截形葉螨危害下棗葉片葉綠素含量高光譜估算模型

高亞利，王振錫，連 玲，師玉霞，楊勇強(qiáng)

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆教育廳干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052）

高光譜遙感作為一種便捷、快速的光譜檢測技術(shù)，已經(jīng)成為近年來研究的技術(shù)熱點(diǎn)［1-5］。由于森林病蟲害具有很大的復(fù)雜性、潛伏性和隱蔽性，目前主要通過現(xiàn)場調(diào)查的手段觀察有無病蟲害的發(fā)生及其危害程度，獲取的信息具有嚴(yán)重的滯后性。植被蟲害監(jiān)測是蟲害綜合防治的重要組成部分，及時、快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測機(jī)制對農(nóng)作物蟲害的早期發(fā)現(xiàn)和防治具有重要意義。新疆位于亞歐大陸腹地，光熱資源充沛，是中國重要的林果產(chǎn)區(qū)，尤其棗（Ziziphus jujuba Mill）產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，其種植規(guī)模和產(chǎn)量位居全國首位，開展基于高光譜遙感的林果蟲害高效監(jiān)測技術(shù)研究具有非常迫切的需求。近年來，光譜分析技術(shù)在植被蟲害以及農(nóng)學(xué)植物參數(shù)估測方面的應(yīng)用研究日益增多［6-9］。葉綠素含量是植被生長發(fā)育過程中重要的生化參數(shù)，對綠色植被的光合能力、營養(yǎng)元素含量等生長發(fā)育狀況具有重要的指示性作用［10］。黃木易等［11-12］利用高光譜遙感監(jiān)測冬小麥（Triticum aestivum L.）條銹病的敏感光譜波段，篩選出630～687nm、740～890nm 和976～1350nm 3個波段范圍。柴仲平等［13］利用新疆庫爾勒香梨（Pyrus brestschueadera Rehd）葉片630nm 處一階微分光譜反射率數(shù)據(jù)與全鉀元素含量之間關(guān)系構(gòu)建回歸模型，調(diào)整決定系數(shù)達(dá)到0.986。王曉慶等［14］比較茶樹（Camellia sinensis L.）炭疽病葉片與正常葉片的光譜，發(fā)現(xiàn)在740～1 000nm的波段，病害越嚴(yán)重，反射率越低。梁爽等［15］以中國蘋果（Malus domestica Borkh）葉片為主要研究估測對象，將其與植物中的葉綠素含量進(jìn)行相關(guān)分析，得出一階光譜微分521nm 和523nm兩個組合的估測模型精度最高。孫勃巖等［16］構(gòu)建基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的冬小麥冠層葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)估算模型，相關(guān)系數(shù)最優(yōu)達(dá)到0.961。而受害植物的光譜特征與健康植物相比，某些特征波段的反射率也會發(fā)生不同程度的變化［17］。竇志國等［18］選 取 遭 受 蘆 葦 粉 大 尾 蚜（Hyalopterus pruni）蟲害的蘆葦（Phragmites australis）作為研究對象，建立的蟲害葉片回歸模型的R2高達(dá)0.966。邱白晶等［19］對水稻白背飛虱（Sogatella furcifera）主害期間的冠層高光譜數(shù)據(jù)與白背飛虱蟲量進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)779nm 處的光譜反射率建立的模型為最優(yōu)，預(yù)測相關(guān)系數(shù)0.921?？梢?，利用光譜分析技術(shù)找出原始或不同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后光譜反射率與植被葉片色素含量密切相關(guān)的敏感波段，構(gòu)建最優(yōu)估算模型［20］，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)、林業(yè)蟲害特征檢驗(yàn)的重要手段，也為蟲害遙感監(jiān)測研究提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

截形葉螨（Tetranychus truncatus Ehara）是棗樹重大有害食葉性害螨，主要通過群聚葉背吸取汁液，使葉片呈灰白色或枯黃色細(xì)斑，影響葉片葉綠素含量，危害棗樹的正常生長發(fā)育。其為害規(guī)模大、程度高，且爆發(fā)期不與其他病蟲害重疊，非常適合開展遙感監(jiān)測。鑒于此，本研究利用高光譜遙感技術(shù)，分析不同截形葉螨危害等級棗葉片高光譜特征與葉片葉綠素含量的相關(guān)關(guān)系，篩選不同危害等級棗葉片葉綠素含量的敏感波長，構(gòu)建線性回歸估測模型，以期為新疆林果蟲害科學(xué)、高效監(jiān)測與預(yù)警提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2018年7月中旬，在新疆喀什地區(qū)麥蓋提縣昂格特勒克鄉(xiāng)棗樹規(guī)模種植區(qū)，選取一個栽培條件、樹體生長狀況一致的棗園，在其中部按隔行選取的方式選擇270棵樣株，依次編號。將每棵樣株分為上層、中層和下層，每層按照東西南北4個方位，共12個點(diǎn)位，每個點(diǎn)位隨機(jī)摘取1個標(biāo)準(zhǔn)枝的3片鮮葉，調(diào)查記錄葉片表面的葉螨數(shù)量后，摘取葉片，每樣株摘取36片葉片。將摘下的鮮葉按樣株編號順序依次置于信封內(nèi)，共計9 720片葉。迅速開展戶外葉片光譜的測定以及實(shí)驗(yàn)室葉片葉綠素含量的測定，然后根據(jù)每一樣株的平均葉螨數(shù)量，將截形葉螨危害程度劃分為0 級、1級、2級、3級、4級共5個等級。

1.2 棗葉片光譜采集方法

葉片光譜反射率的測定采用美國Analytical Spectral Device（ASD）公司生產(chǎn)的便攜式野外地物光譜儀Field Spec3，測定光譜波段為350～2 500nm。選擇天氣明朗、無風(fēng)無云的天氣條件，測定持續(xù)時間一般為12：00-14：00。以樣株為單位，將摘取的鮮葉片在事先準(zhǔn)備好的板面上平鋪呈圓形（葉片間不留縫隙），利用儀器自帶的光纖探頭在戶外依次測定每樣株葉片光譜，測取10條標(biāo)準(zhǔn)光譜反射率曲線，剔除異常值后取均值作為該樣株的實(shí)際光譜優(yōu)化曲線，共計270個光譜均值。測定光譜過程中，每隔15min做1次白板校正，保證樣品的光線反射折光率穩(wěn)定為1。剔除異常樣本后，總樣本數(shù)為263個，建模樣本為195個，檢驗(yàn)樣本為68個。

1.3 葉綠素含量測定方法

對測定完光譜的葉片進(jìn)行葉綠素含量測定。棗葉片葉綠素含量測定采用二甲基亞砜浸提法（DMSO 法）［21］。用脫脂棉紗布把葉片表面浮塵擦拭干凈，剪碎、混合后（不含葉片邊緣和主葉脈），稱取0.05g，加入10 mL 的二甲基亞砜，在60 ℃恒溫的水浴條件下進(jìn)行避光浸提1h，收集上清液并使用分光光度計測定葉綠素含量，選擇665和649nm 為檢測波長，測取吸光度（A）值。每株樣作為1個樣本單元，每個樣本葉綠素含量測定3個重復(fù)，取均值作為該樣本的葉綠素含量值（重復(fù)值差異較大時，該樣本數(shù)據(jù)重新測定）。計算公式如下：

葉綠素a含量（Chla，mg／g）=（12.19A665-3.45A649）×V／1 000／W

葉綠素b含量（Chlb，mg／g）=（21.99A649-5.32A665）×V／1 000／W

總?cè)~綠素含量（Chla+Chlb，mg／g）=Chla+Chlb

式中：A665為665nm 波長下葉綠素提取液的吸光度，A649為649nm 波長下葉綠素提取液的吸光度，V 為提取液體積，W 為鮮葉質(zhì)量，葉綠素含量單位為mg／g。

1.4 數(shù)據(jù)處理

光譜數(shù)據(jù)處理：采用View SpecPro軟件對原始光譜反射率預(yù)處理及一階微分變換，分析葉片光譜反射率與葉綠素含量間的相關(guān)性，利用SPSS軟件建模。一階微分變換計算公式：

式中：λi為各波段波長；ρ′（λi）為一階微分光譜；△λ 為波長λi+1到λi-1）的間隔。

葉綠素含量數(shù)據(jù)處理：將葉綠素含量按照截形葉螨的不同危害等級進(jìn)行分類。

葉螨數(shù)量數(shù)據(jù)處理：對每樣株按葉片平均葉螨數(shù)量進(jìn)行等級劃分［22］，共劃分5 個等級，各等級界定標(biāo)準(zhǔn)為：0 級，無害螨無癥狀；1 級，1～5頭／葉；2級，6～10 頭／葉；3 級，11～25 頭／葉；4級，≥26頭／葉。

1.5 精度評價

為了提高估算模型的適用性，對構(gòu)建的估測模型有必要對其進(jìn)行檢驗(yàn)，將實(shí)際樣本值帶入估測模型，對估測模型值與實(shí)際樣本值之間進(jìn)行精度比較。主要選擇擬合優(yōu)度（R2）、相對誤差（RE）和均方根誤差（RMSE）3 種統(tǒng)計指標(biāo)來做模型評價。其中：RE 和RMSE 的值越小，模型越好。具體計算公式如下：

式中：yi是葉片葉綠素含量的實(shí)測值，^yi是葉片葉綠素含量的估測值，n 為樣本數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同截形葉螨危害等級下棗葉片光譜特征

根據(jù)測定的棗葉片光譜反射率數(shù)據(jù)，可以得到不同截形葉螨危害等級下棗葉片平均光譜曲線（圖1）。從圖1可以看出，0～4級5個蟲害等級的棗葉片平均光譜曲線的總體變化趨勢基本保持一致，其峰谷變化情況符合綠色植物的光譜曲線特征，但5個等級的光譜曲線之間具有明顯的差異，表現(xiàn)出隨等級的升高光譜反射率呈逐級下降的趨勢，其中0 級曲線光譜反射率最高，4 級最低。在可見光波段400～700nm、近紅外波段700～1 300nm 和中紅外波段1 300～2 500nm范圍內(nèi)，均表現(xiàn)出在峰值區(qū)域光譜反射率分離度較大，谷值附近分離度較小的特點(diǎn)。出現(xiàn)這些差異的原因主要是截形葉螨吸取棗葉片汁液，導(dǎo)致葉片失綠，影響了葉片色素含量，致使不同危害等級的葉片光譜曲線出現(xiàn)差異。同時，也表明受截形葉螨危害的棗葉片光譜特性變異與葉螨的危害程度緊密相關(guān)。

圖1 不同截形葉螨危害等級下棗葉片光譜特征Fig.1 Spectral characteristics of jujube leaves with different grades of Tetranychus truncatus Ehara damages

2.2 不同截形葉螨危害等級棗葉片光譜反射率與葉綠素含量相關(guān)性

通過相關(guān)系數(shù)計算，繪制不同截形葉螨危害等級下棗葉片原始光譜、一階微分光譜與葉綠素含量的相關(guān)系數(shù)圖（圖2）。從圖2 可以看出，不同截形葉螨危害等級棗葉片的原始及一階微分光譜與葉綠素含量的相關(guān)性存在明顯的差異。不同截形葉螨危害等級棗葉片的原始光譜與葉綠素含量的相關(guān)性整體較弱，曲線變化相對比較平緩，相關(guān)系數(shù)絕對值均在0.500以下。而不同截形葉螨危害等級棗葉片的一階微分光譜與葉綠素含量相關(guān)系數(shù)曲線波動比較明顯，其絕對值都在0.600左右。尤其是在近紅外波段范圍，曲線變化激烈，且相關(guān)性較強(qiáng)。因此，說明一階微分?jǐn)?shù)據(jù)變化可以增強(qiáng)光譜反射率與葉綠素含量的相關(guān)性。

不同截形葉螨危害等級中，棗葉片葉綠素含量與其一階微分光譜的相關(guān)系數(shù)差異較大，可以選擇相關(guān)性最強(qiáng)及次最高的波長作為檢測棗葉片葉綠素含量的敏感波長?？梢缘玫剑? 級危害等級下棗葉片葉綠素含量的敏感波段為759nm、1 799nm，相關(guān)系數(shù)為-0.644、0.610；1 級敏感波段為1 166nm、1 770nm，相關(guān)系數(shù)為0.546、-0.538；2級敏感波段為1 670nm、2 175nm，相關(guān)系數(shù)為-0.457、0.453；3 級敏感波段為2 324 nm、2 325nm，相關(guān)系數(shù)為0.551、0.544；4級敏感波段為2 154nm、2 221nm，相關(guān)系數(shù)為-0.562、-0.557?？梢?，不同截形葉螨危害等級下一階微分光譜對棗葉片葉綠素含量具有較強(qiáng)敏感性。

圖2 不同截形葉螨危害等級棗葉片光譜反射率與葉綠素含量的相關(guān)性Fig.2 Correlation between spectral reflectance and chlorophyll content of jujube leaves at different grades of Tetranychus truncatus Ehara damages

2.3 不同截形葉螨危害等級棗葉片一階微分光譜反射率與葉綠素含量的高光譜估算模型

以不同截形葉螨危害等級下棗葉片葉綠素含量與一階微分光譜的相關(guān)分析結(jié)果為依據(jù)，以篩選出的單一敏感波段和雙敏感波段分別為自變量（R′）（見“2.2”），對應(yīng)葉片葉綠素含量為因變量（Y），用SPSS分析構(gòu)建線性回歸模型（表1）。從表1可以看出，5個危害等級下葉綠素含量回歸模型的擬合度都比較高，且除3級外，雙敏感波段回歸模型的擬合度均高于單一變量模型。其中，0級危害等級下雙變量回歸模型的擬合度最高，達(dá)到了0.810，而3 級模型擬合效果相對較差。由此說明雙變量模型能夠在很大程度上提高模型的擬合效果，可以選擇雙變量模型作為不同截形葉螨危害等級下棗葉片葉綠素含量的最優(yōu)估測模型。

表1 不同截形葉螨危害等級葉綠素含量與棗葉片光譜變量的回歸關(guān)系Table 1 Regression relationship between chlorophyll content of different grades of Tetranychus truncatus Ehara damages and spectral variables of jujube leaves

2.4 不同截形葉螨危害等級模型精度評價

為進(jìn)一步檢驗(yàn)雙變量回歸模型的適用性，不同截形葉螨危害等級均選擇1／3的樣本為檢驗(yàn)樣本來驗(yàn)證模型的適用性。選取實(shí)測值與估測值的模型擬合優(yōu)度R2為主要依據(jù)，并結(jié)合相對誤差（RE）和均方根誤差（RMSE）對回歸模型進(jìn)行檢驗(yàn)，得到實(shí)測值與估測值比較結(jié)果（表2）。根據(jù)模型穩(wěn)定性和精確性的判別標(biāo)準(zhǔn)，R2值越大，RE和RMSE 越接近于0，說明模型的相關(guān)性越大，擬合誤差越小，建模效果越好。

表2 不同截形葉螨危害等級棗葉片葉綠素含量的實(shí)際值和估測值統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Actual and estimated result of chlorophyll content in leaves of jujube leaves with different grades of Tetranychus truncatus Ehara damages

從表2可以看出，不同危害等級回歸模型擬合優(yōu)度R2值相對都比較高，除3級模型外，模型擬合優(yōu)度均在0.600以上，說明構(gòu)建估測模型的擬合精度較高。其中，0 級的R2最高，達(dá)到0.869，1 級、2 級、4 級 模 型 擬 合 優(yōu) 度R2均 在0.600以上，而3 級檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合度最低，R2為0.469。從RE 和RMSE 指 標(biāo) 來 看，0 級 的RMSE 低于0.1，RE 低 于0.05，1 級、2 級、3 級的RMSE 在0.15以下，RE 在0.1以下，4級的RMSE 在0.25以下，RE 在0.2以下，可見不同等級回歸模型的RE 和RMSE 指標(biāo)都比較接近于0，說明所構(gòu)建的估測模型擬合精度相對較高。從模型擬合優(yōu)度R2、相對誤差（RE）和均方根誤差（RMSE）指標(biāo)來看，利用光譜數(shù)據(jù)估測不同截形葉螨危害等級棗葉片葉綠素含量的雙變量回歸模型擬合精度都比較高，模型具有一定的適用性。

3 討 論

本研究通過分析不同截形葉螨危害等級下棗葉片的光譜特征，篩選不同截形葉螨危害等級棗葉片葉綠素含量的光譜敏感波段，并建立線性回歸估測模型，為新疆林果蟲害科學(xué)、高效監(jiān)測與預(yù)警提供技術(shù)參考。

不同截形葉螨危害等級棗葉片的光譜特征存在一定的差異，呈現(xiàn)出隨葉螨危害等級的升高光譜反射率逐級下降的趨勢，說明由于葉螨的危害程度不同，棗葉片受損程度也表現(xiàn)出一定的差異。截形葉螨通過吸食棗葉片汁液，導(dǎo)致葉片內(nèi)部葉綠素含量、水分、化學(xué)組成等相應(yīng)發(fā)生變化，葉片出現(xiàn)黃化等失綠現(xiàn)象。唐周懷等［23］學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，隨截形葉螨的種群數(shù)量達(dá)到高峰時，葉片中葉綠素含量會減少，導(dǎo)致葉片光合強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致光譜反射率顯著降低。倪健等［24］發(fā)現(xiàn)赤松（Pinus densiflora）針葉受赤松毛蟲（Dendrolimus spectabtlis）危害后，葉綠素含量減少，紅界光譜曲線拐點(diǎn)“藍(lán)移”。這些證據(jù)都充分說明植被受到食葉性蟲害的入侵后，都會影響植被葉片內(nèi)葉綠素含量的變化，從而使對葉綠素等色素敏感的光譜波段產(chǎn)生相應(yīng)變化。

在植被葉片光譜與葉綠素含量相關(guān)關(guān)系分析方面，大量研究結(jié)果表明一階微分光譜變化方式能夠增強(qiáng)其與反演元素的相關(guān)關(guān)系［25-32］。向榮等［33］發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重危害中國松樹（Pinus massoniana Lamb）健康的松材線蟲?。˙ursaphelenchus xylophilus）的高光譜敏感波段與葉綠素的含量之間存在著良好的線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)甚至達(dá)到0.900。李恒凱等［34］研究甜柚（Citrus maxima）發(fā)現(xiàn)一階光譜在692和752nm 處的反射率與葉綠素含量相關(guān)性最高，所構(gòu)建的逐步回歸模型精度最好，決定系數(shù)高達(dá)0.869。這是因?yàn)橐浑A微分?jǐn)?shù)據(jù)處理能夠有效減弱噪聲源的影響，從而增強(qiáng)觀測目標(biāo)的光譜。本研究也認(rèn)為棗葉片一階微分光譜與其葉綠素的相關(guān)性優(yōu)于原始微分光譜。但從相關(guān)系數(shù)取值來看，本研究中5個危害等級下棗葉片一階微分光譜與其葉綠素含量的相關(guān)系數(shù)相對偏低，為0.600 左右，低于前人的研究結(jié)果。這是由于本研究中衡量棗受截形葉螨危害程度的等級劃分是以單株樹體為單位開展的，采樣中以單株樹體的混合葉樣為樣本單元，分別測定葉片的光譜反射率數(shù)據(jù)和葉綠素含量，而不是以實(shí)測每片葉的光譜和葉綠素含量。采用這種方式獲取數(shù)據(jù)的原因主要是為了與現(xiàn)實(shí)中植被蟲害等級測定標(biāo)準(zhǔn)保持一致，探索利用光譜數(shù)據(jù)開展蟲害檢測的技術(shù)途徑。在以單株為單位的葉片光譜實(shí)際測定過程中，由于葉片或多或少存在卷曲情況，所獲光譜數(shù)據(jù)為多個葉片的混合光譜，這可能是本研究中相關(guān)系數(shù)相對較低的主要原因。

國內(nèi)外許多學(xué)者都開展利用植被葉片光譜估測葉綠素含量的研究工作，并且取得了較好的結(jié)果。Adams等［35］利用大豆（Glycine max L.）黃痿病光譜一階導(dǎo)數(shù)選擇的發(fā)黃指數(shù)對病情程度進(jìn)行了評價。許章華等［36］分析了不同馬尾松毛蟲（Dendrolimus punctatus Walker）蟲害等級光譜反射率及一階微分光譜特征，發(fā)現(xiàn)蟲害等級越高，反射率越低，擬合度均達(dá)0.85以上。在蟲害危害程度研究中，吳彤等［37］建立高光譜特征參數(shù)與蘆葦葉面積指數(shù)（LAI）的關(guān)系模型，利用蟲害光譜指數(shù)（DSI）對研究區(qū)東亞飛蝗（Oriental migratorylocust）的危害程度劃分為未受危害、輕度危害和嚴(yán)重危害。本研究也得到類似的結(jié)果。此外，由于不同截形葉螨危害等級的均方根誤差、相對誤差的數(shù)值差異相對較大，今后仍需在多個區(qū)域開展研究，以提高模型的適用性。

4 結(jié) 論

不同截形葉螨危害等級下新疆南疆棗葉片葉綠素含量與光譜反射率存在敏感光譜指示波長，可利用一階微分光譜反射率的敏感波段為自變量，采用線性回歸模型建立不同截形葉螨危害等級的棗葉片葉綠素含量的光譜估算模型。表明應(yīng)用光譜技術(shù)對不同截形葉螨危害等級的棗葉片葉綠素含量進(jìn)行定量適時估測是可行的，在葉螨蟲害信息檢測方面有較大的應(yīng)用潛力。