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褐飞虱和稻纵卷叶螟为害后水稻的光谱特征

作　者: 孙启花
导　师: 刘向东
学　校: 南京农业大学
专　业: 农业昆虫与害虫防治
关键词: 褐飞虱稻纵卷叶螟水稻高光谱遥感光谱特征虫害监测
分类号: S435.112
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

农作物病虫害是农业生产上的重要制约因素之一。据联合国粮农组织(FAO)的调查,全世界病虫害每年造成的经济损失达1200亿美元。做好病虫害的准确监测与预测,才能指导病虫的有效防控,从而降低经济损失。遥感技术可以客观、准确、及时的获取地面作物生态环境和作物生长的重要信息,从而间接地对作物病虫害进行监测。地面高光谱遥感是一种无损害快速检测技术,利用它来进行病虫害的监测,可以在一定程度上弥补传统目测手查方法“费时、费力,且准确性受专业水平影响”等的不足。因此,利用遥感技术开展病虫害监测与预警是当今农业遥感的重要发展方向。本文以水稻上的两大重要害虫褐飞虱和稻纵卷叶螟为对象,采用便携式光谱仪,研究了不同生育期水稻、稻田其它绿色植物及非生物地物等的光谱特征；褐飞虱和稻纵卷叶螟不同为害水平下水稻的冠层和叶片光谱特征；同时组建了基于光谱特征的褐飞虱虫量及稻纵卷叶螟为害程度的诊断模型,获得了以下主要结果：(1)以水稻为重点,对不同地物的反射光谱测定结果表明,健康水稻的光谱曲线存在明显的“峰”和“谷”特征,可以显著区别于枯草、水泥地、水塘以及裸土等其它非绿色植物地物。健康水稻光谱曲线在绿光(520-600nm)区有弱反射,出现一个小的峰值；在680-750nm区域内,反射率急剧上升；在700-1000nm处,光谱反射率非常高。枯草的光谱曲线不存在明显的“峰”和“谷”的特征,从可见光到近红外波段反射率逐渐升高,近似于一条直线。水泥地光谱曲线在可见光波段高于其它地物,近红外波段明显低于水稻。水塘的光谱曲线近似于一条低矮直线。裸露土壤的反射率曲线与水稻的在形状上最为相似,但在可见光波段要高于水稻,在近红外波段明显低于水稻。光谱反射率一阶微分能够更清晰地展现地物光谱的变化特征。水稻的一阶微分光谱存在很明显的绿峰(510-560nm)和红边(680-760nm)；而枯草、水泥地、水塘和裸土的微分光谱均表现为一条低矮曲线,没有绿峰和红边,或者绿峰和红边不明显。对孕穗期水稻、抽雄期玉米、结荚期大豆、浮萍和葎草的反射光谱测定分析表明,不同植物间光谱反射率的大小和峰谷位置存在明显差异。表现为,在近红外波段,大豆、玉米和葎草的反射率较高,水稻的次之,而浮萍的最低。在可见光波段,浮萍的反射率最高,玉米、葎草和大豆的次之,而水稻的最低。同一生育期,籼稻的光谱反射率略高于粳稻。对水稻不同生育期的光谱测定发现,在抽穗前,随发育期推进,冠层光谱反射率在可见光范围逐渐降低,近红外波段逐渐升高；但在抽穗以后,随生育期推进,光谱反射率在可见光范围内逐渐升高,而在近红外波段逐渐降低；并且随水稻生育期的推移,冠层光谱的红边呈现出了先“红移”后“蓝移”的规律。比值植被指数RVI和归一化植被指数NDVI也表现为,从移栽期到抽穗期不断增大,而从抽穗期到黄熟期则不断减小的趋势。冠层光谱反射率及植被指数不仅能将水稻与其它绿色植物区分开来,而且可以将不同类型及生育期的水稻区分开来。(2)在室内用水稻标准苗进行了褐飞虱为害后的光谱特性研究,结果表明,在可见光和近红外区,随褐飞虱虫量和虫龄的增加稻株光谱反射率呈下降趋势,近红外光区的光谱反射率可很好地表征褐飞虱不同龄期、不同虫量及成虫产卵对稻株的危害程度。各波长处的光谱反射率与褐飞虱虫量间存在明显的负相关,并且在520-570nm和700-1000nm波长范围内的相关性达到了极显著水平。褐飞虱为害后稻株光谱的红边幅值Dλr和红边面积Sλr也分别与虫量存在极显著相关。利用虫害后稻株在可见光波长550nm处的反射率(R550)和近红外光区波长760nm处的反射率(R760)、红边参数值与没受害稻株相应值的比值建立了褐飞虱虫量的预测模型,利用模型对19个随机虫量进行光谱反演预测,各模型的预测正确率为53%-79%,且R760因子对褐飞虱虫量有相对较好的预测效果,而以5个虫量梯度为一组的5组次实测值与预测值的卡方检测,符合率达80-100%。(3)在水稻孕穗期人工接种不同数量的褐飞虱,然后在灌浆期和黄熟期分别测定水稻的冠层光谱。结果表明,在接虫后20天的灌浆期,水稻冠层光谱在760-1000nm的近红外波段随接虫量的增加而显著降低。在可见光波段,也有下降趋势,但降幅较小。根据冠层光谱反射率与接虫量间的相关性分析得出,725-1000nm波段可做为水稻灌浆期监测褐飞虱的敏感波段。在水稻黄熟期,随接虫量的增加,光谱反射率在可见光区随虫量的升高而显著升高,尤其在620-720nm的红光区上升趋势和幅度非常明显。610-700nm的红光区可作为水稻黄熟期褐飞虱监测的敏感光谱波段。对分蘖期盆栽水稻受不同虫量褐飞虱为害后的冠层、茎部以及叶片光谱反射率的研究发现,冠层的光谱反射率随虫量的增加,在绿光区和近红外光区降低,红光区和蓝光区升高。726-1000nm波段可作为分蘖期水稻冠层褐飞虱监测的敏感波段。单叶和茎部的光谱反射率则表现为在整个波段内均随虫量的增加而降低。剑叶、倒二叶和茎部监测褐飞虱为害的敏感光波区域分别为471-589nm和660-1000nm、489-563nm和708-1000nm、527-569nm和699-1000nm。褐飞虱为害后的水稻光谱植被指数研究表明,冠层差值植被指数DVI、比值植被指数RVI和归一化植被指数NDVI随接虫量的增加而降低,均与接虫量有较好的相关性。叶片光谱和茎部光谱的DVI与接虫量的相关性显著,而RVI和NDVI与虫量之间相关性不显著。RVI和NDVI指数可用于冠层光谱层次上的褐飞虱监测,而不适宜于单叶和茎杆光谱层次上的监测。孕穗期褐飞虱的接虫量大小与水稻的产量关系密切,随着接虫量的增多,水稻穗重和千粒重呈显著的下降趋势。水稻黄熟期的光谱参数：R696、Dλy、λr、Dλr和Sλr与水稻产量间存在显著的相关性。建立了褐飞虱为害后基于水稻黄熟期光谱参数的水稻产量估算模型,估测千粒重(Y3)的两个模型Y3=0.143λr-99.272和Y3=383.121Dλr+1.931的估产效果较好,可用于监测不同虫量为害下水稻的产量。(4)测定了稻纵卷叶螟为害后水稻的冠层光谱,并在稻纵卷叶螟为害的小区内选取受害叶片与没受害叶片,在室内测定了单叶光谱,结果表明,稻纵卷叶螟为害后的水稻,在冠层水平上随着卷叶率的升高,反射率在近红外光区逐渐降低。冠层水平上的敏感波段为：738-1000nm。在已受害的卷叶水平,随小区内卷叶率的升高,反射率在红光波段逐渐升高,表征稻纵卷叶螟为害的敏感波段为582-688nm的红光波段。在没受害的展开叶水平上,随小区内卷叶率的升高,反射率在可见光区和近红外光区均降低,表征稻纵卷叶螟为害的敏感波段为512-606nm的绿光区和699-1000nm近红外光区。水稻冠层光谱反射率的一阶微分结果表明,红边位置λr随卷叶率的加重而“蓝移”,红边幅值Dλr和红边面积Sλr均随受害等级的加重而减小。Dλr和Sλr与水稻受害等级存在极显著的相关性,该光谱指数可用于监测水稻受稻纵卷叶螟为害的程度。建立了基于光谱特性的稻纵卷叶螟为害程度的预测模型,冠层光谱条件下,以Y=-1338.406Dλr+11.123模型的效果最好；没直接受害的展开叶光谱条件下,以Y=-90.280R550+11.902模型的效果最好；直接受害的卷叶光谱条件下的预测模型为Y=198.620R670-18.505,所建模型均通过了0.01水平的检验,基本可指导虫害监测。

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摘要 7-10ABSTRACT 10-15引言 15-17第一章作物病虫害的高光谱遥感监测 17-27 1 褐飞虱和稻纵卷叶螟传统监测方法 17-18 2 病虫害监测的高光谱遥感技术 18-20 2.1 健康植被的光谱特征 18-19 2.2 病虫为害后植被的光谱特征 19-20 3 遥感监测病虫害的方法 20-25 3.1 敏感波段的选择 20-21 3.2 微分光谱指标的选择 21-22 3.3 植被指数的选择 22-23 3.4 监测模型的组建 23-25 4 本研究的主要内容及意义 25-27第二章水稻及其它地物的光谱特征 27-45 1 材料与方法 28-31 1.1 实验材料 28-29 1.2 光谱测定方法 29-30 1.3 光谱数据的分析 30-31 1.4 植被指数计算方法 31 2 结果与分析 31-41 2.1 绿色植物与其它地物的光谱特征 31-34 2.2 水稻与田间其它植物的光谱特征比较 34-35 2.3 盆栽水稻冠层与叶片光谱反射率特性 35-37 2.4 不同生育期水稻的冠层光谱特征 37-41 3 讨论 41-45第三章褐飞虱为害在水稻植株光谱反射率上的表现 45-57 1 材料与方法 46-47 1.1 供试水稻及虫源 46 1.2 褐飞虱对稻株的为害 46-47 1.3 稻株光谱反射率测定 47 1.4 数据分析与建模方法 47 2 结果与分析 47-54 2.1 不同龄期若虫为害后稻株的光谱反射率 48-49 2.2 成虫产卵为害对稻株光谱反射率的影响 49-50 2.3 不同若虫量为害后稻株的光谱特征 50-52 2.4 基于光谱特征的褐飞虱虫量监测模型的组建与检验 52-54 3 讨论 54-57第四章水稻受褐飞虱为害后不同生育期的冠层光谱特征 57-73 1 材料与方法 58-60 1.1 供试水稻和接虫处理 58-59 1.2 光谱反射率测定 59 1.3 水稻穗重与千粒重的测定 59 1.4 数据处理方法 59-60 2 结果与分析 60-70 2.1 不同虫害水平下不同生育期水稻的冠层光谱特征 60-62 2.2 不同生育期水稻对褐飞虱敏感的光谱波段选择 62-63 2.3 褐飞虱为害后水稻冠层、茎与叶片的光谱反射率 63-65 2.4 褐飞虱为害对水稻光谱植被指数的影响 65-66 2.5 不同虫量褐飞虱为害后水稻产量的变化 66-67 2.6 水稻产量与光谱参数间的相关性 67 2.7 水稻产量的高光谱预测模型的建立与检验 67-70 3 讨论 70-73第五章稻纵卷叶螟为害后水稻光谱特征 73-85 1 材料与方法 74-75 1.1 供试水稻与虫情 74 1.2 光谱测量 74-75 1.3 数据处理方法 75 2 结果与分析 75-81 2.1 不同受害等级条件下的水稻冠层光谱特征 75-77 2.2 不同受害程度区域内水稻单叶的光谱特征 77-79 2.3 光谱红边参数的变化 79-80 2.4 水稻受害等级回归模型的建立 80-81 3 讨论 81-85全文结论 85-87 1 主要结论 85-86 2 主要创新点和不足点 86-87参考文献 87-97附录:攻读硕士学位期间发表的研究论文 97-99致谢 99

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