基于成像高光谱技术的烟草病害监测研究

基于成像高光谱技术的烟草病害监测研究

一、引言

植物病害的发生是一个动态的病理变化过程，植物受到病原生物或不适宜的环境条件影响后，首先是生理机能会发生改变，接着引起植物内部的组织结构发生变化，最后才导致植物外部形态的改变，即症状出现。所以，植物在病变过程中，其化学成分会发生变化。

光谱技术由于具有分析速度快、效率高、成本低等优点，已成为一种快速、 无损的现代分析技术，广泛用于植物病害方面的研究。如冯洁等用多光谱成像技术诊断黄瓜病害；蒋金豹等用高光谱微分指数监测冬小麦病害；陈兵等用高光谱遥感监测棉花黄萎病。多光谱成像技术能同时获取被测目标的光谱信息和空间信息，可全面、快速提取植物病害的信息，但不能在症状出现之前诊断病害。高光谱遥感技术诊断植物病害是基于植物遭受病虫害侵染后，生物化学成分含量和外部形态的变化，导致植物反射光谱特性变化，可提前监测、识别病害信息。

二、实验部分

2.1 仪器设备

高光谱成像仪为江苏双利合谱科技有限公司自主研发的GaiaField便携式高光谱成像仪，波段范围为400 - 1000 nm，共520个波段，光谱分辨率为4 nm，图像分辨率为1392*1040。高光谱采集软件为SpecView，数据分析软件为ENVI/IDL。图1为成像高光谱仪的实景图。

图 1  搭载在三脚架上的成像高光谱仪GaiaField

2.2 样品制备与光谱预处理

烟草样本由贵州贵阳学院的老师提供。利用成像高光谱仪GaiaFiled获取烟草的高光谱影像后，分别对高光谱影像数据进行数据的预处理，包括镜像变换、黑白桢校准和光谱平滑等。

三、结果与讨论

3.1  病斑、病斑附近烟草与正常烟草的光谱差异分析

     从图2可知，病斑处烟草的光谱曲线总体趋势与正常烟草的光谱曲线差异较大，如正常烟草的绿峰位置在550 nm附近，而病斑烟草在绿光范围内并未形成绿峰，反而在靠近红光范围处出现吸收峰，这说明病斑处的烟草已经枯黄，已不含有叶绿素或含有少量叶绿素；对于病斑处附近的烟草，绿光区域与红光区域的绿峰与红谷均高于正常烟草。无论是病斑烟草还是病斑附近的烟草，其红边位置均发生了蓝移；而且在近红外范围内，病斑烟草或病斑附近的烟草，其反射率均高于正常烟草的反射率。

图2  病斑、病斑附近烟草与正常烟草的光谱曲线图

3.2  烟草感染病毒后不同时间段的光谱差异

    图3为烟草感染病毒后，10月30日、11月4日和11月9日相隔5天的原始光谱与一阶导数光谱曲线。从图中可知，随着发病时间的推移，绿峰与红谷的光谱反射率值逐渐升高，这说明烟草的光合作用正在减弱，并开始逐渐枯萎。在近红外区域，烟草感染病毒后，其光谱反射率随着时间的推移逐步升高。从一阶导数光谱可以看出，烟草感染病毒后，其特有的一些光谱特征并没有消失。因此对图像进行处理时，为了避免高光谱数据量大、波段间冗余信息较多、运算慢等，可以选择特征波段进行分析。

图 3  烟草发病后不同时间段的光谱曲线差异（A：原始光谱，B为一阶导数光谱）

3.3  烟草感染病毒后不同时间段光谱指数的变化曲线

   从图2可知，烟草感染病毒后，其光谱曲线变化较大的是绿光与红光范围，因此根据图2的光谱特征曲线，选择绿光范围内的550nm，红光范围的630nm，运用这两个波段的光谱反射率构建光谱指数，常用的光谱指数有NDVI、RVI、DVI、SAVI、OSAVI、TVI等。本研究运用NDVI指数。观察烟草干扰病毒后，随着时间的变化，其NDVI曲线的变化规律。如图4所示。从图4可知，烟草在感染病毒后，其NDVI(550,630)值逐渐下降。根据相关文献可知，在NDVI(550,630)在下降到一定程度时，会减缓下降趋势，并逐渐趋向于平行横坐标。

图 4  烟草感染病毒后不同时间段NDVI(550,630)指数的变化规律

3.4  烟草感染病毒初期NDVI反演图

图5为10月30日烟草叶片的NDVI反演图，图中叶茎的黑色区域为病毒感染区域，紫色、蓝色、淡蓝色等区域为病毒侵袭区域。

图 5 感染病毒后烟草叶片的NDVI反演图

3.5  其他方面

    烟草在感染病毒后，随着时间推移，不仅其光谱曲线会发生变化，其化学参数也会随之变化，比如含氮量、叶绿素a/b、类胡萝卜素、含水量等。如需要预测烟草是感染了何种病毒，则需要大量数据进行分析，少量的数据会对预测结果较大误差。