李瑋

摘要? ? 農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測是有害生物綜合防治必不可少的環(huán)節(jié)之一。本文首先在闡述高光譜遙感監(jiān)測農(nóng)作物病蟲害原理的基礎(chǔ)上，對(duì)高光譜遙感技術(shù)近年來在農(nóng)業(yè)病蟲害防治中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，按主要大宗作物種類進(jìn)行分類，體現(xiàn)了高光譜遙感在植保領(lǐng)域中廣闊的應(yīng)用前景。最后，對(duì)該技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞? ? 高光譜遙感;農(nóng)業(yè)病蟲害;監(jiān)測;研究進(jìn)展;防治效果

中圖分類號(hào)? ? S127? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）14-0126-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Abstract? ? Pest and disease monitoring is an essential part of integrated pest control.Based on the principle of hyperspectral remote sensing monitoring of crop diseases and pests，this paper summarized the application of hyperspectral remote sensing technology in agricultural pest control in recent years，and classified it according to the main types of crops，reflected the application prospect of hyperspectral remote sensing in the field of plant protection.Finally，the application prospects of the technology in the field of agricultural pests and diseases were prospected.

Key words? ? hyperspectral remote sensing;agricultural pest and disease;monitor;research progress;control effect

作物病蟲害是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，具有種類多、影響大、時(shí)常暴發(fā)成災(zāi)等特點(diǎn)，會(huì)降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)，同時(shí)也是制約優(yōu)質(zhì)、低碳、循環(huán)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的主導(dǎo)因素之一[1-2]。及時(shí)、快速、無損、精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)掌握作物病蟲害發(fā)生發(fā)展特點(diǎn)、病蟲害鑒別及危害程度、防治效果等方面有重要的支撐作用，對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)、減少農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

高光譜遙感技術(shù)即高光譜分辨率遙感技術(shù)，是近些年來迅速發(fā)展起來的一種全新遙感技術(shù)，最早應(yīng)用于航天、工業(yè)、地質(zhì)測繪等領(lǐng)域，結(jié)合其技術(shù)優(yōu)勢可將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測中，特別是對(duì)作物長勢評(píng)估和病蟲害監(jiān)測預(yù)警等方面。利用高光譜遙感影像能準(zhǔn)確地反映田間作物本身的光譜特征以及作物間的光譜差異，通過影像數(shù)據(jù)可以更加精準(zhǔn)地獲取作物含水量、葉綠素含量、葉面積指數(shù)等生理生化參數(shù)，從而準(zhǔn)確地監(jiān)測作物長勢及預(yù)測產(chǎn)量[3-4]。近年來，高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)病蟲害的監(jiān)測及防治，也取得了較大進(jìn)展，解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中長期存在的病蟲害等有害生物農(nóng)情信息大尺度監(jiān)測不及時(shí)、監(jiān)測水平以定性為主、監(jiān)測精度無法實(shí)現(xiàn)定量等難題。國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究開展較早，基于高光譜影像分析了作物病害光譜響應(yīng)，利用紅邊參數(shù)、二項(xiàng)式分析等方法開展了小麥條銹病光譜信息探測與識(shí)別研究，病蟲害識(shí)別效果較好[5-6]。隨著高光譜硬件設(shè)備的升級(jí)和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的不斷完善，高光譜遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測研究和應(yīng)用中將越來越普遍。

1? ? 農(nóng)業(yè)病蟲害高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測原理

遙感技術(shù)是一種根據(jù)電磁波理論，在遠(yuǎn)距離、不直接接觸目標(biāo)物體的情況下，應(yīng)用各種傳感儀器對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)所輻射和反射的電磁波信息進(jìn)行收集、處理，并最后成像，從而對(duì)地面各種景物進(jìn)行探測和識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地物進(jìn)行定位、定性或定量描述的一種綜合技術(shù)[7]。高光譜分辨率遙感是指在電磁波波段寬度<10 nm的范圍內(nèi)，獲取許多非常窄的光譜連續(xù)的影像數(shù)據(jù)，從而形成一條完整而連續(xù)的光譜曲線的技術(shù)[8]。

在農(nóng)業(yè)有害生物監(jiān)測系統(tǒng)中，病蟲害對(duì)農(nóng)作物生長的影響主要有農(nóng)作物外部形態(tài)變化和內(nèi)部生理變化2種表現(xiàn)形式。外部形態(tài)變化主要表現(xiàn)在冠層形狀的改變，如落葉、葉片卷曲、葉片幼芽被吞食、倒伏等;內(nèi)部生理變化則表現(xiàn)為葉綠素組織遭到破壞后，光合作用、養(yǎng)分與水分吸收、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化等生理生化機(jī)制發(fā)生改變。無論外部形態(tài)或內(nèi)部生理發(fā)生變化，都將不可避免地導(dǎo)致作物光譜特征發(fā)生變化，尤其是中、近紅外區(qū)光譜特征的變化。因此，應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，比較受有害生物侵染作物的各種典型生理生化指標(biāo)變化，分析和確定相應(yīng)的光譜特性變化，可以監(jiān)測到病蟲害的早期發(fā)生，定量地確定病蟲害的危害程度，為大規(guī)模監(jiān)測農(nóng)作物病蟲害發(fā)生和發(fā)展提供及時(shí)可靠的依據(jù)[9]，對(duì)及時(shí)干預(yù)病蟲害發(fā)展、開展統(tǒng)防統(tǒng)治標(biāo)準(zhǔn)化防治、化學(xué)農(nóng)藥減量增效均具有重要指導(dǎo)作用。

2? ? 高光譜遙感技術(shù)在小麥病蟲害監(jiān)測中的研究應(yīng)用

2.1? ? 病害監(jiān)測

目前，高光譜遙感監(jiān)測技術(shù)在小麥銹病和白粉病監(jiān)測中的應(yīng)用較多。蔣金豹等[10]通過采用小麥條銹菌在田間誘發(fā)侵染冬小麥健康植株，在小麥不同生育期分別調(diào)查不同感染等級(jí)冬小麥的病情指數(shù)，同時(shí)測定其冠層光譜數(shù)據(jù)，對(duì)測定的光譜進(jìn)行平滑并計(jì)算一階微分值，與病情指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析后，構(gòu)建了冬小麥條銹病的識(shí)別技術(shù)，基本達(dá)到小麥條銹病的監(jiān)測指標(biāo)。2013年，Cao等[11]以冬小麥白粉病為研究對(duì)象，通過對(duì)冠層光譜反射率和多種光譜參數(shù)的分析研究，完成了對(duì)小麥白粉病的監(jiān)測技術(shù)構(gòu)建，確定紅邊峰值面積是白粉病的敏感光譜參數(shù)。另外，有研究者采用便攜式光譜儀對(duì)麥蚜、白粉病危害后冬小麥冠層高光譜進(jìn)行測量，并同步調(diào)查了小麥不同生育期這2種有害生物的危害指數(shù)，經(jīng)過定性定量系統(tǒng)分析后得出：受到白粉病侵染后冬小麥冠層光譜在綠光區(qū)、黃光區(qū)和近紅區(qū)反射特性存在差異性;在3個(gè)反射特性差異光譜區(qū)內(nèi)，冠層光譜反射率分別隨百株蚜量和病情指數(shù)的增加呈明顯的下降、下降與上升趨勢，且差異顯著[12]。劉琦[13]通過2年的田間試驗(yàn)，利用高光譜遙感技術(shù)獲取的小麥條銹病潛育期冠層光譜，結(jié)合分子生物學(xué)手段獲取的條銹菌潛育菌量，建立了宏微結(jié)合技術(shù)體系以監(jiān)測田間潛育期小麥條銹病。

小麥銹病是危害我國小麥生產(chǎn)的主要病害之一，其具有分布廣、傳播快、危害面積大、孢子生理小種變異快等特點(diǎn)，高光譜遙感技術(shù)可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，在甘肅西部、青海東部、四川西北部等小麥銹病秋季菌源基地建立完善的高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測預(yù)警體系，對(duì)我國小麥銹病防控將具有重要的價(jià)值。

2.2? ? 蟲害監(jiān)測

首先，應(yīng)開展高光譜遙感技術(shù)關(guān)于蟲害危害的識(shí)別技術(shù)，Singh等[14]利用近紅外光譜成像技術(shù)，研發(fā)了識(shí)別正常小麥與蟲蛀小麥的方法，發(fā)現(xiàn)了最佳研究波段范圍為1 000～1 600 nm，通過主成分分析得到最佳波長為1 101.69 nm和1 305.05 nm，結(jié)合直方圖并使用線性判別分析（LDA）和二次判別分析（QDA）對(duì)健康小麥與蟲蛀小麥進(jìn)行了識(shí)別，正確分類率達(dá)85%以上。Chandra等[15]利用近紅外高光譜成像系統(tǒng)檢測小麥蟲害，在波長范圍為900～1 700 nm波段進(jìn)行圖像采集，以正常小麥為對(duì)照，采集受米象蟲、甲蟲等侵蝕的小麥圖譜信息，然后進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)降維統(tǒng)計(jì)分析、聚類。結(jié)果表明，健康小麥正確識(shí)別率為96.4%，蟲蛀麥粒的識(shí)別精準(zhǔn)率達(dá)91.1%以上。應(yīng)用高光譜結(jié)合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)快速無損的監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)小麥田病蟲害的監(jiān)測準(zhǔn)確率也在不斷提高，對(duì)病蟲害大規(guī)模防控及防控效果的掌握具有重要作用[16]。

3? ? 高光譜遙感技術(shù)在水稻病蟲害監(jiān)測中的研究應(yīng)用

3.1? ? 病害監(jiān)測

稻瘟?。≒yricularia oryzae Cav.）是水稻重要病害之一，可引起大幅度減產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)減產(chǎn)40%～50%[17]。控制若未及時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重影響水稻的安全生產(chǎn)和糧食供給。高光譜遙感技術(shù)在稻瘟病的監(jiān)測研究中，主要應(yīng)用于稻苗瘟、葉瘟等方面[18-19]。鄭志雄等[20]構(gòu)建了基于高光譜成像技術(shù)的水稻葉瘟病病害程度研究方法，采集受稻瘟病侵染的水稻葉片高光譜圖像，利用主成分分析確定適合病斑分割的主成分圖像，并用密度分割法完成葉瘟病斑的檢測，得出了病斑區(qū)域光譜變化規(guī)律，為高光譜遙感技術(shù)快速識(shí)別葉瘟病提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。另外，為了快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行水稻穗瘟病害程度分級(jí)，實(shí)現(xiàn)水稻品種抗性評(píng)價(jià)或精準(zhǔn)的田間化學(xué)防治，研究者提出了一種光譜詞袋（bag of spectrum words，Bo SW）模型分析方法，分析稻穗的高光譜圖像，可自動(dòng)評(píng)判穗瘟病害程度，提高了穗瘟病分級(jí)的自動(dòng)化程度和準(zhǔn)確率，也可為其他病害分級(jí)監(jiān)測、檢測提供參考。

3.2? ? 蟲害監(jiān)測

在水稻方面，高光譜遙感技術(shù)研究也較為廣泛，基于葉片和冠層光譜分析進(jìn)行植物病蟲害診斷和監(jiān)測的研究不斷增多。國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測和光譜分析，篩選出水稻稻瘟病、稻縱卷葉螟、稻干尖線蟲病等病害類型的光譜敏感波段和適合的光譜特征[21]。2004年，張寶棣[22]、譚廣發(fā)[23]利用近紅外光譜技術(shù)確定水稻發(fā)病癥狀的光譜特征，并利用其數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水稻病害的診斷與防治。2010年，孫? 紅等[24]利用光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水稻稻縱卷葉螟的檢測，在田間采集水稻稻縱卷葉螟蟲害區(qū)的反射光譜和一階微分光譜特征，與對(duì)照區(qū)冠層光譜比較發(fā)現(xiàn)，在可見光區(qū)波段為550 nm附近，中度受害水稻冠層反射率明顯低于對(duì)照冠層反射率值，重度受害水稻冠層反射率則高于對(duì)照區(qū)冠層反射率。水稻蟲害遙感監(jiān)測的原理是病蟲害會(huì)導(dǎo)致作物葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)色素、水分氮素含量及外部形狀等發(fā)生變化，從而引起作物反射光譜的變化。另外，對(duì)作物冠層來說，病蟲害的發(fā)生會(huì)引起作物葉面積指數(shù)生物量覆蓋度等方面的一系列變化。因此，與正常作物相比，受有害生物侵害作物的反射光譜在可見光到熱紅外波段的反射光譜有明顯差異[25-28]。利用此技術(shù)在水稻高危害生物監(jiān)控方面取得了較好效果，劉占宇[29]通過對(duì)浙江省和黑龍江省6個(gè)縣（市、區(qū)）5種水稻病蟲害進(jìn)行觀測，運(yùn)用多種數(shù)據(jù)處理方法，篩選出對(duì)水稻病蟲害響應(yīng)的敏感光譜區(qū)域和譜段，構(gòu)建了病蟲害脅迫指數(shù)，對(duì)水稻不同病蟲害的危害等級(jí)分類和色素含量、病害嚴(yán)重度指數(shù)、蟲情指數(shù)等危害指標(biāo)的估算方法進(jìn)行了研究，并運(yùn)用QuickBird影像技術(shù)提取稻飛虱危害面積和產(chǎn)量損失評(píng)估。

通過上述分析可以看出，高光譜遙感技術(shù)在水稻蟲害監(jiān)測方面的研究，重點(diǎn)集中在識(shí)別技術(shù)，特征光譜區(qū)和波段的選擇至關(guān)重要，不斷縮小波段幅寬、提高分辨率是今后研究的重點(diǎn)。

4? ? 應(yīng)用展望

近年來，高光譜遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)上進(jìn)行作物病蟲害的監(jiān)測檢測和作物長勢的監(jiān)控研究應(yīng)用較多，具體集中在小麥、水稻、棉花、玉米等大宗作物上，以主要病蟲害為靶標(biāo)構(gòu)建的模型較多，也較為成熟，在國內(nèi)應(yīng)用較多的區(qū)域集中在東北地區(qū)、黃淮海區(qū)域、新疆等地。

此外，紅外熱成像技術(shù)也是一種對(duì)作物進(jìn)行早期病害診斷和預(yù)警的有效手段之一，之前在作物早期病害監(jiān)測檢測的應(yīng)用領(lǐng)域以黃瓜、蘋果、番茄等大葉作物為主[30-33]，而在小麥、水稻等窄葉糧食作物上的應(yīng)用研究，受儀器硬件、數(shù)據(jù)采集、分析方法等因素的制約，存在一定局限性。當(dāng)作物受到有害生物侵害時(shí)，作物會(huì)產(chǎn)生防衛(wèi)反應(yīng)，造成氣孔異質(zhì)性開閉，葉片的蒸騰作用出現(xiàn)異常，水分調(diào)節(jié)失衡，葉片溫度升高或降低，病變部位發(fā)射的紅外射線隨之改變。熱成像儀通過接收改變的熱輻射并進(jìn)行成像，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的早期病害診斷和預(yù)警。能夠看出，熱成像技術(shù)在作物脅迫預(yù)警方面具有很大潛力，也使紅外成像技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較大，便于提前發(fā)現(xiàn)問題，采取有效防治手段，減少農(nóng)業(yè)化學(xué)品的投入，減少產(chǎn)量損失[34]。因此，該項(xiàng)技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展，隨著儀器設(shè)備不斷升級(jí)，熱成像系統(tǒng)結(jié)合高光譜遙感技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥、水稻、馬鈴薯等多種作物的早期病害監(jiān)測檢測，完善數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，開發(fā)專用軟件分析，構(gòu)建有害生物的預(yù)警機(jī)制模型并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)是今后研究的主要方向。

高光譜遙感技術(shù)在發(fā)展應(yīng)用中存在諸多限制性因素，其中天氣因素和地理因素對(duì)其影響較大，導(dǎo)致目前農(nóng)作物病蟲害遙感監(jiān)測預(yù)警模型較少、光譜分析技術(shù)方法的廣譜適用性較差、專業(yè)分析軟件的開發(fā)較少、大宗作物標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集規(guī)程的缺失等問題。今后，采用高光譜遙感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)作物病蟲害的監(jiān)測檢測工作時(shí)，要特別注意以下3個(gè)問題。

（1）基于多源遙感技術(shù)數(shù)據(jù)的采集。遙感數(shù)據(jù)源具有多樣性、實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，原則上要以多源、高分辨率、多（或高）光譜數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用為基礎(chǔ)，結(jié)合地面觀測、地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可利用農(nóng)業(yè)衛(wèi)星、植保無人機(jī)、紅外監(jiān)控等技術(shù)手段，全天候全方位地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（2）數(shù)據(jù)圖像的提取、降維、分類和分析等。確立專一作物病蟲害的最優(yōu)數(shù)據(jù)圖像處理方法，與傳統(tǒng)調(diào)查方法和分子生物學(xué)方法相比，最大程度地獲取數(shù)據(jù)中的有效信息，開發(fā)各種專一性、廣譜性的專業(yè)圖像數(shù)據(jù)處理軟件，降低技術(shù)門檻，便于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

（3）目前，構(gòu)建的高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測預(yù)警模型多以油菜、馬鈴薯等闊葉作物為主，且主要針對(duì)其某一特定生長期，預(yù)警監(jiān)測模型還受測量環(huán)境、生長條件和作物品種等多方面的限制，缺乏在生產(chǎn)實(shí)踐中的指導(dǎo)性作用。筆者認(rèn)為，以油菜田、馬鈴薯田主要發(fā)生的病蟲害為研究對(duì)象，應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)開展全面詳細(xì)的研究，以此方面的經(jīng)驗(yàn)和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的支持，對(duì)禾本科小麥、水稻和玉米的高光譜遙感監(jiān)控病蟲害的發(fā)生、發(fā)展、防控效果方面的研究具有重要的指導(dǎo)作用[35]。

5? ? 結(jié)語

高光譜遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中的重點(diǎn)，高光譜遙感影像具有光譜連續(xù)、波段多以及數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，可為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究提供精準(zhǔn)的技術(shù)手段。高光譜遙感技術(shù)是一門覆蓋了探測技術(shù)、精密光學(xué)影像系統(tǒng)、高速信號(hào)完整傳導(dǎo)處理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的綜合性應(yīng)用技術(shù)。隨著其探測設(shè)備、影像系統(tǒng)、軟件處理能力等軟硬件不斷發(fā)展，結(jié)合農(nóng)業(yè)相關(guān)各類“大數(shù)據(jù)”系統(tǒng)的逐步完善。另外，在有足夠的高光譜數(shù)據(jù)保障下，建立完整的應(yīng)用技術(shù)體系，提高監(jiān)測預(yù)測的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)通用性和移植性，高光譜遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測預(yù)警中將具有更加廣闊的前景[36-37]。

6? ? 參考文獻(xiàn)

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