高光谱遥感在农作物病虫害监测上的应用

据联合国粮农组织估计，世界粮食生产因病虫害常年损失24％。农作物病虫害是农业生产上的重要生物灾害，是制约高产、优质、高效益农业持续发展的主导因素之一。为了提高病虫害监测的精度和水平，采用高科技手段，特别是遥感监测己成为病虫害监测的重要研究方向。本文主要介绍了高光谱遥感在农作物病虫害监测上的应用。

高光谱遥感监测农作物病虫害的原理

健康绿色植物的光谱特征主要取决于它的叶子。在可见光谱波段内植物的光谱特性主要受叶绿素的影响。由于在以450nm为中心的蓝波段以及670nm为中心的红波段的叶绿素强烈吸收辐射能而成吸收谷。叶片的反射率和透射率很低，在两谷之间吸收相对减少，形成绿色反射峰，简称“绿峰”，在视觉表现为绿色。当植物生长健康，处于生长期高峰，叶绿素含量高时绿峰”向蓝光方向偏移，而植物因病虫危害或缺素而“失绿”时，“绿峰”则向红光方向偏移。

在近红外波段绿色植物的光谱作用取决于叶片内部的细胞结构。当植物受病害侵害时，叶片组织的水分代谢受到阻碍，此后随着病虫害危害的加重，植物细胞结构遭到破坏，各种色素的含量也随之减少，导致叶片对近红外辐射的反射能力减少。在光谱特征上表现为可见光区400”00nm. 反射率升高而近红外区720、1100nm. 反射率降低。近红外区研究的重点是“红边”。“纟[边”的定义是反射光谱的一阶微分的最大值对应的光谱位置波长. ，通常位于68俨750. 之间。“红边”位置依据叶绿素含量、生物量和物候变化沿波长轴方向移动。当叶绿素含量高、生长活力旺盛时“红边”会向红外方向偏移；当植物由于感染病虫害或因污染、物候变化而“失绿”时，则“红边”会向蓝光方向移动。研究发现近红外部分反射率的改变是发生在可见光部分的反射率发生改变之前的。这是因为在这段时间内，细胞组织中的叶绿素的数量和质量还没有发牛改变。由此可见红外波段的光谱特征的变化早于人用肉眼观测到的病虫危害，这对于病虫害的早期调查和预报具有极其重人的意义。

高光谱遥感监测农作物病虫害的技术流程

1. 地面光谱获取，加农学采样

2. 分析生化参量，农学参量和光谱特征

3. 病虫害光谱诊断模型的建立，验证

4. 高光谱影像的病虫害反演

5. 病虫害波谱库数据建立病虫害诊断专家系统，发布信息

我们结合冬小麦的事例进行说明：

1. 首先建立试验组和对照组，给试验组采取喷雾法接种条锈病菌。

2. 显症后我们在小麦挑旗期、抽穗期、灌浆期和成熟期分别测量冠层光谱参数、色素含量、病情指数。从而获取高光谱变量特征参数。

3. 数据处理与分析

① 色素含量与光谱变量的相关分析

② 小麦色素含量的高光谱估算模型

③ 小麦色素含量的高光谱估算模型的精度检验

当前遥感监测农作物病虫害的缺陷

1. 是否会出现“同谱异物”和“异谱同物”现象。许多病虫害及非病虫害胁迫同一作物时产生的症状非常相似，它们的光谱也可能相似：某些病虫害危害同一物作能产牛几种症状，它们的光谱可能不同。高光谱遥感对上述现象的区分，关系到其监测的准确性。

2. 光谱分辨率与防治指标之间的关系。即传感器是否有足够的高分辨率能在防治指标前监测到病虫害的发生。

3. 适用性。由于影响光谱数据的因素很多，如农作物品种、栽培模式、光谱测试环境、传感器的种类等，因此，获取的实验结果往往存在一个适用性问题。如何在不影响聆测要求的情况下扩大其适用范围，也是必需研究的问题。