無人機(jī)高光譜的玉米冠層大斑病監(jiān)測

梁 輝，何 敬*，雷俊杰

1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059 2.國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059

引 言

玉米種植面積約占我國全部糧食作物種植面積五分之一，玉米大斑病，是一種危害較重的常見玉米病害，該病害嚴(yán)重引起玉米的產(chǎn)量與品質(zhì)下降，因此，如何通過遙感技術(shù)精準(zhǔn)快速，高效可靠的獲取玉米大斑病病情，已成為急需解決的問題。

在農(nóng)業(yè)遙感中，植物在病蟲害脅迫下會(huì)在光譜響應(yīng)上表現(xiàn)出吸收和反射特性的改變，常出現(xiàn)可見光區(qū)域的反射率增加，紅邊發(fā)生“藍(lán)移”，短波紅外區(qū)域呈現(xiàn)較低反射率等現(xiàn)象[1]。Jones等[2]研究了感染葉斑病番茄葉的病情與反射光譜在紫外、可見光和近紅外處的定量關(guān)系，表明使用光譜檢測田間番茄細(xì)菌葉斑是可行的。諸多研究表明不同的光譜特征總能與病害間表現(xiàn)出積極的相關(guān)性，這些研究為植物病蟲害光學(xué)遙感監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

目前應(yīng)用較多的是通過人工識別和地面高光譜結(jié)合的方法來研究植物病蟲害，存在作業(yè)效率低，不利于在農(nóng)業(yè)遙感中大面積推廣使用等問題。無人機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)具有高效、低成本、能夠獲取高時(shí)空分辨率影像等特點(diǎn)。國內(nèi)外在無人機(jī)遙感農(nóng)情監(jiān)測領(lǐng)域已開展諸多研究與探索。楊貴軍等[3]利用農(nóng)用無人機(jī)多傳感器遙感輔助小麥育種信息獲取。Juliane Bendig等[4]將基于無人機(jī)的遙感測量與植被光譜指數(shù)相結(jié)合，用于大麥的生物量監(jiān)測。裴浩杰等[5]運(yùn)用無人機(jī)高光譜影像對2015年小麥多生育期的長勢監(jiān)測。

而鮮有學(xué)者利用無人機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)對玉米冠層病害進(jìn)行監(jiān)測研究，因此設(shè)計(jì)了基于無人機(jī)高光譜的玉米冠層大斑病監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，利用無人機(jī)搭載高光譜儀對感病玉米冠層進(jìn)行光譜分析，提取光譜響應(yīng)敏感波段，研究以無人機(jī)高光譜儀為平臺對玉米冠層大斑病監(jiān)測的可行性與可靠性，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗(yàn)區(qū)位于四川省綿陽市馬角鎮(zhèn)，地處四川省東北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)105°05′08″，北緯32°05′35″。該地區(qū)以平壩和丘陵地貌為主，棕紅土壤，農(nóng)作物種植條件優(yōu)越。為構(gòu)建大斑病病情梯度，共設(shè)3塊試驗(yàn)田(B0，B2，B4)，每塊試驗(yàn)田總面積約300 m2，圖1為B0研究區(qū)。

圖1 B0研究區(qū)Fig.1 The study area B0

1.2 供試品種及接種

為保證對照實(shí)驗(yàn)變量的單一性，本試驗(yàn)選取抗大斑病等級為中感的云甜玉8號玉米作為試驗(yàn)對象。種植距離為行距0.8 m，株距0.3 m，并設(shè)置隔離帶確保試驗(yàn)田不互相影響。內(nèi)設(shè)3個(gè)大斑病接種水平，7月17日小喇叭口期至7月28日抽雄期共接種次數(shù)分別為B0(0次)、B2(2次)和B4(4次)，每次采用噴霧法接種濃度為1×106個(gè)·mL-1的大斑病分生孢子懸浮液。

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)的組成

監(jiān)測系統(tǒng)由無人機(jī)平臺和光譜儀組成。無人機(jī)平臺為大疆M600 Pro型六軸無人機(jī)，有效載荷6 kg,續(xù)航時(shí)間25 min。采用D-RTK GNSS定位系統(tǒng)，地面平臺通過GJI GS pro軟件設(shè)置無人機(jī)飛行參數(shù)和航道，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的飛行控制。高光譜遙感影像獲取設(shè)備為芬蘭生產(chǎn)的SENOP RIKOLA型高光譜成像儀。該光譜系統(tǒng)提供了VIS-VNIR光譜范圍內(nèi)的快照圖像，在高度100 m時(shí)分辨率為6.5 cm，光譜范圍為500～900 nm，光譜分辨率最高可達(dá)1 nm，有效波段數(shù)為380個(gè)。

1.4 影像獲取與數(shù)據(jù)處理

(1)高光譜影像獲取

高光譜影像于2018年8月5日11:00—13:00在試驗(yàn)區(qū)第一次采集，天空晴朗無風(fēng)。此時(shí)玉米處于抽雄期，冠層剛出現(xiàn)大斑病病斑特征，隨后分別在灌漿期和完熟期再次采集影像。無人機(jī)起飛之前，在地面對高光譜相機(jī)進(jìn)行暗電流校正，并使用參考板進(jìn)行輻射標(biāo)定。無人機(jī)飛行高度為120 m，設(shè)定航速5 m·s-1。光譜儀鏡頭垂直向下，焦距為9 mm，曝光時(shí)間為7 ms，圖2為不同病癥下的玉米冠層。

(2)病情指數(shù)(DI)值調(diào)查

無人機(jī)高光譜影像采集的同時(shí)，在試驗(yàn)區(qū)以5株玉米為一個(gè)樣點(diǎn)，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)均勻取樣120個(gè)樣點(diǎn)，根據(jù)GB/T23391.1—2009《玉米大、小斑病和玉米螟防治技術(shù)規(guī)范第1部分：玉米大斑病》[6]指導(dǎo)，結(jié)合玉米冠層實(shí)際病害程度，利用病情指數(shù)計(jì)算公式得出樣點(diǎn)平均DI值。

(1)

式(1)中，x為各梯度病情的級值，n是最高梯度值9，f為各梯度的葉片數(shù)。

(3)高光譜影像處理

將RIKOLA采集的影像用自帶軟件Rikola HSI進(jìn)行輻射校正和處理，在ENVI 5.3軟件中對處理后的影像進(jìn)行解譯，根據(jù)地面采集樣點(diǎn)在影像中對應(yīng)位置構(gòu)建興趣區(qū)(ROI)，以ROI平均光譜反射率作為該樣點(diǎn)光譜反射率，取各試驗(yàn)區(qū)90個(gè)樣點(diǎn)作為建模樣本，剩下30個(gè)樣點(diǎn)作為檢驗(yàn)樣本。

1.5 光譜特征分析與參數(shù)選擇

B0由于未接種且隔離較好，所以幾乎未感病，將其設(shè)為正常組，B2和B4根據(jù)感病程度不同，將其分為中度組與嚴(yán)重組。如圖3所示，光譜曲線呈現(xiàn)明顯的“峰和谷”特征。在可見光波段(500～721 nm)內(nèi)，冠層光譜反射率主要受葉片葉綠素含量的影響，健康玉米冠層單位面積上葉綠素含量高，對光吸收的多，因而反射率較低。大約在553 nm綠波段處有一反射峰-綠峰，在紅光(600～680 nm)處有一個(gè)吸收帶，這是因?yàn)槿~綠素主要吸收紅光反射綠光；在680 nm附近，有一紅光吸收谷-紅谷，并具有很低的反射率；在近紅外區(qū)(770～900 nm)，冠層葉片光譜反射率主要受葉片內(nèi)部物質(zhì)及細(xì)胞結(jié)構(gòu)影響，反射率較高，是近紅外波段的高反射區(qū)。其中在680～756 nm波段有一反射的“陡坡”，因?yàn)橹脖恢械娜~綠素會(huì)吸收大部分的可見光，而細(xì)胞的反射機(jī)制類似小型的角反射器，對于波長700 nm以上電磁波是幾乎透明的，此時(shí)植被細(xì)胞結(jié)構(gòu)是影響電磁波反射的主要因素，因此植被在680～756 nm的反射率可從5%快速變化為50%。

圖3 玉米冠層不同生育期光譜反射曲線(a)：抽雄期；(b)：灌漿期；(c)：完熟期Fig.3 Spectral reflection curves of corn canopy at different growth stages(a)：Tasseling stage;(b)：Filling stage; (c)：Full ripeness period

玉米冠層3個(gè)不同生育期的一階微分光譜見圖4。從圖4可見，紅邊區(qū)域(680～756 nm)內(nèi)的一階微分變化最大，總體趨勢是隨病情指數(shù)增大，紅邊內(nèi)一階微分值逐漸減小，特別是在728 nm峰值附近表現(xiàn)出明顯規(guī)律性，同樣在綠峰532 nm附近也有相似現(xiàn)象。不同病情的玉米冠層一階微分光譜形狀相似，但呈梯度顯現(xiàn)，隨病情增加，紅邊位置逐漸向左(短波方向)移動(dòng)，即紅邊斜率逐漸減小，紅邊位置發(fā)生“藍(lán)移”，病害越重，藍(lán)移越明顯。

圖4 玉米冠層不同生育期一階微分光譜反射曲線(a)：抽雄期；(b)：灌漿期；(c)：完熟期Fig.4 First-order differential spectral reflection curves of corn canopy at different growth stages(a)：Tasseling stage;(b)：Filling stage; (c)：Full ripeness period

RIKOLA數(shù)據(jù)中包含豐富的光譜參數(shù)，將樣點(diǎn)各波段的反射率在SPSS軟件中進(jìn)行線性或非線性組合計(jì)算，可以得到相應(yīng)的光譜參數(shù)。結(jié)合玉米冠層的光譜特征，所選擇的植被指數(shù)包括:僅利用綠光波段、綠光和近紅外波段、紅光和近紅外波段、紅邊構(gòu)造的光譜參數(shù)。同時(shí)考慮到病蟲害探測植被指數(shù)應(yīng)用的廣泛性和實(shí)用性，以遙感研究中13種常見植被病害光譜參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)玉米冠層光譜特征對參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，用于玉米冠層大斑病監(jiān)測模型的構(gòu)建，表1為改進(jìn)后所用光譜參數(shù)。

表1 病害相關(guān)指數(shù)Table 1 Disease related index

注：RNir，RRe，RG及Rλi分別表示光譜在近紅外、紅、綠、及波長λ處波段反射率的均值；SDG，SDR及SDλi分別為綠光、紅邊及波長λ處波段一階微分光譜值

Note:RNir,RRe,RGandRλirepresent the mean reflectance of the spectrum at near-infrared,red,green and wavelengthλ；SDG,SDRand SDλiare the first-order differential spectral values of green,red edge and wavelengthλ

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米冠層DI與光譜參數(shù)相關(guān)性分析

將試驗(yàn)區(qū)各生育期建模樣點(diǎn)DI值與對應(yīng)影像的光譜參數(shù)值進(jìn)行相關(guān)性分析，可了解不同波段對玉米冠層DI的敏感性。結(jié)果表明，上述13個(gè)光譜參數(shù)除PRI(Rλi,Rλj)與OSAVI外，其余在所有生育期均與玉米冠層DI呈顯著相關(guān)關(guān)系，R2達(dá)到0.6以上。其中，抽雄期光譜參數(shù)NDVI(SDλi,SDλj)，RERDVI，灌漿期光譜參數(shù)GNDVI(Rλi,Rλj)，NDVI(SDλi,SDλj)，SDR/SDG，RERDVI和完熟期光譜參數(shù)(NDVI(SDλi,SDλj)，SDR/SDG，RERVI(RNir,RRe))與玉米冠層DI的R2達(dá)到0.8以上，呈極顯著相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2相關(guān)性分析得知，R2達(dá)到0.8以上的光譜參數(shù)在灌漿期最多，其次是完熟期，最后是抽雄期。原因可能是玉米植株在抽雄期剛開始出現(xiàn)大斑病病癥，葉片上病斑范圍與數(shù)量較小，此時(shí)無人機(jī)高光譜儀區(qū)分正常葉片與感病葉片能力較弱，而灌漿期是玉米植株發(fā)育旺盛期，此時(shí)大斑病病斑擴(kuò)散較快，病癥表現(xiàn)明顯，易于無人機(jī)光譜儀識別，發(fā)育至完熟期時(shí)，正常不感病植株葉片逐漸干枯，其生理狀態(tài)與感病植株相似，因此無人機(jī)光譜儀對感病冠層識別能力下降。通過對13組光譜參數(shù)分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，近紅外波段(770～818 nm)參與的光譜參數(shù)比綠光波段(500～556 nm)參與的光譜參數(shù)有更高的相關(guān)性，說明近紅外波段對玉米冠層病情變化更敏感，解釋了僅綠光波段構(gòu)成的光譜參數(shù)PRI(Rλi,Rλj)在不同生育期相關(guān)性均較低的原因，在削弱土壤和環(huán)境影響方面，一階微分類參數(shù)(SDR，SDG，NDVI(SDλi,SDλj)，SDR/SDG)比土壤調(diào)節(jié)類參數(shù)(OSAVI，GSAVI)體現(xiàn)了更高的相關(guān)性，說明一階微分類參數(shù)更適用于監(jiān)測玉米冠層DI。

表2 玉米冠層DI與光譜參數(shù)相關(guān)性Table 1 Correlation between DI and spectral parameters of corn canopy

2.2 監(jiān)測模型精度分析

綜上所述，選取各生育期R2達(dá)到0.8以上的光譜參數(shù)用于玉米冠層大斑病DI值監(jiān)測模型的構(gòu)建，將各生育期模型(抽雄期：DI-NDVI(SDλi,SDλj)，DI-RERDVI；灌漿期：DI-GNDVI(Rλi,Rλj)，DI-NDVI(SDλi,SDλj)，DI- SDR/SDG，DI-RERDVI；完熟期：DI-NDVI(SDλi,SDλj)，DI- SDR/SDG，DI-RERVI(RNir,RRe))設(shè)為自變量，玉米冠層DI值設(shè)為因變量，將監(jiān)測模型應(yīng)用于3塊試驗(yàn)田各生育期90個(gè)檢驗(yàn)樣點(diǎn)，并在SPSS軟件中分別進(jìn)行DI實(shí)測值和預(yù)測值相關(guān)性分析，對其預(yù)測的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)，采用預(yù)測精度(R2)、均方根差(RMSE)和平均相對誤差(RE)3項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，R2越接近1，RMSE和RE越小，表明模型精度越高，分析結(jié)果如圖5、表3所示。

根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果得知，抽雄期模型DI-NDVI(SDλi,SDλj)的回歸斜率(0.829 3)和決定系數(shù)(R2=0.842 7)都最接近1，均方根誤差(RMSE=4.59)和相對誤差(RE=12.3)更小，說明模型DI-NDVI(SDλi,SDλj)的預(yù)測能力和精度更高；在灌漿期和完熟期，模型DI-RERDVI和DI-NDVI(SDλi,SDλj)有更高的預(yù)測能力和精度，可分別作為各自生育期的監(jiān)測模型。

2.3 玉米冠層DI高光譜影像反演

使用各生育期對應(yīng)監(jiān)測模型對研究區(qū)不同生育期的高光譜影像像元進(jìn)行解算，得到試驗(yàn)地不同生育期的玉米冠層大斑病DI值反演估算圖，圖6為B2研究區(qū)部分反演估算圖。為了對估算圖結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)影像在已有樣點(diǎn)中隨機(jī)選取30個(gè)，將DI實(shí)測值和估算值進(jìn)行擬合分析(圖7)，在RMSE最小、R2最接近1的情況下，擬合結(jié)果越接近1∶1線(圖中虛線)，表明估測結(jié)果越精確。結(jié)果可以看出，3個(gè)監(jiān)測模型各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均體現(xiàn)出較高相關(guān)性，證明基于無人機(jī)高光譜對玉米冠層大斑病監(jiān)測是切實(shí)可行的。

圖5 玉米冠層DI的實(shí)測值與估測值相關(guān)性分析(a)：抽雄期DI-NDVI(SDλi,SDλj)；(b)：抽雄期DI-RERDVI；(c)：灌漿期GNDVI(Rλi,Rλj)； (d)：灌漿期DI-NDVI(SDλi,SDλj)；(e):灌漿期DI-SDR/SDG;(f):灌漿期DI-RERDVI; (g):完熟期DI-NDVI(SDλi,SDλj);(h):完熟期DI-SDR/SDG;(i):完熟期DI-RERVI(RNir,RRe)Fig.5 Correlation analysis of DI measured value and estimated value of corn canopy(a)：Tasseling stage DI-NDVI(SDλi,SDλj)；(b)：Tasseling stage DI-RERDVI；(c)：Filling stage GNDVI(Rλi,Rλj)；(d)：Filling stage DI-NDVI(SDλi,SDλj)；(e):Filling stage DI-SDR/SDG;(f):Filling stage DI-RERDVI;(g):Full ripeness period DI-NDVI(SDλi,SDλj);(h):Full ripeness period DI-SDR/SDG;(i):Full ripeness period DI-RERVI(RNir,RRe)

表3 玉米冠層DI值估算模型精度檢驗(yàn)Table 3 Accuracy test of inversion models for corn canopy DI values

3 結(jié) 論

對無人機(jī)高光譜監(jiān)測玉米冠層大斑病病情指數(shù)的方法進(jìn)行了研究，利用其實(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)分析了玉米冠層多生育期的病情，結(jié)合高光譜儀的高分辨率從不同梯度病害脅迫入手，展現(xiàn)了由此導(dǎo)致的光譜反射率、一階微分光譜及病害參數(shù)在反映DI值方面的差異，對比了具有代表性的13種病害參數(shù)在預(yù)測DI值方面的能力，并在小尺度上分析了監(jiān)測模型對監(jiān)測結(jié)果的影響。通過精度檢驗(yàn)和分析比較，結(jié)果表明：無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)在監(jiān)測玉米冠層大斑病病情方面具有準(zhǔn)確度高，快速便捷，時(shí)效性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢。

圖6 不同生育期玉米冠層DI值反演估測圖(a)：抽雄期；(b)：灌漿期；(c)：完熟期Fig.6 Distribution maps of different corn canopy DI values at different growth stages(a):Tasseling stage;(b) Filling stage;(c) Full ripeness period

圖7 不同模型DI預(yù)測值與實(shí)測值擬合結(jié)果(a)：DI-NDVI(SDλi,SDλj)；(b)：DI-RERDVI；(c)：DI-NDVI(SDλi,SDλj)Fig.7 Regression results of predicted and measured corn canopy DI values(a):DI-NDVI(SDλi,SDλj);(b):DI-RERDVI;(c):DI-NDVI(SDλi,SDλj)

研究結(jié)果表明，將無人機(jī)遙感監(jiān)測玉米冠層大斑病病情的技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)或科學(xué)研究，能為小尺度空間范圍提供高效快捷、精確可靠的玉米冠層大斑病監(jiān)測服務(wù)；與前人的工作研究相比，本試驗(yàn)進(jìn)行了多生育期下不同梯度病害脅迫的研究，得出了不同生育期最適用的病情監(jiān)測指數(shù)，證明了利用無人機(jī)高光譜技術(shù)監(jiān)測玉米冠層大斑病病情是切實(shí)可行的。雖然在各生育期均取得較高監(jiān)測精度，但是玉米冠層大斑病一般從抽雄期開始發(fā)病，為了盡早控制病情，應(yīng)在抽雄期監(jiān)測。建議在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用或科學(xué)研究時(shí)，可以考慮使用紅光及近紅外的多光譜儀或更高分辨率的高光譜儀來提高監(jiān)測精度和效率。