不同胁迫下棉花冠层高光谱遥感识别研究

　　摘要：遙感技术因快速、无损监测等优点而被广泛应用于农业领域。通过开展不同胁迫下棉花冠层光谱室外测试试验，分析不同胁迫冠层光谱特征差异，再分别建立不同的光谱特征参数判别式对其进行识别，可为棉花所受胁迫类型的快速识别提供参考。结果表明，无论哪种胁迫，棉花冠层光谱反射率形状和大小均在近红外波段变化相同，可见光波段和短波红外波段差异明显;不同胁迫下棉花冠层红边均具有“双峰”现象，红边峰值减小，红边位置均发生“蓝移”;黄萎病、枯萎病、干旱、红蜘蛛、角斑病、红叶茎枯病和蚜虫胁迫下冠层的吸收波段位置(Lo)、吸收深度(Depth672)和吸收面积(Area672)均明显减小，吸收宽度(Lwidth)均明显增加，而缺氮和盐害的Lo、Depth672和Area672基本不变，Lwidth均略微增加;不同胁迫下棉花冠层10个光谱特征参数表现出一定的规律，可建立相应的判别式实现对棉田所受胁迫类型的快速识别。

　　关键词：棉花;冠层;胁迫;高光谱;识别

　　引言

　　各种胁迫会导致作物产量和品质的下降，影响农业生产的可持续性[1-3]。棉花是新疆农业的支柱性产业，近年来新疆棉花总、单产一直位居全国第一。然而，由于新疆棉花连年种植，不合理使用化肥农药等，造成棉田干旱和缺素时常发生，各种病虫为害频繁，次生土壤盐碱化也逐年加重，严重影响棉花产业的稳定性和可持续性[4-7]。

　　利用遥感技术对植被干旱、冻害、病虫害等胁迫进行监测的研究较多，为农作物胁迫遥感监测奠定了研究基础[8-10]。林海荣等利用ETM影像，结合农业灾害和农作物生长发育情况，对新疆沙湾地区棉花结铃期发生冷害情况进行遥感监测，认为植被指数降低越多，冷害程度越重[11];Tilling A K等研究表明利用冬小麦冠层光谱反射率在近红外光区的变化能够监测到氮素和水分胁迫[12];Yang C M等发现，426nm的冠层光谱反射率能够有效地监测到水稻受褐飞虱和稻纵卷叶螟等虫害胁迫[13];Chen B等对不同品种、不同生育期棉花黄萎病的冠层光谱研究表明，随病害严重度的增加棉花冠层光谱反射率在可见光(620～700nm)和短波红外波段呈现上升趋势，近红外波段则表现出相反的趋势[14]。Steddom K等利用归一化植被指数、花青素反射指数对甜菜病害进行监测，分类精度达87.9%[15]。艾效夷等采用偏最小二乘回归方法综合冠层光谱和叶片生理参数，建立综合模型对小麦条锈病进行监测，比单独光谱参数建立的模型精度提高21%[16]。黄双萍等提出一种光谱词袋模型的分析方法，通过分析正常和穗瘟病稻穗的高光谱图像，实现了穗瘟病害程度的自动评判，提高了穗瘟病分级的自动化程度和准确率，预测分类识别精度达94.72%[17]。袁建清等利用高光谱成像仪获取健康、缺氮、感病水稻叶片的反射率光谱，采用六个判别模型构建水稻瘟病和缺氮识别模型，预测准确率达97.5%[18]。本文针对北疆绿洲区棉田开展棉花不同胁迫下冠层光谱的识别研究，为棉田胁迫的光谱识别提供研究基础。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验设计

　　2013—2016年在石河子大学试验站进行棉花不同胁迫小区试验，试验小区按随机区组设计，每小区约43m2，品种为新陆早7号(XLZ-7)、新陆早13号(XLZ-13)、新陆早33号(XLZ-33)和新陆早45号(XLZ-45)等。试验设3个重复，种植密度24万株·ha-1。每年4月中下旬播种，膜下滴灌，膜上点播，灌水量约3300m3·ha-1，施纯氮300kg·ha-1，P2O5 150kg·ha-1和K2O 75kg·ha-1。2013—2018年在新疆農垦科学院棉花所试验田进一步开展试验，品种为新陆早8号(XLZ-8)和XLZ-33，设计和管理与石河子大学试验站相同。2016—2019年分别在第八师122团、143团、147团、149团和148团选择不同胁迫棉田同步开展大田试验，试验品种包括XLZ-33、XLZ-42、XLZ-45和XLZ-60等，田间管理同当地生产一致。

　　1.2 冠层胁迫调查及等级划分

　　田间调查各种胁迫发生期棉花冠层的受害情况，选择合适冠层确定胁迫等级并进行光谱测试。各胁迫等级按冠层受害程度和症状不同进行分级。每种胁迫冠层被分成5级并分别用不同的符号表示。例如：黄萎病为b0、b1、b2、b3和b4;枯萎病为kb0、kb1、kb2、kb3和kb4;干旱为w0、w1、w2、w3和w4;缺氮为n0、n1、n2、n3和n4;红蜘蛛为h0、h1、h2、h3和h4;角斑病为j0、j1、j2、j3和j4;红叶茎枯为hb0、hb1、hb2、hb3和hb4;蚜虫为y0、y1、y2、y3和y4;盐害为s0、s1、s2、s3和s4。具体分级方法可参考相关文献[19]。

　　1.3 光谱测试方法

　　采用Field Spec Pro FR 2500型背挂式野外高光谱辐射仪(美国ASD公司，光谱波段范围350～2500nm)每年于棉花不同胁迫期进行冠层光谱测定。选择在晴朗无云，风速小于3m·s-1，北京时间11﹕30—14﹕00时进行测定，传感器探头垂直向下距冠顶约1.0m，视场角为25°，以2条光谱为一采样光谱，每小区不同位置测定5次，平均值为该小区反射值，每次光谱测量前后均以参考板标定。

　　1.4 数据分析

　　用软件Viewspec pro Version 4.05对遥感数据进行预处理，用软件Excel 2007和Matlab 12.01提取高光谱特征参数，并进行相关统计分析(本文筛选的光谱特征参数和定义见表1所列)。

　　2 结果与分析

　　2.1 不同胁迫棉花冠层光谱反射率特征比较

　　如图1所示可知，棉花冠层受到不同胁迫后反射率形状和大小均发生变化，其中近红外波段(700～1300nm)反射率形状和值的大小变化规律均相同，可见光波段(400～700nm)和短波红外波段(1300～2500nm)存在较大差异。可见光波段，黄萎病、枯萎病、干旱和蚜虫等胁迫的光谱反射率形状和大小变化均较大，趋势基本一致，反射率值均随胁迫严重程度的增加而增加;红蜘蛛、角斑病和红叶茎枯病的冠层光谱在650nm(红光)附近有一个独特的反射峰，且红蜘蛛和角斑病受害冠层反射率在550nm(绿峰)附近低于正常冠层，红叶茎枯病受害冠层反射率高于正常冠层。缺氮和盐害的光谱形状和大小基本无变化。短波红外波段，随严重程度增加，枯萎病和红叶茎枯病的冠层光谱反射率均增加;红蜘蛛的冠层反射率减小;角斑病和缺氮的冠层反射率在1450nm吸收峰附近增加，在1600nm和2200nm附近减小;黄萎病和蚜虫的冠层反射率在1600～1850nm波段低于正常冠层，其他波段范围高于正常冠层;盐害的冠层反射率在1600～1850nm波段低于正常冠层，其他波段基本不变;干旱的冠层反射率呈现先低于、后高于正常冠层的特征。

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文章名称： 不同胁迫下棉花冠层高光谱遥感识别研究

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