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(jí)別預(yù)測(cè)模型，使用手持光譜儀ASD FieldSpec HandHeld檢測(cè)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(jí)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(jí)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(jí)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(jiàn)光區(qū)特征波長(zhǎng)點(diǎn)679 nm、近紅外區(qū)特征波長(zhǎng)點(diǎn)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(jí)別監(jiān)測(cè)預(yù)警方程，其中前3個(gè)預(yù)測(cè)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(lái)預(yù)測(cè)設(shè)施黃瓜霜霉病發(fā)生的級(jí)別。

關(guān)鍵詞：設(shè)施黃瓜;霜霉病;光譜測(cè)量;預(yù)測(cè)模型

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

設(shè)施黃瓜在生長(zhǎng)過(guò)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(gè)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(gè)葉片枯死[2]。傳統(tǒng)黃瓜霜霉病診斷和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法是病理分析或經(jīng)驗(yàn)判斷，該方法不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)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(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)病蟲害的危害程度，原理為作物受到為害時(shí)，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(jiàn)光波段和短波紅外波段的光波特征變化。因此，可以通過(guò)受害作物某些特征波長(zhǎng)的光波特性與正常作物光波特性的區(qū)別，來(lái)監(jiān)測(cè)作物病蟲害危害級(jí)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(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供了可能。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)已報(bào)道了高光譜遙感技術(shù)對(duì)重要病害發(fā)生程度的監(jiān)測(cè)。黃木易等測(cè)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(jí)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(cè)預(yù)報(bào)模型，從而為條銹病的適時(shí)、適量防治提供依據(jù)[5]。陳兵等在棉花各個(gè)生育期條件下，對(duì)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(shí)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(cè)預(yù)報(bào)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(cè)、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(shí)，近紅外波段的光大部分被植物反射回來(lái)，紅光波段的光則大部分被植物吸收，通過(guò)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(duì)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(cè)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(cè)預(yù)報(bào)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(cè)模型的研究還鮮有報(bào)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(zhǎng)點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算植被指數(shù)，構(gòu)建設(shè)施黃瓜霜霉病發(fā)生級(jí)別的預(yù)測(cè)方程，以期為設(shè)施黃瓜霜霉病為害的快速評(píng)估提供理論依據(jù)，進(jìn)而為生產(chǎn)上及時(shí)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(yàn)時(shí)間與地點(diǎn)

試驗(yàn)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(zhǎng)為50 m，寬為6 m。

1.2 試驗(yàn)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(hào)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，將溫室大棚劃分為 6 m×3 m的15個(gè)小區(qū)，在黃瓜霜霉病發(fā)生的始盛期通過(guò)人工接種和噴灑殺菌劑的方法，形成5個(gè)不同發(fā)病級(jí)別的小區(qū)：0級(jí)，全株無(wú)病;1級(jí)，全株1/4及以下的葉片有少量病斑;2級(jí)，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(jí)，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(jí)，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(gè)處理重復(fù)3個(gè)小區(qū)。整個(gè)黃瓜生長(zhǎng)期間無(wú)其他病蟲害發(fā)生。

1.3.2 光譜測(cè)量 黃瓜光譜測(cè)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(cè)量光波反射率，測(cè)量時(shí)光譜儀傳感器探頭豎直朝下距黃瓜葉片20 mm，測(cè)量葉片前，要先對(duì)參考板和太陽(yáng)輻射光譜進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)定中間要用硫酸鋇（BaSO4）板校正。每個(gè)樣方測(cè)定10次。測(cè)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(gè)樣方測(cè)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(qiáng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為反射率數(shù)據(jù)。從測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)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(zhǎng)點(diǎn)的光譜反射率計(jì)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(jí)別相關(guān)性最為顯著的特征波長(zhǎng)點(diǎn)的光譜反射率。

利用上述植被指數(shù)及最佳波長(zhǎng)點(diǎn)的光波反射率數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型參數(shù)，同時(shí)采用SPSS-Statistics 17.0系統(tǒng)對(duì)霜霉病級(jí)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(jí)別病害光譜反射率分析

圖1為不同級(jí)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(jí)別黃瓜霜霉病為害植株的光譜曲線在400～718 nm可見(jiàn)光波段的光譜反射率有明顯差別。這是由于在可見(jiàn)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(jiàn)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(gè)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(shí)，葉部出現(xiàn)黃褐色病斑，此病斑處葉綠素含量降低，造成對(duì)藍(lán)光區(qū)、紅光區(qū)輻射能的吸收降低，反射增強(qiáng)，特別是紅光波段的反射率提高。因此在400～718 nm可見(jiàn)光譜段范圍內(nèi)黃瓜霜霉病光譜反射強(qiáng)度比正常部分有明顯提高，且隨著危害級(jí)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(jí)別黃瓜霜霉病為害植株的光譜反射強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度有所降低，且隨著為害級(jí)別的升高，光譜反射率逐漸降低。

2.2 黃瓜霜霉病級(jí)別與光譜反射率相關(guān)性分析

對(duì)黃瓜霜霉病級(jí)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(jí)別與不同波長(zhǎng)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(jí)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(jí)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(jí)別預(yù)測(cè)

以“2.2”節(jié)中確定的黃瓜霜霉病高光譜特征波長(zhǎng)點(diǎn)（可見(jiàn)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(gè)植被指數(shù)為自變量，黃瓜霜霉病發(fā)生級(jí)別為因變量，建立黃瓜霜霉病發(fā)生情況的預(yù)測(cè)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(duì)霜霉病級(jí)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(jí)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(jí)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(jiàn)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(zhǎng)點(diǎn)，計(jì)算系統(tǒng)RVI和NDVI，構(gòu)建黃瓜霜霉病監(jiān)測(cè)預(yù)警方程。通過(guò)對(duì)模型的F檢驗(yàn)表明，通過(guò)679、861 nm波長(zhǎng)點(diǎn)光譜反射率及NDVI構(gòu)建的模型均能很好地揭示霜霉病級(jí)別與設(shè)施黃瓜光譜反射率之間的關(guān)系，且通過(guò)861 nm波長(zhǎng)點(diǎn)光譜反射率構(gòu)建的模型優(yōu)于通過(guò)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(shí)，上述3個(gè)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(jí)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。可用黃瓜霜霉病病害生理學(xué)的現(xiàn)象來(lái)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(shí)細(xì)胞不斷喪失水分，從而對(duì)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(cè)黃瓜霜霉病是完全可行的。

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

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