基于遥感的棉花黄萎病病害严重度估测模型研究-莱森光学

1、引言

中国是最大的棉花生产国家、消费国家和进口国家，也是重要的棉纺织品出口国家，纺织品占棉花产量的95%，2019年，我国棉花种植面积达到333.92万公顷，总产量达588.9万吨。新疆是我国棉花主产区，棉花种植面积达到254.05万公顷，总产量502万吨。今后，国家仍将加大投入，加快新疆优质棉生产，以适应国民经济发展需要，全面巩固新疆国家优质棉生产基地的战略主体地位。据统计，由于病虫害的发生，造成棉花的年平均产量降低15%-20%。其中棉花最严重、分布最广的病害为黄萎病，被称为“癌症”。棉花黄萎病广泛分布于各棉区，根据1973年的普查，我国有33千公顷的棉花受到黄萎病的感染，1978年感染面积增大到 566.7千公顷。1982年感染病害面积高达1482千公顷，为总种植面积的31.26%，其中有 130千公顷的病田为纯黄萎病发生病田，占总病害面积的8.7%。近年来，黄萎病发生 棉田的平均面积达2667千公顷，1993-2003年间，黄萎病发生情况逐年增加，每年损失皮棉高达8-10万吨。新疆作为优质棉花的主要生产基地，棉花黄萎病的发生情况较为严重。根据新疆植保站调查数据显示，2008-2018年，新疆阿克苏植棉区棉花黄萎病发病呈现出早、重、快的特点。2018年，新疆主要植棉区棉花黄萎病普查也显示，新疆棉 田的50%会出现黄萎病，给当地农民造成了巨大的经济损失。2019年，新疆棉花病害 发生面积达到26.9万公顷，其中，棉花黄萎病发生面积高达9.3万公顷。目前遥感在农作物病虫害监测方面技术成熟，为棉花病害监测及防治提供了技术借鉴。

棉花黄萎病高光谱特征研究

2.1 室内盆栽棉花冠层光谱反射率特征

由于大丽轮枝菌侵染棉花是通过根部往上进行侵染，因此一般情况下苗期棉花的黄萎病感染情况并不明显，黄萎病表现特征不能到达棉花冠层通过肉眼观测到，因此使用地物光谱仪对苗期棉花黄萎病光谱特征进行测定分析。图2.1-1为棉花冠层叶片四种表现特征，可以从图中清楚看出正常棉花和不同程度染病棉花叶片。

图2.1-1 棉花黄萎病叶片特征

对比未接菌与接菌后棉花冠层的光谱数据分析棉花光谱特征。由图2.1-2对比发现，接菌棉花光谱反射特征与未接种病害的棉花有明显差异，在可见光波段（380-780nm）， 未接菌棉花光谱反射率均低于接菌棉花，在近红外波段（780-1100nm），未接菌棉花光谱反射率高于接菌棉花。

图2.1-2 接菌与未接菌棉花冠层光谱特征

2.2 不同严重度黄萎病棉花冠层光谱反射特征

从2020年5月19号-7月8号，每10天对接菌处理过的棉花植株进行光谱测定，共进行光谱测定5次，其中第一次测定为未接种黄萎病菌的棉花冠层光谱，接菌一周后进行第二次光谱测定。由图2.2-1可知，随着病情加重，在可见光波段，光谱反射率呈上升趋势， 但差别不显著；近红外区则相反，随着病情加重，光谱反射率呈下降趋势，未接菌棉花 的冠层近红外光谱反射率最高，轻度染病棉花冠层次之，最严重的棉花冠层光谱反射率最低，变化较为显著。由此，初步断定利用棉花冠层的光谱特征可以识别不同病害严重度的黄萎病棉花。

图2.2-1 不同病害严重度棉花冠层光谱特征

2.3 棉花黄萎病病害严重度敏感波段的提取

棉花冠层光谱反射率曲线在不同严重度时形状相似，只是在波峰波谷时的深浅高低不同，黄萎病棉花冠层光谱有一定的规律，因此在350-700nm、700-760nm、760-1350nm、 1350-1700nm、1700-2500nm光谱波段范围选择相应的病害敏感波段。将测得的原始光谱数据及其经3种数学变换处理后的光谱与各级病害度之间进行相关性分析。分析结果 如图2.3-1所示。

图2.3-1 冠层光谱反射率与严重度之间的相关性散点图

分析可知，所选择光谱范围内，在350-700nm以及760-1350 nm波段区间，冠层原始光谱反射率与病害严重度间达到极显著相关，能够作为病害光谱敏感波段区间，其中380-515nm、600-695 nm光谱波段与病害严重度呈极显著相关，相关系数达到0.5。730-980nm、1000-1330nm光谱波段与病害严重度呈极显著负相关，相关系数达到-0.5。均为光谱敏感波段。在对光谱数据进行一阶微分、二阶微分、去包络线处理后，发现处理后的数据与病害严重度也具有相关性，从相关系数散点图（图2.3-1）可以更好地分析出病害敏感波段。分析可得二阶微分光谱与去包络线光谱数据与病害严重度之间的相关性较低，因此不多赘述。对数据进行一阶微分处理后，700-740nm、1480-1590 nm波段的一阶微分光谱与棉花黄萎病严重度呈极显著负相关，相关系数可达-0.548，即随着黄萎病的病情加重，其一阶微分冠层光谱反射率随之减小。1300-1400nm处，棉花黄萎病严重度与一阶微分光谱反射率呈显著正相关，即随着黄萎病的病情加重，其冠层光谱反射率随之增大。因此一阶微分光谱波段中，700-740 nm、1480-1590nm、1300-1400nm为病害光谱敏感波段。由上可知，原始光谱数据、一阶微分光谱与病害严重度具有较好的相关关系，可利用原始光谱与一阶微分光谱的相应病害光谱敏感波段，建立病害严重度估测模型。

田间棉花黄萎病冠层光谱特征

3.1 田间棉花冠层光谱反射率特征

田间棉花冠层光谱于2019年9月初及2020年9月初，选取相同品种的吐絮期棉花进行光谱测定，共测定2次。由图3.1-1分析可得大田接菌棉花与未接菌棉花呈现与室内棉花光谱相似变化特征。即在可见光波段（380-780 nm），未接菌棉花光谱反射率均低于接菌棉花，在近红外波段（780-1100 nm），未接菌棉花光谱反射率高于接菌棉花。

图3.1-1 大田接菌与未接菌棉花冠层光谱特征

3.2 不同棉花黄萎病病害度冠层光谱反射特征

对于病害严重程度不同的棉花冠层反射光谱进行分析（图3.2-1）可知，随着病情加重，在可见光波段，棉花光谱反射率逐渐上升，但变化不显著；近红外波段光谱反射率呈下降趋势，即未接菌棉花的冠层近红外光谱反射率最高，轻度冠层近红外光谱反射率次之，最严重的冠层光谱反射率最低，变化较为显著。因此利用棉花冠层的光谱特征可以识别不同病害严重度的黄萎病棉花。

图3.2-1 田间不同严重度棉花冠层反射光谱特征

3.3 病害严重度敏感波段的提取

由棉花冠层光谱反射曲线可知，病害不同严重度时曲线形状相似，只是在波峰波谷处的深浅高低不同，因此在350-700nm、700-760nm、760-1350nm、1350-1700nm、 1700-2500nm波段范围内进行病害敏感波段选择。将测得的棉花冠层光谱反射率和不同严重度进行相关性分析，结果如图3.3-1所示。所选择光谱范围内，在350-700nm以及 720-1350nm区间棉花冠层原始光谱反射率与病害严重度间达到极显著相关，为棉花黄萎病光谱敏感波段区间，其中380-515nm、600-695nm波段与病害严重度呈极显著相关， 相关系数达到0.79。730-980nm、1000-1330 nm波段与病害严重度呈极显著负相关，相关系数达到-0.78。均为光谱敏感波段。

图3.3-1 棉花冠层反射率与严重度之间的相关性散点图

在对原始光谱数据进行一阶微分、二阶微分、去包络线处理后，发现处理后的数据与病害严重度也具有显著相关性，相关系数散点图如图3.3-1，得到不同数据处理方法下病害严重度的敏感波段。

对数据进行去包络线处理后发现，在可见光波段，棉花黄萎病严重度与冠层光谱反射率呈极显著正相关，即随着黄萎病的病情加重，其冠层光谱反射率随之增大，380-780nm为棉花黄萎病光谱敏感波段区间，其中380-600nm、615-695 nm波段与病害严重度相 关系数达到0.8。对数据进行一阶微分处理后发现，在700-740nm、1480-1590nm波段，棉花黄萎病 严重度与冠层光谱反射率呈极显著负相关，相关系数达到-0.75，即随着黄萎病的病情加重，其冠层光谱反射率随之减小。1300-1400nm处的冠层光谱反射率与病害严重度呈极显著正相关，相关系数达到0.8，即随着病情的加重，冠层光谱反射率随之增大。因此700-740 nm、1480-1590nm、1300-1400nm为光谱敏感波段。对数据进行二阶微分处理后发现，在1359-1504nm处，棉花黄萎病严重度与冠层光谱反射率呈极显著负相关，相关系数达到-0.8。即随着黄萎病的病情加重，其冠层光谱反射率随之减小。因此二阶微分的数据中，1359-1504nm为光谱敏感波段。由上可知，利用一阶微分、二阶微分、去包络线等方法对田间原始光谱数据进行处理后，得到的一阶微分光谱、二阶微分光谱、去包络线光谱均与病害严重度具有相关关系，分析得出病害光谱敏感波段，从而建立相应的棉花黄萎病病害严重度估测模型。

讨论和结论

将正常棉花和接病棉花进行光谱测定后发现，两者之间的光谱特征差异表现明显。在可见光波段（380-780nm），未接菌棉花光谱反射率均低于接菌棉花，在近红外波段 （780-1100nm），未接菌棉花光谱反射率高于接菌棉花。因此通过进行光谱特征分析， 可以初步断定棉花是否感染黄萎病。对于不同发病情况的黄萎病棉花，随着病情加重，在可见光波段，光谱反射率呈上升趋势，但差别不显著；近红外区则相反，随着病情加重，光谱反射率呈下降趋势，未接菌棉花的冠层近红外光谱反射率最高，最严重的棉花冠层光谱反射率最低，变化较为显著。由此，初步断定利用棉花冠层的光谱特征可以识别不同病害严重度的黄萎病棉花。通过相关性分析，将与病害严重度相关性最高的光谱敏感波段筛选出来，作为光谱参数，建立相应的病害严重度估测模型。

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