儀分析了冬小麥?zhǔn)艿桨追鄄?、條銹病危害后的光譜反射率，其結(jié)果表明，采用光譜技術(shù)能監(jiān)測、預(yù)警白粉病和條銹病的發(fā)生情況[7]。

當(dāng)光照射在植物上時，近紅外波段的光大部分被植物反射回來，紅光波段的光則大部分被植物吸收，通過近紅外波段和紅光波段反射率的線性或非線性組合，可以消除土地光譜的影響，得到的特征指數(shù)被稱為植被指數(shù)。植被指數(shù)的種類很多，其中比值植被指數(shù)（RVI）和歸一化植被指數(shù)（NDVI）[8-9]是目前應(yīng)用廣泛的2種植被指數(shù)。喬紅波對田間不同程度麥蚜為害初期的冬小麥品種鄭州891冠層反射光譜特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明，麥蚜為害后小麥冠層的光譜反射率在近紅外區(qū)產(chǎn)生顯著變化，且隨著危害程度的加重其值逐步下降，并構(gòu)建了NDVI與小麥百株蚜量回歸預(yù)測方程[10]。楊可明等采用高光譜影像技術(shù)分析了條銹病侵染條件下的小麥冠層光譜，構(gòu)建了條銹病的預(yù)測預(yù)報模型，并提出新的植被指數(shù) MI-NDVI，該指數(shù)可消除作物不同生育階段的影響[11]。

目前，利用高光譜遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建適用于設(shè)施黃瓜霜霉病為害監(jiān)測模型的研究還鮮有報道。為此，本研究采用高光譜技術(shù)探討黃瓜霜霉病為害后黃瓜反射光譜的變化規(guī)律，并選擇特征波長點，同時計算植被指數(shù)，構(gòu)建設(shè)施黃瓜霜霉病發(fā)生級別的預(yù)測方程，以期為設(shè)施黃瓜霜霉病為害的快速評估提供理論依據(jù)，進(jìn)而為生產(chǎn)上及時有效地防治設(shè)施黃瓜霜霉病打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗時間與地點

試驗于2017年在陜西省西安市楊凌區(qū)設(shè)施黃瓜基地（34.31°N，108.07°E）進(jìn)行。溫室大棚長為50 m，寬為6 m。

1.2 試驗材料

供試黃瓜品種為目前陜西省關(guān)中地區(qū)主栽品種津春4號。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計 采用隨機區(qū)組設(shè)計，將溫室大棚劃分為 6 m×3 m的15個小區(qū)，在黃瓜霜霉病發(fā)生的始盛期通過人工接種和噴灑殺菌劑的方法，形成5個不同發(fā)病級別的小區(qū)：0級，全株無病;1級，全株1/4及以下的葉片有少量病斑;2級，全株1/2及以下、1/4以上的葉片有少量病斑或1/4及以下的葉片有較多的病斑;3級，全株3/4及以下、1/2以上的葉片發(fā)病或全株1/4及以下的葉片全部枯黃;4級，全株3/4以上的葉片發(fā)病或全株1/2及以上的葉片枯黃到整株枯黃。每個處理重復(fù)3個小區(qū)。整個黃瓜生長期間無其他病蟲害發(fā)生。

1.3.2 光譜測量 黃瓜光譜測量使用便攜式野外光譜儀ASD FieldSpec HandHeld（325～1 075 nm），該光譜儀采樣間隔為1.0 nm。在黃瓜霜霉病發(fā)病盛期測量光波反射率，測量時光譜儀傳感器探頭豎直朝下距黃瓜葉片20 mm，測量葉片前，要先對參考板和太陽輻射光譜進(jìn)行標(biāo)定，測定中間要用硫酸鋇（BaSO4）板校正。每個樣方測定10次。測量后立即調(diào)查全株病害發(fā)生程度。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 采用ASD Viewspec-pro軟件讀取和分析源光譜數(shù)據(jù)，將每個樣方測定的10條光譜數(shù)據(jù)的平均值作為該樣方光譜值，并將原始光譜反射強度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為反射率數(shù)據(jù)。從測量數(shù)據(jù)來看，325～399 nm和901～1 075 nm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)噪聲較大，因此只處理了400～900 nm范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)。利用400～900 nm波段光譜特征波長點的光譜反射率計算RVI和NDVI[12]，公式為

式中：RR、RNIR分別為620～700 nm紅光波段、701～900 nm近紅外波段中與黃瓜霜霉病發(fā)生級別相關(guān)性最為顯著的特征波長點的光譜反射率。

利用上述植被指數(shù)及最佳波長點的光波反射率數(shù)據(jù)作為預(yù)測預(yù)報模型參數(shù)，同時采用SPSS-Statistics 17.0系統(tǒng)對霜霉病級別與400～900 nm范圍內(nèi)的光譜反射率進(jìn)行相關(guān)和回歸分析，用SigmaPlot 10.0系統(tǒng)進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同級別病害光譜反射率分析

圖1為不同級別黃瓜霜霉病為害后溫室黃瓜光譜反射率曲線比較。健康植株與不同級別黃瓜霜霉病為害植株的光譜曲線在400～718 nm可見光波段的光譜反射率有明顯差別。這是由于在可見光譜段內(nèi)，葉綠素的含量決定了作物的光譜特征，葉綠素能夠大量吸收可見光中藍(lán)光區(qū)（450 nm為中心）和紅光區(qū)（670 nm為中心）的輻射能，從而在這2個區(qū)域表現(xiàn)為吸收谷;在吸收谷中間波段吸收輻射能較少，形成綠色反射峰而使植物呈現(xiàn)綠色。當(dāng)黃瓜發(fā)生霜霉病時，葉部出現(xiàn)黃褐色病斑，此病斑處葉綠素含量降低，造成對藍(lán)光區(qū)、紅光區(qū)輻射能的吸收降低，反射增強，特別是紅光波段的反射率提高。因此在400～718 nm可見光譜段范圍內(nèi)黃瓜霜霉病光譜反射強度比正常部分有明顯提高，且隨著危害級別的升高，光譜反射率也逐漸提高。另外在825～900 nm的近紅外譜段內(nèi)，健康植株與不同級別黃瓜霜霉病為害植株的光譜反射強度也有明顯的差異。這是由于在近紅外波段內(nèi)，植物葉片細(xì)胞構(gòu)造是形成葉片光波特性的主要原因。在此波段內(nèi)，葉片病斑處內(nèi)部結(jié)構(gòu)與正常部分有所不同，因此黃瓜霜霉病植株與健康植株在825～900 nm的近紅外波段內(nèi)反射強度有一定的差異，黃瓜霜霉病為害植株比健康植株的光譜反射強度有所降低，且隨著為害級別的升高，光譜反射率逐漸降低。

2.2 黃瓜霜霉病級別與光譜反射率相關(guān)性分析

對黃瓜霜霉病級別與光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。由圖2可知，400～900 nm波段范圍內(nèi)，黃瓜霜霉病發(fā)病級別與不同波長光譜反射率的相關(guān)性差異很大。在719～824 nm波段范圍內(nèi)，不同級別黃瓜霜霉病的光譜反射率均不變，因此不作分析。在400～718 nm波段范圍內(nèi)，黃瓜霜霉病級別與光譜反射率呈正相關(guān)，其中568～687 nm波段范圍內(nèi)，達(dá)到了極顯著水平。

2.3 基于高光譜數(shù)據(jù)的黃瓜霜霉病級別預(yù)測

以“2.2”節(jié)中確定的黃瓜霜霉病高光譜特征波長點（可見光波段范圍內(nèi)的679 nm及近紅外波段范圍內(nèi)的861 nm）上的光譜反射率以及系統(tǒng)RVI和NDVI這2個植被指數(shù)為自變量，黃瓜霜霉病發(fā)生級別為因變量，建立黃瓜霜霉病發(fā)生情況的預(yù)測模型（表1）。

3 結(jié)論與討論

本研究分析了霜霉病為害設(shè)施黃瓜后，黃瓜光譜反射率對霜霉病級別的響應(yīng)規(guī)律，并明確了在400～718 nm波段范圍內(nèi)，隨著霜霉病級別的增加，黃瓜光譜反射率均明顯上升，并在568～687 nm波段范圍內(nèi)達(dá)到極顯著相關(guān)水平;在 825～900 nm波段范圍內(nèi)，隨著霜霉病級別的增加，黃瓜光譜反射率均明顯下降，在837～895 nm波段范圍內(nèi)達(dá)到極顯著相關(guān)水平。將可見光波段的679 nm、近紅外波段的861 nm作為設(shè)施黃瓜光譜特征波長點，計算系統(tǒng)RVI和NDVI，構(gòu)建黃瓜霜霉病監(jiān)測預(yù)警方程。通過對模型的F檢驗表明，通過679、861 nm波長點光譜反射率及NDVI構(gòu)建的模型均能很好地揭示霜霉病級別與設(shè)施黃瓜光譜反射率之間的關(guān)系，且通過861 nm波長點光譜反射率構(gòu)建的模型優(yōu)于通過679 nm光譜反射率和NDVI構(gòu)建的模型。

農(nóng)作物的光波反射率具有很好的規(guī)律性：綠光波段（560 nm）光波吸收少，反射率較高;紅光波段（680 nm）光波吸收多，反射率較低;近紅外波段（720 nm）光波吸收顯著減少，反射率增加，隨后此區(qū)域反射率一直表現(xiàn)較高。病蟲害為害農(nóng)作物時，上述3個波段的光波反射率改變顯著，前期文獻(xiàn)表明，作物葉片葉綠素含量及葉肉細(xì)胞的構(gòu)造變化是其改變的根本原因[13-16]。本研究結(jié)果顯示，隨著黃瓜霜霉病發(fā)生級別的增加，綠光區(qū)和紅光區(qū)光波反射率明顯增加，而近紅外區(qū)光波反射率明顯下降，此結(jié)果與其他作物上的光譜反射率結(jié)果表現(xiàn)出一致性?？捎命S瓜霜霉病病害生理學(xué)的現(xiàn)象來解釋：霜霉病菌為害黃瓜后，附著胞生成的侵入絲侵入葉片細(xì)胞間隙，而此時細(xì)胞不斷喪失水分，從而對近紅外波段反射率持續(xù)下降;隨著為害程度增加，侵入絲進(jìn)一步穿透葉片細(xì)胞，葉綠素含量進(jìn)一步減小，細(xì)胞水分持續(xù)喪失，使得黃瓜葉片綠光區(qū)光波反射率上升，而近紅外區(qū)光波反射率下降。本研究結(jié)果顯示，利用高光譜信息監(jiān)測黃瓜霜霉病是完全可行的。

本研究中的高光譜系統(tǒng)短時間采集到的黃瓜植株數(shù)據(jù)多，能很好地實現(xiàn)快速診斷的目的。通過該研究可以得到黃瓜霜霉病的最有效特征波長，然后根據(jù)該特征波長可以進(jìn)行病害預(yù)測預(yù)報，進(jìn)而提高診斷效率，真正達(dá)到快速、無損診斷農(nóng)作物病害的目的。

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