基于成像高光譜技術(shù)的煙草病害監(jiān)測研究

基于成像高光譜技術(shù)的煙草病害監(jiān)測研究

一、引言

植物病害的發(fā)生是一個(gè)動態(tài)的病理變化過程，植物受到病原生物或不適宜的環(huán)境條件影響后，首先是生理機(jī)能會發(fā)生改變，接著引起植物內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最后才導(dǎo)致植物外部形態(tài)的改變，即癥狀出現(xiàn)。所以，植物在病變過程中，其化學(xué)成分會發(fā)生變化。

光譜技術(shù)由于具有分析速度快、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種快速、 無損的現(xiàn)代分析技術(shù)，廣泛用于植物病害方面的研究。如馮潔等用多光譜成像技術(shù)診斷黃瓜病害；蔣金豹等用高光譜微分指數(shù)監(jiān)測冬小麥病害；陳兵等用高光譜遙感監(jiān)測棉花黃萎病。多光譜成像技術(shù)能同時(shí)獲取被測目標(biāo)的光譜信息和空間信息，可全面、快速提取植物病害的信息，但不能在癥狀出現(xiàn)之前診斷病害。高光譜遙感技術(shù)診斷植物病害是基于植物遭受病蟲害侵染后，生物化學(xué)成分含量和外部形態(tài)的變化，導(dǎo)致植物反射光譜特性變化，可提前監(jiān)測、識別病害信息。

二、實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器設(shè)備

高光譜成像儀為江蘇雙利合譜科技有限公司自主研發(fā)的GaiaField便攜式高光譜成像儀，波段范圍為400 - 1000 nm，共520個(gè)波段，光譜分辨率為4 nm，圖像分辨率為1392*1040。高光譜采集軟件為SpecView，數(shù)據(jù)分析軟件為ENVI/IDL。圖1為成像高光譜儀的實(shí)景圖。

圖 1  搭載在三腳架上的成像高光譜儀GaiaField

2.2 樣品制備與光譜預(yù)處理

煙草樣本由貴州貴陽學(xué)院的老師提供。利用成像高光譜儀GaiaFiled獲取煙草的高光譜影像后，分別對高光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括鏡像變換、黑白楨校準(zhǔn)和光譜平滑等。

三、結(jié)果與討論

3.1  病斑、病斑附近煙草與正常煙草的光譜差異分析

     從圖2可知，病斑處煙草的光譜曲線總體趨勢與正常煙草的光譜曲線差異較大，如正常煙草的綠峰位置在550 nm附近，而病斑煙草在綠光范圍內(nèi)并未形成綠峰，反而在靠近紅光范圍處出現(xiàn)吸收峰，這說明病斑處的煙草已經(jīng)枯黃，已不含有葉綠素或含有少量葉綠素；對于病斑處附近的煙草，綠光區(qū)域與紅光區(qū)域的綠峰與紅谷均高于正常煙草。無論是病斑煙草還是病斑附近的煙草，其紅邊位置均發(fā)生了藍(lán)移；而且在近紅外范圍內(nèi)，病斑煙草或病斑附近的煙草，其反射率均高于正常煙草的反射率。

圖2  病斑、病斑附近煙草與正常煙草的光譜曲線圖

3.2  煙草感染病毒后不同時(shí)間段的光譜差異

    圖3為煙草感染病毒后，10月30日、11月4日和11月9日相隔5天的原始光譜與一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線。從圖中可知，隨著發(fā)病時(shí)間的推移，綠峰與紅谷的光譜反射率值逐漸升高，這說明煙草的光合作用正在減弱，并開始逐漸枯萎。在近紅外區(qū)域，煙草感染病毒后，其光譜反射率隨著時(shí)間的推移逐步升高。從一階導(dǎo)數(shù)光譜可以看出，煙草感染病毒后，其特有的一些光譜特征并沒有消失。因此對圖像進(jìn)行處理時(shí)，為了避免高光譜數(shù)據(jù)量大、波段間冗余信息較多、運(yùn)算慢等，可以選擇特征波段進(jìn)行分析。

圖 3  煙草發(fā)病后不同時(shí)間段的光譜曲線差異（A：原始光譜，B為一階導(dǎo)數(shù)光譜）

3.3  煙草感染病毒后不同時(shí)間段光譜指數(shù)的變化曲線

   從圖2可知，煙草感染病毒后，其光譜曲線變化較大的是綠光與紅光范圍，因此根據(jù)圖2的光譜特征曲線，選擇綠光范圍內(nèi)的550nm，紅光范圍的630nm，運(yùn)用這兩個(gè)波段的光譜反射率構(gòu)建光譜指數(shù)，常用的光譜指數(shù)有NDVI、RVI、DVI、SAVI、OSAVI、TVI等。本研究運(yùn)用NDVI指數(shù)。觀察煙草干擾病毒后，隨著時(shí)間的變化，其NDVI曲線的變化規(guī)律。如圖4所示。從圖4可知，煙草在感染病毒后，其NDVI(550,630)值逐漸下降。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，在NDVI(550,630)在下降到一定程度時(shí)，會減緩下降趨勢，并逐漸趨向于平行橫坐標(biāo)。

圖 4  煙草感染病毒后不同時(shí)間段NDVI(550,630)指數(shù)的變化規(guī)律

3.4  煙草感染病毒初期NDVI反演圖

圖5為10月30日煙草葉片的NDVI反演圖，圖中葉莖的黑色區(qū)域?yàn)椴《靖腥緟^(qū)域，紫色、藍(lán)色、淡藍(lán)色等區(qū)域?yàn)椴《厩忠u區(qū)域。

圖 5 感染病毒后煙草葉片的NDVI反演圖

3.5  其他方面

    煙草在感染病毒后，隨著時(shí)間推移，不僅其光譜曲線會發(fā)生變化，其化學(xué)參數(shù)也會隨之變化，比如含氮量、葉綠素a/b、類胡蘿卜素、含水量等。如需要預(yù)測煙草是感染了何種病毒，則需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，少量的數(shù)據(jù)會對預(yù)測結(jié)果較大誤差。