Microsoft Word - _ _xin 冯伟 _出二校_-10页_英文已替换_.doc

Transcription

1 第 29 卷 第 13 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No 年 7 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul 农 业 信 息 与 电 气 技 术 白 粉 病 胁 迫 下 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 高 光 谱 估 测 冯 伟, 王 晓 宇, 宋 晓, 贺 利, 王 晨 阳, 郭 天 财 ( 河 南 农 业 大 学 国 家 小 麦 工 程 技 术 研 究 中 心, 郑 州 ) 摘 要 : 为 了 明 确 病 害 胁 迫 下 作 物 生 长 特 征 及 其 危 害 程 度, 基 于 大 田 小 区 和 盆 栽 小 麦 白 粉 病 接 种 试 验, 在 病 害 胁 迫 下 不 同 生 育 时 期 测 定 群 体 光 谱 及 叶 绿 素 密 度 综 合 分 析 群 体 光 谱 反 射 率 一 阶 微 分 及 传 统 光 谱 特 征 参 数 与 冠 层 叶 绿 素 密 度 间 关 系, 建 立 病 害 叶 绿 素 密 度 估 算 模 型 并 检 验 结 果 表 明, 随 病 情 指 数 增 加, 叶 绿 素 含 量 下 降, 不 同 感 性 品 种 均 如 此, 对 白 粉 病 易 感 品 种 的 危 害 较 重 病 害 冠 层 叶 绿 素 密 度 与 红 光 600~630 nm 和 红 边 690~718 nm 的 反 射 率 及 红 边 长 波 段 (718~756 nm) 的 一 阶 微 分 间 相 关 性 最 显 著 在 传 统 植 被 指 数 中, 以 SDr/SDb 和 VOG3 为 变 量 的 估 测 模 型 拟 合 精 度 较 高, 决 定 系 数 R 2 分 别 为 和 0.723, 模 型 检 验 相 对 误 差 (RE) 最 小,RE 分 别 为 18.0% 和 18.6% 利 用 红 边 区 域 (680~760 nm) 波 段 差 异 特 性, 选 取 和 756 nm 波 段 新 建 红 边 角 度 指 数 (REAI), 较 传 统 植 被 指 数 的 模 型 拟 合 精 度 更 高, 归 一 化 角 度 指 数 NDAI (α,β) 和 比 值 角 度 指 数 RAI (α,β) 的 R 2 分 别 为 和 0.776, 模 型 检 验 误 差 更 小,RE 分 别 为 16.8% 和 17.5% 因 此,NDAI (α,β) 是 估 测 病 害 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 可 靠 指 标, 对 利 用 该 模 型 监 测 小 麦 光 合 潜 力 和 病 害 影 响 评 价 具 有 积 极 意 义 关 键 词 : 光 谱 分 析, 叶 绿 素, 模 型, 估 测, 白 粉 病 胁 迫, 冬 小 麦 doi: /j.issn 中 图 分 类 号 :Q657.3 文 献 标 志 码 :A 文 章 编 号 : (2013) 冯 伟, 王 晓 宇, 宋 晓, 等. 白 粉 病 胁 迫 下 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 高 光 谱 估 测 [J]. 农 业 工 程 学 报,2013,29(13): Feng Wei, Wang Xiaoyu, Song Xiao, et al. Hyperspectral estimation of canopy chlorophyll density in winter wheat under stress of powdery mildew[j]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(13): (in Chinese with English abstract) 0 引 言 光 合 作 用 中 吸 收 光 能 的 植 物 色 素 有 叶 绿 素 和 类 胡 萝 卜 素, 其 中 叶 绿 素 是 主 要 的 吸 收 光 能 物 质, 其 含 量 高 低 与 光 合 能 力 发 育 时 期 和 营 养 水 平 关 系 密 切, 可 敏 感 指 示 环 境 胁 迫 光 合 潜 力 和 阶 段 发 育 [1-2] 小 麦 白 粉 病 是 世 界 性 病 害, 中 国 在 20 世 纪 70 年 代 以 前 主 要 在 西 南 及 山 东 沿 海 局 部 发 病 严 重, 随 后 发 生 范 围 不 断 扩 大, 危 害 程 度 加 重, 导 致 叶 片 退 绿 发 黄, 叶 绿 素 含 量 降 低, 严 重 影 响 小 麦 光 合 作 用 [3-4] 因 此, 通 过 快 速 光 谱 测 试 实 时 无 损 估 算 胁 迫 下 叶 绿 素 含 量, 对 作 物 病 害 及 群 体 光 合 能 力 进 行 有 效 评 价, 在 作 物 精 确 诊 断 和 高 效 管 理 中 具 有 重 要 意 义 绿 色 植 物 典 型 的 光 谱 特 征, 在 可 见 光 范 围 内 主 收 稿 日 期 : 修 订 日 期 : 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 ( ) 和 现 代 农 业 ( 小 麦 ) 产 业 技 术 体 系 (MATS) 专 项 资 助 作 者 简 介 : 冯 伟 (1976-), 男, 博 士, 副 研 究 员, 主 要 从 事 小 麦 生 长 监 测 与 遥 感 应 用 研 究 郑 州 国 家 小 麦 工 程 技 术 研 究 中 心, fengwei78@126.com 通 信 作 者 : 郭 天 财 (1953-), 男, 教 授, 博 导, 主 要 从 事 小 麦 生 态 与 高 产 栽 培 技 术 研 究 郑 州 郑 州 国 家 小 麦 工 程 技 术 研 究 中 心, tcguo888@sina.com 要 受 色 素 影 响, 而 在 近 红 外 区 域 主 要 受 叶 片 内 部 结 构 生 物 量 和 含 水 量 等 影 响 因 此, 可 以 利 用 植 被 光 谱 信 息 特 征 来 估 算 叶 绿 素 含 量 [5-6] [7] Horler 等 研 究 了 植 被 光 谱 与 叶 绿 素 浓 度 的 关 系, 提 出 反 射 光 谱 红 边 位 置 可 指 示 植 被 叶 绿 素 浓 度 变 化 由 于 红 边 一 阶 微 分 数 据 的 离 散 性, 传 统 算 法 的 红 边 位 置 对 叶 绿 [8-9] 素 含 量 反 演 产 生 较 大 偏 差,Miller 等 和 Cho 等 分 别 利 用 倒 高 斯 光 学 模 型 和 线 性 外 推 法 修 正 了 红 边 位 置 算 法, 对 叶 绿 素 状 况 的 估 算 取 得 了 较 好 效 果 Blackburn [10-11] 发 现, 冠 层 和 叶 片 尺 度 上 色 素 浓 度 与 反 射 光 谱 的 一 阶 和 二 阶 导 数 极 显 著 相 关, 并 利 用 叶 绿 素 特 征 吸 收 波 段 和 680 nm 构 造 了 [12] 适 宜 估 算 叶 绿 素 状 况 的 光 谱 指 数, 但 Sims 等 进 一 步 研 究 表 明, nm 较 680 nm 反 射 率 对 叶 [13] 绿 素 更 敏 感 孟 庆 野 等 在 PROSPECT+SAIL 辐 射 传 输 物 理 模 型 基 础 上 对 红 边 特 征 进 行 相 关 分 析, 引 入 红 边 红 谷 和 绿 峰 3 个 敏 感 波 段, 提 出 了 改 进 转 换 叶 绿 素 吸 收 反 射 指 数 (modified transformed chlorophyll absorption ratio index,mtcari) 以 上 研 究 均 基 于 植 被 健 康 生 长 条 件 下 利 用 光 谱 分 析 技 术 估 算 叶 绿 素 含 量, 但 当 作 物 遭 受 病 害 胁 迫 后, 植 株 生 物 量 下 降, 叶 绿 素 和 水 分 减 少, 叶 片 结 构 破

2 第 13 期 冯 伟 等 : 白 粉 病 胁 迫 下 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 高 光 谱 估 测 115 坏, 在 光 谱 特 征 上 常 表 现 为 可 见 光 和 短 波 红 外 波 段 光 谱 反 射 率 增 加, 近 红 外 波 段 减 小, 这 与 绿 色 植 被 典 型 光 谱 特 征 存 在 很 大 差 异 [14-15] 前 人 研 究 确 立 的 健 康 植 被 条 件 下 其 叶 绿 素 遥 感 估 测 指 标 及 模 型 很 难 适 用 于 病 虫 危 害 后 植 被 叶 绿 素 状 况 的 遥 感 监 测 与 评 价 近 年 来 作 物 病 虫 害 光 谱 分 析 与 监 测 评 价 相 结 合 逐 渐 受 到 众 多 学 者 的 广 泛 关 注, 目 前 有 关 病 虫 危 害 后 植 被 理 化 参 数 遥 感 监 测 的 研 究 报 道 较 少, 而 白 粉 病 胁 迫 下 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 光 谱 估 测 尚 未 见 报 道 本 文 开 展 白 粉 病 胁 迫 下 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 高 光 谱 估 测 研 究, 建 立 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 反 演 模 型, 以 期 用 简 便 无 损 的 遥 感 技 术 估 测 病 害 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度, 为 大 面 积 遥 感 监 测 小 麦 病 害 光 合 能 力 及 估 产 提 供 理 论 依 据 和 技 术 支 持 1 材 料 与 方 法 1.1 试 验 设 计 试 验 1(EXP.1) 于 年 在 河 南 农 业 大 学 科 教 示 范 园 区 大 田 进 行 供 试 材 料 为 对 白 粉 病 表 现 易 感 的 品 种 偃 展 4110 和 豫 麦 34, 中 感 品 种 周 麦 18 和 郑 麦 366 前 茬 为 玉 米, 土 壤 为 砂 壤 土, 播 前 0~30 cm 土 壤 有 机 质 质 量 分 数 8.3 g/kg, 全 氮 0.87 g/kg, 速 效 磷 mg/kg, 速 效 钾 mg/kg, 施 肥 量 为 270 kg/hm 2 纯 氮 120 kg/hm 2 P 2 O 5 和 90 kg/hm 2 K 2 O 试 验 设 计 为 3 次 重 复, 小 区 面 积 为 20.3 m 2 10 月 15 日 播 种, 三 叶 期 定 苗, 各 小 区 栽 培 管 理 均 一 致, 其 他 同 一 般 高 产 麦 田 同 时 在 病 圃 田 培 养 偃 展 4110 等 易 感 材 料, 作 为 试 验 接 种 的 病 菌 来 源 依 据 接 种 频 次 设 定 重 (1 d 接 种 一 次,I3) 中 (2 d 接 种 一 次,I2) 和 轻 (3 d 接 种 一 次,I1)3 个 接 种 等 级 处 理, 另 设 不 接 种 的 对 照 区 (I0) 小 麦 拔 节 期 开 始 接 种 白 粉 病 菌, 一 直 持 续 至 最 低 级 别 处 理 开 始 表 现 明 显 发 病 症 状 时 停 止 人 工 接 种 小 麦 抽 穗 期 开 始 染 病, 冠 层 光 谱 测 试 和 采 样 时 期 为 花 后 3 d 花 后 15 d 和 花 后 25 d 试 验 2(EXP.2) 于 年 在 河 南 农 业 大 学 科 教 示 范 园 区 温 棚 进 行 试 验 材 料 为 易 感 品 种 偃 展 4110 和 豫 麦 49, 中 感 品 种 矮 抗 58 和 郑 麦 366 土 壤 为 过 筛 后 砂 壤 土, 每 盆 装 土 15 kg, 盆 面 直 径 25 cm, 花 盆 埋 于 陆 地, 盆 面 高 出 地 面 2 cm, 所 用 肥 料 同 大 田, 施 用 量 为 2 倍 大 田 10 月 18 日 播 种, 三 叶 期 定 苗 在 拔 节 后 期 进 行 白 粉 病 接 种, 依 据 接 种 量 大 小 和 频 次 设 定 重 中 和 轻 3 个 接 种 等 级, 另 设 不 接 种 的 对 照 区 小 麦 孕 穗 期 开 始 染 病, 冠 层 光 谱 测 试 和 采 样 时 期 为 抽 穗 期 和 花 后 10 d, 测 定 时 分 单 盆 2 盆 并 和 4 盆 并 进 行,3 种 方 式 均 测 定 2 组 数 据 试 验 3(EXP.3) 于 年 在 河 南 农 业 大 学 国 家 小 麦 工 程 技 术 研 究 中 心 病 圃 田 进 行 供 试 材 料 为 易 感 品 种 偃 展 4110 和 西 农 979, 中 感 品 种 矮 抗 58 土 壤 为 砂 壤 土, 播 前 0~30 cm 土 壤 有 机 质 质 量 分 数 16.3 g/kg, 全 氮 1.22 g/kg, 速 效 磷 mg/kg, 速 效 钾 mg/kg, 施 肥 量 为 270 kg/hm 2 纯 氮 120 kg/hm 2 P 2 O 5 和 90 kg/hm 2 K 2 O 依 据 接 种 量 大 小 和 频 次 设 置 4 个 接 种 梯 度 处 理,2 次 重 复, 小 区 面 积 为 8.1 m 2 10 月 15 日 播 种, 三 叶 期 定 苗, 各 小 区 栽 培 管 理 均 一 致, 其 他 同 一 般 高 产 麦 田 小 麦 孕 穗 期 开 始 染 病, 冠 层 光 谱 测 试 和 采 样 时 期 为 抽 穗 期 和 花 后 15 d 1.2 测 定 项 目 与 方 法 光 谱 数 据 获 取 小 麦 冠 层 光 谱 测 定 采 用 FieldSpec HandHeld 手 持 便 携 式 光 谱 分 析 仪 ( 美 国 ASD 公 司 生 产 ), 波 段 值 为 325~1 075 nm, 光 谱 采 样 间 隔 为 1.6 nm, 光 谱 分 辨 率 为 3.5 nm, 探 头 视 场 角 25 冠 层 光 谱 测 定 选 择 在 天 气 晴 朗 无 风 或 风 速 很 小 时 进 行, 北 京 时 间 10:00~14:00, 传 感 器 探 头 垂 直 向 下, 距 冠 层 顶 垂 直 高 度 约 1.0 m, 地 面 视 场 范 围 直 径 为 0.44 m 测 量 过 程 中 及 时 进 行 标 准 白 板 校 正, 以 10 条 光 谱 为 一 采 样 光 谱, 每 个 采 样 点 记 录 10 个 光 谱, 以 其 平 均 值 作 为 该 点 的 光 谱 反 射 率 病 情 指 数 调 查 在 各 小 区 随 机 调 查 30 株 小 麦 发 病 程 度, 严 重 度 具 体 分 9 个 等 级 : 即 0 1% 10% 20% 30% 45% 60% 80% 和 100%, 分 别 记 录 各 严 重 度 的 小 麦 叶 片 数, 然 后 利 用 式 (1) 算 出 病 情 指 数 [16] : ( x f) DI(%) = 100 (1) n f 式 中,x 为 各 梯 度 的 级 值,n 为 最 高 梯 度 值 为 9,f 为 各 梯 度 的 叶 片 数 冠 层 叶 绿 素 密 度 测 定 与 光 谱 测 量 同 步, 每 小 区 取 有 代 表 性 单 茎 12 个, 分 2 份 分 别 测 定 叶 绿 素 含 量 和 生 物 量 叶 绿 素 含 量 测 定 时, 取 叶 片 中 部 0.1 g 剪 成 细 丝, 用 无 水 乙 醇 和 丙 酮 (v/v=1/1) 混 合 液 暗 处 提 取, 用 紫 外 可 见 分 光 光 度 计 测 定 和 663 nm 处 的 吸 光 度, [17] 然 后 参 考 Lichtenthaler 方 法 计 算 叶 绿 素 含 量 将 叶 片 质 量 乘 以 对 应 叶 片 叶 绿 素 含 量, 即 得 单 位 土 地 面 积 绿 叶 片 的 叶 绿 素 总 量 ( 干 物 质 量 ), 作 为 冠 层 叶 片 叶 绿 素 密 度 (kg/hm 2 ) 1.3 数 据 分 析 与 利 用 由 于 光 谱 仪 采 集 的 是 离 散 数 据, 因 此 采 用 式 (2) 计 算 光 谱 反 射 率 的 一 阶 微 分 值 [18]

3 116 农 业 工 程 学 报 2013 年 dr( λi) R( λi+ 1) R( λi 1) R ( λi ) = = (2) dλ 2Δλ 式 中,R(λ i ) 为 λ i nm 处 的 光 谱 反 射 率,R (λ i ) 是 λ i 处 的 一 阶 微 分,λ i 是 第 i 个 通 道 的 波 长 在 一 阶 微 分 中 提 取 了 红 边 特 征, 其 在 680~760 nm 之 间 反 射 率 增 长 很 快, 为 健 康 植 被 的 显 著 光 谱 特 征 [14,18] 参 考 相 关 文 献 选 用 了 不 同 类 型 光 谱 参 数, 在 Matlab 语 言 环 境 下 编 程 实 现 了 光 谱 指 数 与 叶 绿 素 密 度 间 相 关 系 数 运 算, 选 择 8 个 与 叶 绿 素 含 量 最 显 著 相 关 的 光 谱 特 征 参 数 列 于 表 1 以 试 验 1 和 试 验 2 资 料 为 基 础, 对 常 见 特 征 光 谱 指 数 与 冠 层 叶 绿 素 密 度 间 进 行 相 关 回 归 分 析, 优 选 和 构 建 敏 感 光 谱 参 数, 建 立 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 监 测 模 型 利 用 试 验 3 独 立 资 料 对 所 筛 选 建 立 的 模 型 进 行 测 试 和 检 验, 采 用 预 测 精 度 (R 2 ) 均 方 根 误 差 (RMSE, 式 (3)) 和 相 对 误 差 (RE, 式 (4)) 等 统 计 指 标 进 行 评 价 1 RMSE = P O n 2 ( i i) (3) n i= 1 Pi Oi ( ) n 1 RE = 100% (4) n i= 1 Oi 式 中,P i 和 O i 分 别 为 估 测 值 和 观 察 值,n 为 样 本 数 2 光 谱 参 数 Spectral parameter RVI (810,560) 表 1 本 研 究 采 用 的 高 光 谱 参 数 算 法 及 出 处 Table 1 Summary of different hyperspectral parameters used in this study 定 义 与 算 法 Definition and algorithm 810 nm 与 560 nm 处 反 射 率 比 值 Ratio of reflectance at 810 nm to 560 nm R810/R560 参 考 文 献 Reference Rouse et al. (1974) [19] GM1 VOG3 msr705 PSSRb 750 nm 与 550 nm 处 反 射 率 比 值 Ratio of reflectance at 750 nm to 550 nm R750/R550 红 边 光 谱 比 值 植 被 指 数 Red edge reflectance ratio indices (R734-R747)/(R715+R720) 修 正 SR705 简 单 比 值 指 数 Simple ratio indices modified on SR705 (R750-R445)/(R705-R445) 特 定 色 素 简 单 比 值 法 Pigment specific simple ratio R800/R635 Gitelson and Merzlyak (1994) [20] Zarco-Tejada et al. (2001) [21] Sims & Gamon (2002) [12] Blackburn (1998) [10] ZM SDr/SDb 750 nm 与 710 nm 处 反 射 率 比 值 Ratio of reflectance at 750 nm to 710 nm R750/R710 红 蓝 边 面 积 比 Radio of the red-edge integral areas and the blue-edge integral areas Ri+ 1 Ri 1 Ri+ 1 Ri 1 i= 680 i= 490 ( )/2 ( )/2 基 于 倒 高 斯 模 型 的 红 边 位 置 Red edge position obtained from inverted gaussian fitting technique Gupta et al. (2003) [22] Feng et al. (2008) [23] 2 REP IG ( λ0 λ) Miller et al. (1990) [8] R( λ) = Rs ( Rs R0 )exp 2 2σ REP IG = λ i +σ 注 :R 和 λ 分 别 表 示 原 始 光 谱 反 射 率 和 波 长,R s 为 近 红 外 区 域 肩 反 射 率,R 0 为 近 红 外 区 域 低 谷 反 射 率,σ 为 高 斯 模 型 变 异 参 数 Notes: R and λ denote spectral reflectance and wavelength respectively.r s is the shoulder spectral reflectance within the red edge ( nm), R 0 is the minimum spectral reflectance at wavelength λ 0 corresponding to the chlorophyll absorption well, and σ is the Gaussian function deviation parameter. 2 结 果 与 分 析 2.1 不 同 接 种 等 级 下 小 麦 叶 绿 素 含 量 和 病 情 指 数 的 的 变 化 以 试 验 1 的 易 感 品 种 偃 展 4110 和 中 感 品 种 周 麦 18 为 例, 说 明 不 同 接 种 处 理 对 叶 绿 素 含 量 和 病 情 指 数 的 影 响 从 表 2 可 以 看 出, 在 病 菌 感 染 的 灌 浆 期 随 灌 浆 进 程 小 麦 叶 绿 素 含 量 呈 下 降 趋 势,2 品 种 一 致 随 接 种 等 级 增 加, 植 株 发 病 严 重, 病 情 指 数 升 高, 叶 绿 素 含 量 下 降 ; 且 随 发 病 日 期 延 长, 病 情 指 数 增 加, 病 害 对 叶 绿 素 的 影 响 加 重 品 种 间 比 较, 易 感 品 种 偃 展 4110 发 病 速 度 更 快, 叶 绿 素 含 量 损 失 更 多 就 单 个 品 种 单 个 时 期 而 言, 病 情 指 数 与 叶 绿 素 含 量 呈 显 著 负 相 关 (r<-0.60 ** ), 但 受 病 害 侵 染 时 段 和 品 种 差 异 的 影 响, 叶 绿 素 含 量 与 病 情 指 数 间 总 体 相 关 性 不 显 著 对 于 作 物 病 虫 害 反 射 率 光 谱 而 言, 主 要 受 叶 绿 素 细 胞 结 构 以 及 冠 层 结 构 的 影 响, 病 情 则 加 重 叶 绿 素 含 量 的 损 失 和 冠 层 结 构 的 破 坏, 为 利 用 高 光 谱 特 征 参 数 评 价 病 害 胁 迫 下 叶 绿 素 损 失 状 况 提 供 理 论 依 据

4 第 13 期 冯 伟 等 : 白 粉 病 胁 迫 下 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 高 光 谱 估 测 117 表 2 不 同 接 种 等 级 下 小 麦 叶 绿 素 含 量 和 病 情 指 数 的 变 化 Table 2 Changes of disease index and chlorophyll content under different inoculation degree of powdery mildew in winter wheat 品 种 Variety 偃 展 4110 Yanzhan411 0 周 麦 18 Zhoumai18 接 种 等 级 Inoculation degree 灌 浆 初 期 Early filling 灌 浆 中 期 Middle filling 灌 浆 后 期 Late filling 病 情 指 数 Disease index Chl 质 量 分 数 Chl content/ (mg g -1 ) 病 情 指 数 Disease index Chl 质 量 分 数 Chl content/ (mg g -1 ) 病 情 指 数 Disease index Chl 质 量 分 数 Chl content/ (mg g -1 ) I0 2.15a 6.66a 4.02a 3.12a 5.23a 2.95a I b 6.62a 31.36b 3.02ab 54.47b 2.46b I c 6.42a 49.56c 2.68bc 72.33c 2.02c I d 5.65b 67.17d 2.56c 92.43d 1.89c I0 0.00a 5.06a 1.54a 3.16a 2.32a 3.27a I1 2.86b 4.88ab 4.31b 3.06ab 7.07b 3.06ab I c 4.69ab 14.58c 2.95ab 17.05c 2.89ab I d 4.39b 22.82d 2.85b 29.34d 2.82b 注 : 均 值 后 字 母 不 同 表 示 差 异 显 著, 小 写 表 示 5% 显 著 水 平 Note: Means which are significantly are followed letters, small letters indicate the difference at 5% levels. 2.2 不 同 叶 绿 素 密 度 下 小 麦 光 谱 反 射 率 的 变 化 特 征 白 粉 病 侵 染 小 麦 后 阻 碍 叶 片 叶 绿 素 的 合 成 和 光 合 作 用 的 顺 利 进 行, 进 而 影 响 小 麦 群 体 光 谱 反 射 特 征 ( 图 1) 结 果 表 明, 在 350~730 nm 波 段 内 光 谱 反 射 率 随 叶 绿 素 密 度 增 加 而 降 低, 尤 其 在 红 谷 区 域 叶 绿 素 光 吸 收 能 力 更 加 明 显 ; 在 730~750 nm 的 红 边 区 域 波 动 较 大, 而 波 段 超 过 750 nm 的 近 红 外 长 波 方 向, 光 谱 反 射 率 随 叶 绿 素 密 度 增 加 呈 现 上 升 趋 势, 尤 其 在 780~920 nm 波 段 内 差 异 最 为 明 显 从 光 谱 反 射 率 的 增 减 比 率 来 看, 在 可 见 光 区 域 高 于 近 红 外 区 域, 例 如 680 nm 处 反 射 率 极 差 分 别 为 叶 绿 素 密 度 最 高 和 最 低 处 理 的 3.6 倍 和 78.4%, 而 860 nm 处 反 射 率 增 减 比 率 分 别 为 37.6% 和 59.6%, 这 是 因 为 可 见 光 区 的 光 谱 特 征 主 要 受 色 素 吸 收 的 影 响, 色 素 密 度 高 则 光 吸 收 能 力 强, 反 射 率 就 低 ; 而 近 红 外 区 的 光 谱 特 征 主 要 受 冠 层 及 叶 片 结 构 的 影 响, 白 粉 病 侵 染 后 小 麦 群 体 结 构 已 遭 到 一 定 程 度 破 坏 可 见, 白 粉 病 侵 染 后 小 麦 冠 层 光 谱 反 射 率 随 叶 绿 素 密 度 呈 现 明 显 规 律 性 变 化, 为 下 一 步 分 析 小 麦 叶 绿 素 密 度 与 光 谱 反 射 率 间 的 关 系 提 供 了 理 论 依 据 2.3 小 麦 叶 绿 素 密 度 与 原 始 光 谱 反 射 率 的 相 关 性 将 试 验 1 和 试 验 2 所 有 测 定 时 期 的 叶 绿 素 密 度 与 对 应 冠 层 光 谱 反 射 率 进 行 总 体 相 关 分 析 (n=183, 图 2) 结 果 表 明, 在 350~730 nm 波 段 内 叶 绿 素 密 度 与 光 谱 反 射 率 呈 显 著 负 相 关, 尤 其 在 红 光 600~630 nm 及 红 边 690~718 nm 区 域 处 相 关 性 达 较 高 水 平 ( r >0.65 ** ) 在 红 边 的 近 红 外 端 (730~ 750 nm) 相 关 性 很 弱 ( r <0.2) 在 750~950 nm 近 红 外 波 段 内 则 呈 显 著 正 相 关, 但 相 关 系 数 相 对 较 小 (r<0.4 ** ), 这 是 由 于 近 红 外 波 段 主 要 受 冠 层 及 叶 片 组 织 结 构 影 响, 而 对 叶 绿 素 密 度 的 变 化 不 敏 感 由 此 可 知, 可 见 红 光 及 红 边 波 段 对 小 麦 叶 绿 素 密 度 的 变 化 较 为 敏 感, 通 过 对 此 区 域 光 谱 信 息 的 挖 掘 将 有 助 于 进 一 步 解 析 白 粉 病 侵 染 后 小 麦 叶 绿 素 密 度 与 对 应 光 谱 之 间 的 定 量 关 系 图 2 小 麦 叶 片 叶 绿 素 密 度 与 原 始 光 谱 反 射 率 的 相 关 性 Fig.2 Correlation patterns of canopy chlorophyll density to spectral reflectance of wheat 图 1 不 同 叶 绿 素 密 度 下 小 麦 原 始 光 谱 反 射 率 变 化 Fig.1 Changes in spectral reflectance of wheat under different chlorophyll density 2.4 病 害 小 麦 叶 绿 素 密 度 与 常 见 光 谱 参 数 的 定 量 关 系 以 前 人 提 出 的 不 同 类 型 光 谱 参 数 ( 比 值 差 值 归 一 化 红 边 特 征 及 微 分 等 ) 为 基 础, 综 合 试 验 1 和 试 验 2 的 不 同 生 育 时 期 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 与 光

5 118 农 业 工 程 学 报 2013 年 谱 参 数 进 行 指 数 及 线 性 模 型 估 算 (n=183), 将 其 中 表 现 较 好 的 8 个 光 谱 参 数 方 程 拟 合 的 决 定 系 数 及 标 准 误 差 列 于 表 3, 并 选 用 2 个 光 谱 参 数 为 代 表, 将 回 归 方 程 作 散 点 图 直 观 展 示 方 程 拟 合 效 果 ( 图 3) 结 果 显 示, 光 谱 参 数 RVI(810,560) GM1 和 PSSRb 的 线 性 回 归 方 程 的 拟 合 精 度 ( 决 定 系 数 ) 优 于 指 数 模 型, 其 他 光 谱 参 数 的 指 数 模 型 拟 合 精 度 均 高 于 线 性 模 型 ; 从 方 程 拟 合 标 准 误 差 来 看, 所 有 优 选 参 数 的 方 程 拟 合 RMSE 均 为 指 数 模 型 低 于 线 性 模 型 综 合 而 言, 选 用 误 差 较 小 的 指 数 模 型 可 以 较 好 地 对 叶 绿 素 密 度 进 行 建 模 估 算, 指 数 模 型 中 特 征 光 谱 参 数 VOG3 和 SDr/SDb 对 叶 绿 素 密 度 拟 合 效 果 较 好, 决 定 系 数 分 别 为 0.723(P<0.001) 和 (P<0.001), 拟 合 误 差 分 别 为 和 kg/hm 2 表 3 小 麦 叶 片 叶 绿 素 密 度 与 光 谱 参 数 的 定 量 关 系 Table 3 Quantitative relationships of canopy chlorophyll density (y) to different spectral indices (x) in wheat 光 谱 参 数 Spectral parameter 模 拟 方 程 Simulation equation 指 数 模 型 Index model 决 定 系 数 R 2 均 方 根 误 差 RMSE cal 模 拟 方 程 Simulation equation 线 性 模 型 Linear model 决 定 系 数 R 2 均 方 根 误 差 RMSE cal RVI(810,560) y = 1.035e 0.236x y = 1.215x GM1 y = 0.779e 0.337x y = 1.722x PSSRb y = 1.591e 0.124x y = 0.648x VOG3 y = 1.383e -4.31x y = x msr705 y = 1.080e 0.581x y = 2.938x ZM y = 0.711e 0.601x y = 2.992x SDr/SDb y = 0.755e 0.135x y = 0.675x REP IG y = 4E-72e 0.230x y = 1.131x 图 3 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 与 光 谱 参 数 的 关 系 Fig.3 Relationships of canopy chlorophyll density to reflectance spectral index [SDr/SDb,VOG3] in wheat 2.5 红 边 角 度 波 长 选 择 及 监 测 模 型 构 建 表 2 中 优 选 敏 感 参 数 的 2 波 段 分 别 位 于 近 红 外 740~810 nm 和 可 见 光 500~720 nm 区 域, 图 1 和 图 2 显 示 在 红 边 范 围 内 存 在 一 特 殊 区 域, 在 该 区 域 短 波 方 向 反 射 率 随 叶 绿 素 密 度 增 加 而 降 低, 而 在 长 波 方 向 表 现 升 高 趋 势 因 此, 通 过 对 叶 绿 素 密 度 反 应 敏 感 且 表 现 异 质 的 2 波 段 进 行 比 值 或 归 一 化 组 合, 可 显 著 提 高 植 被 指 数 对 叶 绿 素 密 度 的 拟 合 能 力 图 4 显 示 不 同 叶 绿 素 密 度 下 小 麦 一 阶 微 分 光 谱 在 红 边 区 域 内 (680~756 nm) 反 应 特 征 680 nm 为 红 边 起 点,760 nm 附 近 为 氧 和 水 强 吸 收 谷, 其 一 阶 微 分 光 谱 不 稳 定, 故 将 756 nm 作 为 红 边 终 点 在 该 红 边 区 域,718 nm 附 近 一 阶 微 分 值 在 不 同 叶 绿 素 密 度 下 未 表 现 出 明 显 规 律, 而 在 此 位 点 的 短 波 方 向 (680~718 nm) 和 长 波 方 向 (718~756 nm) 一 阶 微 分 值 与 叶 绿 素 密 度 间 分 别 表 现 出 显 著 负 (r= 0.42 ** ) 和 正 (r=0.68 ** ) 相 关 因 此,718 nm 波 段 将 红 边 区 域 对 称 分 为 对 叶 绿 素 密 度 响 应 表 现 异 质 的 2 部 分, 图 5 中 β 角 度 ( 式 4) 主 要 受 叶 绿 素 吸 收 深 度 的 影 响, 其 大 小 随 叶 绿 素 含 量 提 高 而 增 加,α 角 度 ( 式 5) 主 要 受 冠 层 生 物 量 反 射 高 度 的 影 响, 其 大 小 随 生 物 量 增 大 而 增 加, 对 以 上

6 第 13 期 冯 伟 等 : 白 粉 病 胁 迫 下 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 高 光 谱 估 测 119 角 度 取 正 切 值, 具 体 表 示 单 位 光 谱 波 段 反 射 率 的 变 化 量 图 4 小 麦 不 同 叶 绿 素 密 度 下 红 边 区 一 阶 微 分 光 谱 的 变 化 Fig.4 Changes in first derivative spectra of wheat under different chlorophyll density 图 5 光 谱 红 边 区 域 角 度 指 数 示 意 图 Fig.5 Sketch map for α and β of angle calculation within red edge part of the spectrum R( λi ) R( λi Δλ) β = arctg Δλ (4) R( λi +Δλ) R( λi) α = arctg Δλ (5) 比 值 角 度 指 数 (ratio angle index), α RAI( αβ, ) = β (6) 归 一 化 角 度 指 数 (normalized difference angle index), α β NDAI( αβ, ) = (7) α + β 其 中,λ i 是 波 段 i 的 波 长 值 R(λ i ) 是 波 长 λ i 的 光 谱 反 射 率,Δλ 是 2 波 长 的 差 值 本 文 光 谱 间 隔 Δλ 为 38 nm, 起 点 波 长 为 680 nm, 终 点 波 长 为 756 nm, 中 心 波 长 为 718 nm 冠 层 叶 绿 素 密 度 为 叶 绿 素 含 量 和 生 物 量 乘 积, 更 能 反 映 冠 层 潜 在 的 光 合 生 产 能 力 通 过 对 叶 绿 素 吸 收 深 度 和 生 物 量 反 射 高 度 反 应 敏 感 的 2 个 角 度 进 行 组 合 计 算, 综 合 试 验 1 和 试 验 2 不 同 生 育 时 期 的 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 与 新 构 建 红 边 角 度 指 数 进 行 相 关 回 归 分 析 (n=183), 其 中, 两 角 度 比 值 (RAI) 和 标 准 化 差 值 (NDAI) 能 很 好 地 表 征 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 变 化 动 态 ( 图 6) 以 NDAI(α,β) 为 变 量 的 指 数 方 程 拟 合 决 定 系 数 为 0.783(P<0.001), 标 准 误 差 为 kg/hm 2, 以 RAI (α,β) 为 变 量 的 指 数 方 程 拟 合 决 定 系 数 和 标 准 误 差 分 别 为 0.776(P<0.001) 和 kg/hm 2 这 表 明, 新 构 建 红 边 角 度 指 数 对 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 方 程 拟 合 较 常 见 光 谱 参 数 得 到 较 大 改 善 图 6 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 与 红 边 角 度 指 数 的 关 系 Fig.6 Relationships of canopy chlorophyll density to red edge angle index [ RAI (α,β), NDAI (α,β) ] in wheat 2.6 模 型 测 试 与 检 验 为 了 考 察 白 粉 病 侵 染 后 小 麦 叶 绿 素 密 度 监 测 模 型 的 可 靠 性 和 普 适 性, 利 用 试 验 3 独 立 资 料 (n=48) 对 上 述 优 选 参 数 及 指 数 模 型 进 行 测 试 ( 表

7 120 农 业 工 程 学 报 2013 年 4) 结 果 表 明,REP IG RVI(810,560) 和 PSSRb 模 型 的 检 验 误 差 较 大 (RE>20%), 其 他 模 型 预 测 误 差 均 在 允 许 范 围 之 内 综 合 比 较, 常 见 光 谱 参 数 VOG3 ZM 和 SDr/SDb 的 指 数 模 型 检 验 结 果 较 好, 检 验 精 度 R 2 为 0.896~0.902,RE 为 18.0%~18.6% 新 建 红 边 角 度 指 数 较 常 见 光 谱 参 数 进 一 步 改 善 了 模 型 预 测 效 果 ( 图 7),NDAI(α,β) 模 型 的 检 验 精 度 R 2 为 0.916,RE 为 16.8%,RAI(α,β) 模 型 的 R 2 为 0.907,RE 为 17.5%, 表 明 模 拟 值 与 实 测 值 间 存 在 较 小 误 差 这 些 结 果 显 示, 利 用 关 键 的 光 谱 特 征 参 数, 尤 其 红 边 角 度 指 数 可 以 对 小 麦 白 粉 病 胁 迫 后 冠 层 叶 绿 素 密 度 进 行 有 效 的 定 量 监 测 与 评 价 表 4 小 麦 叶 片 叶 绿 素 密 度 估 算 模 型 的 预 测 能 力 Table 4 Performance of the estimation models for predicting canopy chlorophyll density in wheat 光 谱 参 数 Spectral parameter 决 定 系 数 R 2 均 方 根 误 差 RMSE val 相 对 误 差 RE RVI(810,560) GM PSSRb VOG msr ZM SDr/SDb REP IG RAI (α,β) NDAI (α,β) a. NDAI (α,β): 归 一 化 角 度 指 数 b. RAI (α,β): 比 值 角 度 指 数 a. Normalized difference angle index b. Ratio angle index 图 7 基 于 红 边 角 度 指 数 的 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 实 测 值 与 预 测 值 的 比 较 Fig.7 Comparison of observed with predicted canopy chlorophyll density in wheat based on red edge angle index 3 讨 论 作 物 冠 层 叶 绿 素 密 度 包 含 植 株 叶 绿 素 含 量 和 群 体 绿 叶 重 信 息,Blackburn [10] 认 为 叶 绿 素 密 度 更 能 反 映 冠 层 潜 在 的 光 合 能 力 目 前, 应 用 遥 感 技 术 构 造 植 被 指 数 对 冠 层 叶 绿 素 密 度 进 行 反 演, 快 速 评 价 生 物 胁 迫 对 植 被 冠 层 潜 在 光 合 能 力 的 影 响 是 目 前 植 被 遥 感 领 域 研 究 的 热 点 内 容 之 一 尽 管 生 物 胁 迫 与 非 生 物 胁 迫 在 对 植 被 叶 绿 素 含 量 降 低 方 面 具 有 相 同 点, 非 生 物 胁 迫 主 要 抑 制 叶 绿 素 合 成, 而 生 物 胁 迫 的 白 粉 病 不 仅 加 速 了 叶 绿 素 降 解 和 冠 层 结 构 破 坏, 并 形 成 较 多 霉 层 病 斑 和 凋 谢 物, 随 之 反 映 在 冠 层 光 谱 上 也 就 存 在 差 异 [3,14] 前 人 在 非 生 物 胁 迫 下 构 建 的 典 型 植 被 指 数 必 然 不 能 满 足 病 害 胁 迫 下 叶 绿 素 状 况 的 反 演, 如 何 提 高 病 害 胁 迫 下 植 被 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 反 演 精 度 则 是 遥 感 监 测 的 难 点 我 们 前 期 的 氮 肥 胁 迫 试 验 发 现, 小 麦 叶 绿 素 密 度 与 冠 层 光 谱 间 相 关 性 在 波 段 间 存 在 差 异, 可 见 光 波 段 整 体 相 关 性 较 低 (r> 0.7), 而 近 红 外 波 段 较 高 (r>0.8) [23] ; 本 文 的 白 粉 病 胁 迫 结 果 表 明, 可 见 光 波 段 两 者 间 相 关 性 较 高 (r< 0.65 ** ), 而 在 近 红 外 波 段 相 关 系 数 较 小 (r<0.4 ** ) 因 此, 引 起 作 物 冠 层 叶 绿 素 含 量 下 降 的 原 因 可 能 很 多, 如 虫 害 干 旱 和 缺 素 等 胁 迫, 在 光 谱 特 征 上 有 相 似 变 化, 但 也 有 各 自 特 点, 这 将 是 今 后 遥 感 监 测 作 物 胁 迫 程 度 的 重 要 研 究 内 容 前 人 关 于 植 被 冠 层 色 素 含 量 的 遥 感 监 测 多 基 于 非 生 物 胁 迫 ( 干 旱 和 缺 氮 等 ), 依 据 叶 绿 素 吸 收 特 征 波 段 不 断 提 出 和 发 展 特 征 光 谱 参 数, 如 不 同 算 法 的 红 边 位 置 [8-9,24] PSSR [10] PSND [11] GM1 [21] msr705 [21] CCII [25] RI [22] 1dB VOG2 [21] 和 归 一 化 [26] 导 数 指 数 等 生 物 胁 迫 对 叶 绿 素 含 量 的 影 响 不 同 于 非 生 物 胁 迫, 病 害 胁 迫 下 植 被 叶 绿 素 状 况 的 遥 感 [27] 评 价 相 对 较 少, 徐 华 潮 等 利 用 红 边 位 置 和 红 边 斜 率 监 测 松 材 线 虫 侵 染 松 树 后 叶 绿 素 含 量 的 变 化 陈 [28] 兵 等 构 建 了 植 被 指 数 NDVE(702,758) 实 现 了 对 黄 萎 病 胁 迫 下 棉 花 叶 片 色 素 含 量 的 估 算, 但 稳 定 性 低 [3] 于 传 统 光 谱 指 数 曹 学 仁 等 利 用 绿 光 和 红 光 波 段 的 反 射 率 估 计 叶 绿 素 含 量, 但 数 据 仅 为 一 个 品 种 类 型, 且 只 包 括 旗 叶 和 顶 二 叶, 难 以 准 确 评 价 生 物 胁

8 第 13 期 冯 伟 等 : 白 粉 病 胁 迫 下 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 高 光 谱 估 测 121 迫 对 小 麦 冠 层 潜 在 光 合 能 力 的 影 响 本 文 利 用 对 白 粉 病 表 现 高 感 和 中 感 的 2 个 类 型 品 种, 涉 及 2 种 试 验 系 统, 利 用 传 统 植 被 指 数 SDr/SDb 和 VOG3 可 以 对 病 害 胁 迫 下 叶 绿 素 密 度 进 行 估 算, 这 与 非 生 物 胁 迫 下 叶 绿 素 含 量 的 评 价 是 一 致 的 [6,21] 由 于 生 物 胁 迫 的 光 谱 特 征 与 非 生 物 胁 迫 不 同, 还 需 进 一 步 探 讨 针 对 性 更 强 精 度 更 高 和 适 用 性 更 广 的 植 被 指 数 本 试 验 表 明,750 nm 两 侧 的 波 段 对 叶 绿 素 含 量 的 变 化 表 现 异 质 性, 通 过 微 分 技 术 发 现 红 边 区 域 内 718 nm 附 近 的 波 段 对 叶 绿 素 变 化 不 敏 感, 而 其 两 侧 的 波 段 表 现 异 向 反 应,680 和 756 nm 为 红 边 起 点 和 终 点, 据 此, 利 用 和 750 nm 波 段 构 建 角 度 植 被 指 数, 与 传 统 植 被 指 数 SDr/SDb 和 VOG3 相 比, 其 对 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 估 算 精 度 更 高, 检 验 误 差 更 小, 可 作 为 白 粉 病 害 小 麦 叶 绿 素 密 度 的 最 佳 估 算 模 型 尽 管 本 试 验 为 2 a 数 据, 涉 及 不 同 感 病 类 型 品 种 和 2 种 生 产 试 验 环 境, 其 结 果 仍 需 在 不 同 的 大 田 环 境 下 加 以 验 证 和 完 善 今 后 的 工 作 要 探 讨 其 他 病 害 胁 迫 下 红 边 角 度 指 数 的 响 应, 分 析 其 他 因 素 对 利 用 红 边 角 度 指 数 估 算 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 影 响, 以 期 建 立 精 度 高 适 用 广 和 实 用 程 度 好 的 光 谱 监 测 模 型, 为 作 物 长 势 监 测 生 产 力 评 价 和 精 准 农 业 管 理 提 供 信 息 支 持 4 结 论 1) 病 害 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 对 群 体 反 射 率 的 影 响 主 要 发 生 在 可 见 光 波 段, 叶 绿 素 密 度 与 群 体 反 射 率 在 红 光 600~630 nm 及 红 边 690~718 nm 区 域 处 具 有 极 显 著 相 关 性, 受 病 害 破 坏 冠 层 结 构 的 影 响, 在 近 红 外 波 段 相 关 性 显 著 降 低 2) 与 病 害 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 相 关 性 显 著 且 检 验 结 果 较 好 的 特 征 光 谱 参 数, 单 波 段 较 差, 其 次 双 波 段, 多 波 段 光 谱 参 数 最 好, 监 测 模 型 以 指 数 方 程 最 佳 反 应 敏 感 的 光 谱 指 数 波 段 多 处 于 红 边 区 域 (680~760 nm), 且 位 列 于 718 nm 附 近 两 侧, 这 为 构 建 红 边 角 度 指 数 提 供 了 选 择 波 段 的 思 路 3) 在 传 统 植 被 指 数 中, 以 SDr/SDb 和 VOG3 为 变 量 的 叶 绿 素 密 度 估 测 模 型 拟 合 精 度 较 高, 决 定 系 数 均 高 于 0.72(P<0.001), 检 验 误 差 较 小 (18.0%~ 18.6%) 4) 基 于 病 害 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 与 原 始 光 谱 及 一 阶 微 分 的 关 系 分 析, 结 合 与 叶 绿 素 密 度 相 关 系 数 较 大 的 传 统 植 被 指 数 的 入 选 波 段, 新 构 建 了 红 边 角 度 指 数, 建 立 了 病 害 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 估 算 模 型 新 建 角 度 指 数 较 传 统 植 被 指 数 回 归 模 型 拟 合 精 度 更 高, 检 验 误 差 更 小,NDAI (α,β) 模 型 的 相 对 误 差 RE 为 16.8%, 说 明 NDAI (α,β) 能 准 确 估 算 病 害 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度, 实 时 评 价 冠 层 光 合 潜 力 [ 参 考 文 献 ] [1] Merzlyak M N, Gitelson A A, Chivkunova O B, et al. Nondestructive optical detection of pigment changes during leaf senescence and fruit ripening[j]. Physiologia Plantarum, 1999, 106(1): [2] Peñuelas J, Filella I. Visible and near-infrared reflectance techniques for diagnosing plant physiological status[j]. Trends in Plant Science, 1998, 3(4): [3] 曹 学 仁, 周 益 林, 段 霞 瑜, 等. 白 粉 菌 侵 染 后 田 间 小 麦 叶 绿 素 含 量 与 冠 层 光 谱 反 射 率 的 关 系 [J]. 植 物 病 理 学 报,2009,39(3): Cao Xueren, Zhou Yilin, Duan Xiayu, et al. Relationships between canopy reflectance and chlorophyll contents of wheat infected with powdery mildew in fields[j]. Acta Phytopathologica Sinica, 2009, 39(3): (in Chinese with English abstract) [4] 牛 立 元, 王 鸿 升, 石 明 旺. 小 麦 叶 片 SOD POD 活 性 与 白 粉 病 抗 性 关 系 [J]. 河 南 职 业 技 术 师 范 学 院 学 报, 2004b,32(4):5-8. Niu Liyuan, Wang Hongsheng, Shi Mingwang. Changes of SOD and POD activities in wheat leaves infected by wheat powdery mildew and their relations to resistance[j]. Journal of Henan Vocation-Technical Teachers College, 2004, 32(4): 5-8. (in Chinese with English abstract) [5] Curran P J, Dungan J L, Macler B A, et al. The effect of a red leaf pigment on the relationship between red edge and chlorophyll concentration[j]. Remote Sensing of Environment, 1991, 35(1): [6] Feng W, Yao X, TianY C, et al. Monitoring leaf pigment status with hyperspectral remote sensing in wheat[j]. Australian Journal of Agricultural Research, 2008(8), 59: [7] Horler D N H, Dockray M, Barber J, et al. Red edge measurements for remotely sensing plant chlorophyll content[j]. Advance in Space Research, 1983, 3(2): [8] Miller J R, Hare E W, Wu J. Quantitative characterization of the vegetation red edge reflectance model[j]. International Journal of Remote Sensing, 1990, 11(10): [9] Cho M A, Skidmore A K. A new technique for extracting the red edge position from hyperspectral data: The linear extrapolation method[j]. Remote Sensing of Environment, 2006, 101(2): [10] Blackburn G A. Quantifying chlorophylls and caroteniods at leaf and canopy scales: An evaluation of some hyperspectral approaches[j]. Remote Sensing of Environment, 1998, 66(3):

9 122 农 业 工 程 学 报 2013 年 [11] Blackburn G A. Spectral indices for estimating photosynthetic pigment concentrations: A test using senescent tree leaves[j]. International Journal of Remote Sensing, 1998, 19(4): [12] Sims D A, Gamon J A. Relationships between leaf pigment content and spectral reflectance across a wide range of species, leaf structures and developmental stages[j]. Remote Sensing of Environment, 2002, 81(2): [13] 孟 庆 野, 董 恒, 秦 其 明, 等. 基 于 高 光 谱 遥 感 监 测 植 被 叶 绿 素 含 量 的 一 种 植 被 指 数 -MTCARI[J]. 光 谱 学 与 光 谱 分 析,2012,32(8): Meng Qinye, Dong Heng, Qin Qiming, et al. MTCARI: A Kind of vegetation index monitoring vegetation leaf chlorophyll content based on hyperspectral remote sensing[j]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2012, 32(8): (in Chinese with English abstract) [14] 张 竞 成, 袁 琳, 王 纪 华, 等. 作 物 病 虫 害 遥 感 监 测 研 究 进 展 [J]. 农 业 工 程 学 报,2012,28(20):1-11. Zhang Jingcheng, Yuan Lin, Wang Jihua, et al. Research progress of crop diseases and pests monitoring based on remote sensing[j]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(20): (in Chinese with English abstract) [15] 竞 霞, 黄 文 江, 王 纪 华, 等. 棉 花 单 叶 黄 萎 病 病 情 严 重 度 高 光 谱 反 演 模 型 研 究 [J]. 光 谱 学 与 光 谱 分 析, 2009,29(12): Jing Xia, Huang Wenjiang, Wang Jihua, et al. Hyperspectral inversion models on verticillium wilt severity of cotton leaf[j]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2009, 29(12): (in Chinese with English abstract) [16] Huang W J, Huang M Y, Liu L Y, et al. Invers ion of the severity of winter wheat yellow rus t us ing proper hyper spectral index[j]. Transactions of the CSAE, 2005, 21(4): [17] Lichtenthaler H K. Chlorophylls and carotenoids, the pigments of photosynthetic biomembranes[j]. Methods in Enzymology. 1987, 148: [18] 黄 敬 峰, 王 福 民, 王 秀 珍. 水 稻 高 光 谱 遥 感 实 验 研 究 [M]. 杭 州 : 浙 江 大 学 出 版 社,2010: Huang Jingfeng, Wang Fumin, Wang Xiuzhen. Hyperspectral experiment for paddy rice remote sensing[m]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2010, (in Chinese with English abstract) [19] Rouse J W, Haas R H, Schell J A, et al. Monitoring the vernal advancements and retrogradation of natural vegetation[a]. NASA/GSFC, Type Ⅲ, Final Report. MD, USA, Greenbelt. 1974, [20] Gitelson A A, Merzlyak M N. Remote estimation of chlorophyll content in higher plant leaves[j]. Internal Journal of Remote Sensing.1997, 18(2): [21] Zarco-Tejada P J, Miller J R, Noland T L, et al. Scaling-up and model inversion methods with narrow-band optical indices for chlorophyll content estimation in closed forest canopies with hyperspectral data[j]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2001, 39(7): [22] Gupta R K, Vijayan D, Prasad T S. Comparative analysis of red edge hyperspectral indices[j]. Advance in Space Research, 2003, 32(11): [23] 冯 伟, 朱 艳, 田 永 超, 等. 基 于 高 光 谱 遥 感 的 小 麦 冠 层 叶 片 色 素 密 度 监 测 研 究 [J]. 生 态 学 报,2008,28(10): Feng Wei, Zhu Yan, Tian Yongchao, et al. Monitoring canopy leaf pigment density in wheat with hyperspectral remote sensing[j]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(10): (in Chinese with English abstract) [24] Jago R A, Cutler M E J, Curran P J. Estimating canopy chlorophyll concentration from field and airborne spectra[j]. Remote Sensing of Environment, 1999, 68(3): [25] Hu B X, Qian S E, Haboudane D, et al. Retrieval of crop chlorophyll content and leaf area index from decompressed hyperspectral data: The effects of data compression[j]. Remote Sensing of Environment, 2004, 92(2): [26] 王 强, 易 秋 香, 包 安 明, 等. 基 于 高 光 谱 反 射 率 的 棉 花 冠 层 叶 绿 素 密 度 估 算 [J]. 农 业 工 程 学 报,2012, 28(15): Wang Qiang, Yi Qiuxiang, Bao Anming, et al. Estimating chlorophyll density of cotton canopy by hyperspectral reflectance[j]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(15): (in Chinese with English abstract) [27] 徐 华 潮, 骆 有 庆, 张 廷 廷, 等. 松 材 线 虫 自 然 侵 染 后 松 树 不 同 感 病 阶 段 针 叶 光 谱 特 征 变 化 [J]. 光 谱 学 与 光 谱 分 析,2011,31(5): Xu Huachao, Luo Youqing, Zhang Tingting, et al. Changes of reflectance spectra of pine needles in different stage after being infected by pine wood nematode[j]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2011, 31(5): (in Chinese with English abstract) [28] 陈 兵, 李 少 昆, 王 克 如, 等. 病 害 胁 迫 下 棉 花 叶 片 色 素 含 量 高 光 谱 遥 感 估 测 研 究 [J]. 光 谱 学 与 光 谱 分 析, 2010,30(2): Chen Bing, Li Shaokun, Wang Keru, et al. Study on hyperspectral estimation of pigment contents in leaves of cotton under disease stress[j]. Spectroscopy and Spectral

10 第 13 期 冯 伟 等 : 白 粉 病 胁 迫 下 小 麦 冠 层 叶 绿 素 密 度 的 高 光 谱 估 测 123 Analysis, 2010, 30(2): (in Chinese with English abstract) Hyperspectral estimation of canopy chlorophyll density in winter wheat under stress of powdery mildew Feng Wei, Wang Xiaoyu, Song Xiao, He Li, Wang Chenyang, Guo Tiancai (Henan Agricultural University/National Engineering Research Center for Wheat, Zhengzhou , China) Abstract: The diagnosis of crop health and growth status under various stresses is an important step in precision agriculture. In order to enhance the timeliness in monitoring the growing state and evaluating disease influence in wheat production by using hyperspectral remote sensing, three experiments were conducted with different disease degree treatments across different growth phases, and different cultivars were chosen including four cultivars of Yanzhan 4110, Yumai34, Yumai 49 and Xinong 979 considered as susceptible variety types, and three cultivars of Zhoumai 18, Zhengmai 366 and Aikang58 considered as medium resistant variety types to strengthen wide applicability of monitoring models. The spectrum reflectance and canopy chlorophyll density (CCD) infected with powdery mildew were measured in winter wheat diseased in the nursery and the field during the experiments periods in The relationships of spectra reflectance, the first derivative of reflectance, and existing spectral indices to CCD were analyzed respectively, and the monitoring models of the CCD of diseased wheat were established and tested. The results indicated that the canopy chlorophyll content resulted in an obvious declining trend in two different resistant varieties of wheat, and the powdery mildew damage was heavy for the susceptible variety Yanzhan4110 and slighter lower for the medium resistant variety zhoumai18. The correlations were most significant between CCD and spectral reflectance in red wave bands of nm and red edge wave bands of nm, and the first derivative spectrum in red edge wave bands of nm. The models of SDr/SDb and VOG3 among existing spectral indices had the best fitting precision with a determination coefficient (R 2 ) of and respectively, and the lowest relative errors (RE) between measured and estimated CCD as 18.0% and 18.6%. A new red edge angle index (REAI) selecting optimal bands of 680, 718 and 756 nm was found to be a good indicator for CCD, with fitting R 2 of for NDAI (α,β) and for RAI (α,β), and test RE of 16.8% for NDAI (α,β) and 17.5% for RAI (α,β). The overall results indicated that hyperspectral vegetation indices can be used to reliably estimate CCD of wheat infected with powdery mildew, and CCD models based on a red edge angle index has great practical and application value for monitoring photosynthetic potential productivity and disease influence evaluation on wheat. Key words: spectrum analysis, chlorophyll, models, estimation, powdery mildew stress, winter wheat ( 责 任 编 辑 : 信 世 强 )