楊成海

1. 引言

任何能夠引起作物形態(tài)和生理變化的病害都可以作為遙感檢測的理想對象。例如，早在20世紀(jì)20年代末，研究人員就曾從飛機(jī)上用普通膠片相機(jī)拍攝了一組感染棉花根腐病菌棉田的航拍照片（棉花根腐病是由雜食性致病菌引起的一種土壤傳播疾病[1]）。通過檢測健康作物和感染作物的光譜反射特性、識別和區(qū)分某些谷物病害的最佳相機(jī)和膠片參數(shù)[2]等系列實(shí)驗(yàn)，航拍技術(shù)在作物病害檢測領(lǐng)域逐漸獲得了更加廣泛的應(yīng)用。目前，人們已經(jīng)開展了大量使用航拍技術(shù)識別農(nóng)作物病害的研究，這些病害通常可以分為四種主要類型：空氣傳播、昆蟲傳播、種子傳播和土壤傳播[3,4]。盡管如今基于膠片的航拍技術(shù)已不再使用，但在衛(wèi)星圖像和機(jī)載成像系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用之前，它一直是主要的遙感工具。

近幾十年來，載有多光譜和高光譜相機(jī)的機(jī)載成像系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物病害地圖的檢測與繪制工作：經(jīng)評估與驗(yàn)證，機(jī)載彩色紅外（CIR）攝錄機(jī)可用于棉花根腐病[5]和紅麻根結(jié)線蟲[6]檢測；機(jī)載數(shù)字多光譜圖像可用于柑橘園中的疫霉根腐病[7]的檢測、番茄田間的晚疫病[8]和棉田中的棉花根腐病[9]等病害情況的地圖繪制；機(jī)載高光譜圖像可用于小麥黃銹病[10]、葡萄卷葉病毒[11]和番茄黃葉卷曲[12]等的識別；航空多光譜和高光譜成像技術(shù)則可以運(yùn)用于柑橘脂斑病[13]、棉花根腐病[14]以及柑橘黃龍?。ㄇ喙。15,16]的檢測工作。

此外，人們還對使用衛(wèi)星圖像繪制作物病害地圖的可行性進(jìn)行了評估。哪怕是只有30 m空間分辨率的陸地衛(wèi)星成像，也能夠繪制出嚴(yán)重感染小麥全蝕病的作物病害地圖[17]。衛(wèi)星傳感器的進(jìn)步極大地提高了圖像的空間分辨率。利用QuickBird衛(wèi)星圖像可以檢測冬小麥中的白粉病和葉銹病，并在生長后期作物受到嚴(yán)重感染時達(dá)到較高的準(zhǔn)確度[18]。此外，QuickBird圖像還可以用于油棕基腐病[19]的識別與病害地圖繪制。SPOT 6衛(wèi)星圖像則用于多個區(qū)域的冬小麥白粉病的地圖繪制[20]。WorldView-2衛(wèi)星圖像也被證實(shí)可用于黃龍病的檢測工作[21]。最近，為檢測如柑橘青果病[22]、葡萄黃化病[23]和苜蓿根腐病[24]等農(nóng)作物病害，人們對無人機(jī)系統(tǒng)也進(jìn)行了評估。

盡管機(jī)載成像和衛(wèi)星圖像都已成功應(yīng)用于檢測和繪制眾多作物的病害地圖，但病害的早期檢測仍然是一項挑戰(zhàn)。在大多數(shù)情況下，當(dāng)作物的病害癥狀在遙感影像中顯示出來時，損害可能早已經(jīng)發(fā)生。若病害發(fā)現(xiàn)得足夠早，便可以及時采取防治措施以減少對作物的進(jìn)一步損害；但對于部分作物而言，在當(dāng)前生長季節(jié)再去阻止其感染的傳播可能為時已晚。例如，一旦棉花植株感染了根腐病，該植株將在幾天內(nèi)死亡。實(shí)際上，遙感通常被用來估計由病害所造成的損害的范圍和嚴(yán)重程度。此外，在當(dāng)前生長季節(jié)獲得的圖像可用于未來生長季節(jié)中某些反復(fù)發(fā)生病害的管理防治，如棉花根腐病等。

殺菌劑被廣泛用于病害防治，以減少作物產(chǎn)量損失與質(zhì)量下降。由于許多病害在田間蔓延傳播的速度極快，因此人們通常將殺菌劑地毯式噴灑。然而，針對特定地點(diǎn)的變量控制技術(shù)的應(yīng)用可以更有效地管控某些同季節(jié)或跨季節(jié)的穩(wěn)定病害。如果疾病在不同季節(jié)總是出現(xiàn)在田間相似的區(qū)域，則可以根據(jù)前幾年的病害地圖，于病害發(fā)生之前在特定地點(diǎn)噴灑殺菌劑。棉花根腐病就是這樣一種極具代表性的病害，它已經(jīng)影響棉花產(chǎn)業(yè)長達(dá)一個多世紀(jì)之久。

位于得克薩斯州大學(xué)城的美國農(nóng)業(yè)部航空應(yīng)用技術(shù)研究室逐步開始收集航拍圖像，以監(jiān)測2000年得克薩斯州南部和2010年得克薩斯州中部棉花根腐病的分布情況和嚴(yán)重程度。2000—2002年和2010—2017年的圖像表明，該病害通常在不同年份的田間相似區(qū)域出現(xiàn)[25]。該病害的復(fù)發(fā)模式極大地彰顯了病害處方圖繪制工作的價值。因此，我們開展了為期三年的實(shí)地研究，以探明如何使用歷史圖像和變量控制技術(shù)在特定地點(diǎn)施用殺菌劑[26]。

下文將以棉花根腐病為例，說明如何將遙感技術(shù)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用于該病害的檢測，以及如何針對特定地點(diǎn)進(jìn)行該病害的管理。具體來說，本文討論了圖像的選擇和獲取、處方圖的繪制、變量控制技術(shù)（VRT）的應(yīng)用及成果評估，期待這些方法在未來可以直接或稍經(jīng)調(diào)整后應(yīng)用于類似的農(nóng)作物病害的防治與管控。

2. 圖像的選擇與采集

機(jī)載圖像和衛(wèi)星圖像都可用于繪制棉花根腐病病害感染地圖[9,14]。機(jī)載圖像具有極高的像素，但其有效性因地理位置和季節(jié)時間而異。高分辨率衛(wèi)星圖像由于其重訪時間短且覆蓋范圍大的特點(diǎn)，成為另外一個重要的圖像來源。陸地衛(wèi)星成像雖然是免費(fèi)的，但其空間分辨率太低，從而無法準(zhǔn)確繪制規(guī)模較小的病害感染情況。相較陸地衛(wèi)星成像，像素大小為5 m或更小的衛(wèi)星圖像更為合適。目前，有許多這樣的衛(wèi)星傳感器，如地球之眼1號衛(wèi)星、Pleiades衛(wèi)星、WorldView系列3號和4號衛(wèi)星、高景1號衛(wèi)星等。若此類衛(wèi)星圖像不可使用或費(fèi)用對于目標(biāo)田野使用場景來說過于昂貴，也可以使用分辨率為5～10 m的衛(wèi)星影像，如RapidEye衛(wèi)星、SPOT 6號衛(wèi)星和SPOT 7號衛(wèi)星以及Sentinel 2號衛(wèi)星。

研究中，我們使用三個機(jī)載多光譜成像系統(tǒng)（三攝、四攝和雙攝）和一個衛(wèi)星傳感器（地球之眼1號）來進(jìn)行棉花根腐病的圖像采集。三攝成像系統(tǒng)包括三個具有可見光到近紅外（NIR）靈敏度的數(shù)碼相機(jī)，可獲取1024×1024像素的8位圖像[27]。這三臺相機(jī)分別在綠色[(560 ± 5) nm]、紅色[(630 ± 5) nm]和近紅外[(851 ± 6) nm]等三個波段進(jìn)行濾波。四攝成像系統(tǒng)由四臺數(shù)碼相機(jī)組成，分別在帶寬為40 nm，中心波長分別為450 nm、550 nm、650 nm和830 nm的四個光譜波段上拍攝2048 × 2048像素的12位圖像[28]。

雙攝成像系統(tǒng)由兩臺相同的消費(fèi)級尼康D810相機(jī)組成，其像素陣列為7360 × 4912。一臺相機(jī)用于獲取正常的紅-綠-藍(lán)（RGB）圖像，而另一臺相機(jī)則用830 nm的長波通濾光片替換了原始的近紅外阻擋濾光片以捕獲近紅外圖像。距地面約3050 m高度的圖像采集工作由一架Cessna 206飛機(jī)完成。所有機(jī)載圖像均在1000～1500 h之間拍攝完成。三攝、四攝和雙攝成像系統(tǒng)的像素大小分別為1.3 m、1.0 m和0.8 m。地球之眼1 號衛(wèi)星圖像的空間分辨率為2 m，像素深度為11位，包含三個可見波段（RGB）和一個近紅外波段。所有的機(jī)載和衛(wèi)星圖像都被校正使用通用橫軸墨卡托坐標(biāo)系。

圖1 [25]展示了得克薩斯州南部一個面積為102 hm2的棉田的兩張機(jī)載CIR圖像，分別拍攝于2001年和2011年生長季末。未受感染的區(qū)域呈紅色，而受感染的區(qū)域則呈現(xiàn)綠色或淺藍(lán)色。在CIR圖像上，我們可以很容易將棉花根腐病感染植株與健康植株進(jìn)行區(qū)分。盡管兩年間的病害感染情況有所不同，但其總體模式是相似的。圖像結(jié)果表明，在2001年和2011年，受病害感染的植株面積分別占田間總面積的14%和18% [25]。

3. 處方圖的創(chuàng)建

為對棉花根腐病進(jìn)行現(xiàn)場管理，我們有必要從機(jī)載或衛(wèi)星圖像中劃定田間的病害感染區(qū)域。大多數(shù)圖像處理軟件包（如Erdas Imagine和ENVI）可用于圖像分類。在分類基礎(chǔ)上，我們創(chuàng)建了處方圖以供后續(xù)的VRT系統(tǒng)使用。此外，像Trimble Ag Software和AgLeader SMS等價格較為便宜的軟件產(chǎn)品，以及QGIS等免費(fèi)軟件產(chǎn)品也可以用于圖像的處理和處方圖的繪制。

在棉花根腐病項目的研究中，我們運(yùn)用了大量的分類技術(shù)以區(qū)分機(jī)載圖像中的病害感染區(qū)域與未受感染區(qū)域。過程中，我們比較了兩種無監(jiān)督分類和六種有監(jiān)督分類方法對棉花根腐病的識別效果[29]。評估結(jié)果表明，雖然八種方法的準(zhǔn)確度相同，但兩種無監(jiān)督分類方法更易于使用。因此，我們建議將無監(jiān)督分類方法用于棉花根腐病的鑒定?？梢酝ㄟ^將迭代自組織數(shù)據(jù)分析技術(shù)（ISODATA）應(yīng)用于多光譜圖像或源自多光譜圖像的歸一化差分植被指數(shù)圖像來實(shí)現(xiàn)這兩種無監(jiān)督分類方法。考慮到病害的擴(kuò)散可能，可以在受侵染區(qū)域的周圍添設(shè)3～10 m的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)也應(yīng)當(dāng)作為處方圖的一部分 [26]。

圖1. 2001年（a）和2011年（b）之間，得克薩斯州南部102 hm2棉田棉花根腐病病害感染分布圖比較[25]。

圖2 [26]展示的是得克薩斯州圣安吉洛附近一45 hm2棉田的機(jī)載CIR圖像、無監(jiān)督分類圖和具有5 m緩沖區(qū)的處方圖。分類圖有效地將田間棉花根腐病區(qū)域區(qū)分開。但是，一些非病害感染區(qū)域（如具有線性特征和裸露的土壤，見田間圖像右下部分）卻被劃歸為病害區(qū)域，隨后在添加緩沖區(qū)之前被移除。分類圖顯示約有三分之一的田地受到病害感染，然而附帶5 m緩沖區(qū)的處方圖卻顯示有57%的田地需治療處理。

4. VRT 的應(yīng)用

VRT可以將農(nóng)業(yè)投入（即化肥、除草劑和殺菌劑）用于滿足農(nóng)田間不同區(qū)域的特定需求。有大量出版物記錄了世界各地在這項技術(shù)和其他精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)方面的研究和商業(yè)活動[30-32]。VRT的應(yīng)用不會改變現(xiàn)有噴灑機(jī)的基本功能，但我們需要為其增加一個控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以讀取處方圖以便自動調(diào)整噴灑速率。VRT可以應(yīng)用于不同的控制系統(tǒng)，基于流量的控制系統(tǒng)是最簡單且最為廣泛使用的，該系統(tǒng)通過電子控制器操縱動臂或條帶，從而提供所需的噴灑速率。

本研究選擇了兩個基于流量的控制系統(tǒng)的控制器，分別是John Deere控制器和Trimble控制器。John Deere控制系統(tǒng)由控制器、伺服閥、流量計和截止閥組成，將該控制系統(tǒng)裝配到得克薩斯州埃德羅伊（Edroy）附近農(nóng)民的John Deere拖拉機(jī)中。Trimble系統(tǒng)組件類似，目前裝配于得克薩斯州圣安吉洛生產(chǎn)商的John Deere拖拉機(jī)中。兩臺拖拉機(jī)都已經(jīng)配備了StarFire RTK GPS接收器。John Deere控制系統(tǒng)需配備John Deere GreenStar顯示器，Trimble控制系統(tǒng)需配備Trimble FMX顯示器，兩種顯示器均已安裝在相應(yīng)的拖拉機(jī)上，可進(jìn)行自動引導(dǎo)及其他現(xiàn)場操作。我們將處方圖上傳到顯示器，并于2015—2017年在多地進(jìn)行殺菌劑施用實(shí)驗(yàn)之前，對每個系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)使其達(dá)到所需比例。

5. 應(yīng)用性能和治療效果的評估

我們可以利用處理過程中的作物圖像和殺菌劑施用過后的機(jī)載影像以及地面觀測來對VRT應(yīng)用的效果進(jìn)行評估。在VRT的現(xiàn)場應(yīng)用期間，每個小區(qū)域的實(shí)際速率和目標(biāo)速率通常被記錄在所應(yīng)用的地圖中。我們在作物生長季節(jié)對經(jīng)過處理的田地進(jìn)行航空影像拍攝，可以檢測到所有的根腐病。圖3 [26]是于2010年拍攝的一45 hm2棉田未經(jīng)治療處理的CIR圖像、覆蓋在CIR圖像上的實(shí)際應(yīng)用圖像和治療處理后的CIR圖像。總體而言，John Deere控制系統(tǒng)將殺菌劑準(zhǔn)確無誤地施用在了目標(biāo)規(guī)定的區(qū)域。空間分析表明，實(shí)際治療處理面積僅比目標(biāo)處理面積小了1.5%，而實(shí)際施用速率則比該區(qū)域所需要的速率高了4.1% [26]。

從治療處理后的CIR圖像可以明顯看出，定點(diǎn)治療有效地控制了處理區(qū)的棉花根腐病。但是，在田間中心一些較小的根腐病區(qū)域卻未得到治療處理。由于用于創(chuàng)建處方圖的圖像是2010年拍攝的，因此，該現(xiàn)象也有可能是由拍攝后根腐病感染擴(kuò)散所造成。在未來，可以通過添加新增的病害感染區(qū)域來修改調(diào)整處方圖。需要指出的是，田野西邊界的矩形區(qū)域沒有得到相應(yīng)的治療處理，該區(qū)域的所有植株在該季節(jié)的開花期幾乎全都死亡了。

圖3.（a）2010年7月30日，未經(jīng)治療處理的自然病害感染的機(jī)載圖像；（b）治療處理中的圖像；（c）2015年8月5日，得克薩斯州南部一45 hm2棉田經(jīng)Topguard Terra殺菌劑治療處理后的機(jī)載圖像[26]。

用于治療棉花根腐病的殺菌劑Topguard Terra非常昂貴，全面進(jìn)行施用的成本為每英畝（1 acre = 4046.9 m2）50美元或每公頃124美元。例如，如果對45 hm2的田地統(tǒng)一進(jìn)行全面施用，則該田地的殺菌劑成本將為5580美元（45 hm2×124美元·hm?2）。由于實(shí)際上需要進(jìn)行治療處理的田地僅占57%，與全面施用相比，該方法可以減少43%田地殺菌劑的施用，節(jié)省的費(fèi)用為2400美元。為現(xiàn)有的拖拉機(jī)或播種機(jī)裝配變量控制系統(tǒng)的成本為4000～5000美元。所以，只要在單季節(jié)內(nèi)能夠?qū)⒍c(diǎn)處理的面積減少32～40 hm2，就可以輕松收回成本。盡管田間受災(zāi)區(qū)域可達(dá)75%，但據(jù)本研究的航拍調(diào)查顯示，具有棉花根腐病病史田地的受災(zāi)區(qū)域大多占20%～40%。顯然，就節(jié)省殺菌劑而言，VRT定點(diǎn)治療的潛力是巨大的。

6. 挑戰(zhàn)與研究需求

本文以棉花根腐病治療案例為例，說明了如何將遙感技術(shù)和VRT應(yīng)用于病害檢測和定點(diǎn)管理。像棉花根腐病這類具有明顯光譜特征的病害很容易分辨，然而，當(dāng)同一片田間的多種生物和非生物條件具有相似的光譜特征時，有些疾病就很難檢測。隨著傳感器成像技術(shù)和圖像處理技術(shù)的進(jìn)步，我們有必要運(yùn)用更先進(jìn)的成像傳感器和更準(zhǔn)確的分析方法，從而將病害與其他干擾區(qū)分開來。

盡管如引言部分所述，許多農(nóng)作物病害可以通過機(jī)載圖像或衛(wèi)星圖像進(jìn)行檢測和繪制，但人們對如何將遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更為實(shí)用的處方圖仍缺乏深入的理解。因此，需要開展更多的研究來開發(fā)能夠?qū)⒎诸悎D轉(zhuǎn)換為應(yīng)用程序圖的操作程序。盡管本文可以為棉花根腐病項目提供一定的指導(dǎo)，但每種病害都有其獨(dú)特的特征，需要不同的檢測和處理程序。對于在相似地區(qū)逐年復(fù)發(fā)的疾病，可以使用歷史圖像記錄侵害的時空一致性和動態(tài)發(fā)展趨勢，這可以對創(chuàng)建處方圖提供一定的幫助。

棉花根腐病項目證明，可變用量的殺真菌劑應(yīng)用具有減少殺菌劑使用和增加獲利的巨大潛力，但是要實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)治療的應(yīng)用，仍需要眾多其他技術(shù)的配合執(zhí)行。目前而言，這確實(shí)是一個巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)闆]有多少農(nóng)民具備將所有技術(shù)整合到病害管理系統(tǒng)中的知識和技能。部分具有圖像處理經(jīng)驗(yàn)的農(nóng)民可能能夠創(chuàng)建自己的處方圖。但如果該方式難以操作，農(nóng)民也可以使用商業(yè)的圖像處理服務(wù)來創(chuàng)建處方圖。目前，已有許多農(nóng)業(yè)經(jīng)銷商提供圖像采集、處方圖創(chuàng)建和VRT應(yīng)用的服務(wù)。然而，并不是所有的病害都適合于定點(diǎn)治療應(yīng)用，全面的地毯式藥劑施用對許多農(nóng)作物病害仍然有效。因此，我們還應(yīng)該進(jìn)行更多的研究來確定適用VRT的作物病害種類。

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