摘要：遙感技術(shù)因快速、無(wú)損監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。通過(guò)開(kāi)展不同脅迫下棉花冠層光譜室外測(cè)試試驗(yàn)，分析不同脅迫冠層光譜特征差異，再分別建立不同的光譜特征參數(shù)判別式對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，可為棉花所受脅迫類(lèi)型的快速識(shí)別提供參考。結(jié)果表明，無(wú)論哪種脅迫，棉花冠層光譜反射率形狀和大小均在近紅外波段變化相同，可見(jiàn)光波段和短波紅外波段差異明顯;不同脅迫下棉花冠層紅邊均具有“雙峰”現(xiàn)象，紅邊峰值減小，紅邊位置均發(fā)生“藍(lán)移”;黃萎病、枯萎病、干旱、紅蜘蛛、角斑病、紅葉莖枯病和蚜蟲(chóng)脅迫下冠層的吸收波段位置(Lo)、吸收深度(Depth672)和吸收面積(Area672)均明顯減小，吸收寬度(Lwidth)均明顯增加，而缺氮和鹽害的Lo、Depth672和Area672基本不變，Lwidth均略微增加;不同脅迫下棉花冠層10個(gè)光譜特征參數(shù)表現(xiàn)出一定的規(guī)律，可建立相應(yīng)的判別式實(shí)現(xiàn)對(duì)棉田所受脅迫類(lèi)型的快速識(shí)別。

　　關(guān)鍵詞：棉花;冠層;脅迫;高光譜;識(shí)別

　　引言

　　各種脅迫會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)的下降，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性[1-3]。棉花是新疆農(nóng)業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)，近年來(lái)新疆棉花總、單產(chǎn)一直位居全國(guó)第一。然而，由于新疆棉花連年種植，不合理使用化肥農(nóng)藥等，造成棉田干旱和缺素時(shí)常發(fā)生，各種病蟲(chóng)為害頻繁，次生土壤鹽堿化也逐年加重，嚴(yán)重影響棉花產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[4-7]。

　　利用遙感技術(shù)對(duì)植被干旱、凍害、病蟲(chóng)害等脅迫進(jìn)行監(jiān)測(cè)的研究較多，為農(nóng)作物脅迫遙感監(jiān)測(cè)奠定了研究基礎(chǔ)[8-10]。林海榮等利用ETM影像，結(jié)合農(nóng)業(yè)災(zāi)害和農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育情況，對(duì)新疆沙灣地區(qū)棉花結(jié)鈴期發(fā)生冷害情況進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，認(rèn)為植被指數(shù)降低越多，冷害程度越重[11];Tilling A K等研究表明利用冬小麥冠層光譜反射率在近紅外光區(qū)的變化能夠監(jiān)測(cè)到氮素和水分脅迫[12];Yang C M等發(fā)現(xiàn)，426nm的冠層光譜反射率能夠有效地監(jiān)測(cè)到水稻受褐飛虱和稻縱卷葉螟等蟲(chóng)害脅迫[13];Chen B等對(duì)不同品種、不同生育期棉花黃萎病的冠層光譜研究表明，隨病害嚴(yán)重度的增加棉花冠層光譜反射率在可見(jiàn)光(620～700nm)和短波紅外波段呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，近紅外波段則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)[14]。Steddom K等利用歸一化植被指數(shù)、花青素反射指數(shù)對(duì)甜菜病害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分類(lèi)精度達(dá)87.9%[15]。艾效夷等采用偏最小二乘回歸方法綜合冠層光譜和葉片生理參數(shù)，建立綜合模型對(duì)小麥條銹病進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比單獨(dú)光譜參數(shù)建立的模型精度提高21%[16]。黃雙萍等提出一種光譜詞袋模型的分析方法，通過(guò)分析正常和穗瘟病稻穗的高光譜圖像，實(shí)現(xiàn)了穗瘟病害程度的自動(dòng)評(píng)判，提高了穗瘟病分級(jí)的自動(dòng)化程度和準(zhǔn)確率，預(yù)測(cè)分類(lèi)識(shí)別精度達(dá)94.72%[17]。袁建清等利用高光譜成像儀獲取健康、缺氮、感病水稻葉片的反射率光譜，采用六個(gè)判別模型構(gòu)建水稻瘟病和缺氮識(shí)別模型，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)97.5%[18]。本文針對(duì)北疆綠洲區(qū)棉田開(kāi)展棉花不同脅迫下冠層光譜的識(shí)別研究，為棉田脅迫的光譜識(shí)別提供研究基礎(chǔ)。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　2013—2016年在石河子大學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行棉花不同脅迫小區(qū)試驗(yàn)，試驗(yàn)小區(qū)按隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每小區(qū)約43m2，品種為新陸早7號(hào)(XLZ-7)、新陸早13號(hào)(XLZ-13)、新陸早33號(hào)(XLZ-33)和新陸早45號(hào)(XLZ-45)等。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)，種植密度24萬(wàn)株·ha-1。每年4月中下旬播種，膜下滴灌，膜上點(diǎn)播，灌水量約3300m3·ha-1，施純氮300kg·ha-1，P2O5 150kg·ha-1和K2O 75kg·ha-1。2013—2018年在新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花所試驗(yàn)田進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)，品種為新陸早8號(hào)(XLZ-8)和XLZ-33，設(shè)計(jì)和管理與石河子大學(xué)試驗(yàn)站相同。2016—2019年分別在第八師122團(tuán)、143團(tuán)、147團(tuán)、149團(tuán)和148團(tuán)選擇不同脅迫棉田同步開(kāi)展大田試驗(yàn)，試驗(yàn)品種包括XLZ-33、XLZ-42、XLZ-45和XLZ-60等，田間管理同當(dāng)?shù)厣a(chǎn)一致。

　　1.2 冠層脅迫調(diào)查及等級(jí)劃分

　　田間調(diào)查各種脅迫發(fā)生期棉花冠層的受害情況，選擇合適冠層確定脅迫等級(jí)并進(jìn)行光譜測(cè)試。各脅迫等級(jí)按冠層受害程度和癥狀不同進(jìn)行分級(jí)。每種脅迫冠層被分成5級(jí)并分別用不同的符號(hào)表示。例如：黃萎病為b0、b1、b2、b3和b4;枯萎病為kb0、kb1、kb2、kb3和kb4;干旱為w0、w1、w2、w3和w4;缺氮為n0、n1、n2、n3和n4;紅蜘蛛為h0、h1、h2、h3和h4;角斑病為j0、j1、j2、j3和j4;紅葉莖枯為hb0、hb1、hb2、hb3和hb4;蚜蟲(chóng)為y0、y1、y2、y3和y4;鹽害為s0、s1、s2、s3和s4。具體分級(jí)方法可參考相關(guān)文獻(xiàn)[19]。

　　1.3 光譜測(cè)試方法

　　采用Field Spec Pro FR 2500型背掛式野外高光譜輻射儀(美國(guó)ASD公司，光譜波段范圍350～2500nm)每年于棉花不同脅迫期進(jìn)行冠層光譜測(cè)定。選擇在晴朗無(wú)云，風(fēng)速小于3m·s-1，北京時(shí)間11﹕30—14﹕00時(shí)進(jìn)行測(cè)定，傳感器探頭垂直向下距冠頂約1.0m，視場(chǎng)角為25°，以2條光譜為一采樣光譜，每小區(qū)不同位置測(cè)定5次，平均值為該小區(qū)反射值，每次光譜測(cè)量前后均以參考板標(biāo)定。

　　1.4 數(shù)據(jù)分析

　　用軟件Viewspec pro Version 4.05對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，用軟件Excel 2007和Matlab 12.01提取高光譜特征參數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析(本文篩選的光譜特征參數(shù)和定義見(jiàn)表1所列)。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 不同脅迫棉花冠層光譜反射率特征比較

　　如圖1所示可知，棉花冠層受到不同脅迫后反射率形狀和大小均發(fā)生變化，其中近紅外波段(700～1300nm)反射率形狀和值的大小變化規(guī)律均相同，可見(jiàn)光波段(400～700nm)和短波紅外波段(1300～2500nm)存在較大差異。可見(jiàn)光波段，黃萎病、枯萎病、干旱和蚜蟲(chóng)等脅迫的光譜反射率形狀和大小變化均較大，趨勢(shì)基本一致，反射率值均隨脅迫嚴(yán)重程度的增加而增加;紅蜘蛛、角斑病和紅葉莖枯病的冠層光譜在650nm(紅光)附近有一個(gè)獨(dú)特的反射峰，且紅蜘蛛和角斑病受害冠層反射率在550nm(綠峰)附近低于正常冠層，紅葉莖枯病受害冠層反射率高于正常冠層。缺氮和鹽害的光譜形狀和大小基本無(wú)變化。短波紅外波段，隨嚴(yán)重程度增加，枯萎病和紅葉莖枯病的冠層光譜反射率均增加;紅蜘蛛的冠層反射率減小;角斑病和缺氮的冠層反射率在1450nm吸收峰附近增加，在1600nm和2200nm附近減小;黃萎病和蚜蟲(chóng)的冠層反射率在1600～1850nm波段低于正常冠層，其他波段范圍高于正常冠層;鹽害的冠層反射率在1600～1850nm波段低于正常冠層，其他波段基本不變;干旱的冠層反射率呈現(xiàn)先低于、后高于正常冠層的特征。

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