基于高光谱遥感的小麦全蚀病监测机理研究

Wheat take-all is one of the devastating diseases threatening wheat production . Monitoring the disease occurrence and development is the key for disease forecast and management. The goal of this study is to develop a hyperspectral imaging approach for detecting wheat take-all disease. Hyperspectral Handheld spectrometer and imaging spectroscopy will be utilized to obtain reflectance spectral information of different wheat varieties with various disease incidences. Identification of the take-all disease will be determined by the means of plant pathology and biochemistry. The sensitive reflectance spectra of take-all infected wheat will be identified. Additionally, support vector machine-based computer machine learning techniques will be used to collect wheat take-all spectral information. A method model will be built and verified to detect take-all disease based on the relationship between disease incidence and hyperspectral data. The result of this study will not only provide theoretical and technical support for wheat no-destructive detection and safety production, but also shed light on the development of novel strategy to detect and control crop pest and disease, which has great significance to the food safety.

小麦全蚀病近年来在各麦区普遍严重发生，对其发生发展监测是治理的关键。本研究利用高光谱地物波谱仪和成像遥感仪，植物病理学与植物生理生化相结合的方法，研究不同抗病小麦品种在不同为害等级水平下，植株形态和生理生化参数与反射光谱信息的时空变异规律，提取小麦全蚀病高光谱遥感监测的敏感波段。利用基于支持向量机的计算机机器学习技术获取全蚀病为害光谱信息，构建基于特征光谱参数和感病等级相关的生理参数间的监测模型，提炼全蚀病遥感识别与诊断的适宜指标，并进行验证。研究结果将为小麦全蚀病高光谱监测提供理论基础和技术途径，同时对于创新作物病虫害监测方法，克服传统手段局限性，保障粮食安全生产具有重要意义。

小麦全蚀病是世界各小麦产区为害十分严重的一种土传病害，在小麦全生育期均可发病。一旦发生，轻者减产10%~20%，重者减产一半以上，甚至绝收。近年来，小麦全蚀病发生和为害呈逐年加重趋势，已成为小麦优质、高产和小麦种子产业发展的重大威胁。为有效防治小麦全蚀病，首先必须及时准确掌握其发生发展情况。到目前为止，人们主要通过实地田间取样、调查，综合其它信息进行预测预报，其获取信息的滞后性还严重影响病虫害预报的准确率。因此，利用现代信息技术，提高小麦全蚀病的动态监测和预报水平，对于保证粮食生产稳定，减少生产投入及可持续生产具有重要意义。本项目利用高光谱遥感技术分析了小麦全蚀病的光谱特征，并利用支持向量机方法对其进行分类和识别，研究结果表明：在700～900nm波段范围内，随病情严重度的加剧，光谱反射率逐渐降低。通过主成分分析提取不同小麦白穗率的冠层光谱特征；再通过灰色聚类分析方法，研究白穗率等级的可分性；最后利用基于径向基核函数的支持向量机对全蚀病害的近地成像高光谱图像进行分类，从而验证成像光谱在全蚀病监测上可行。通过研究明确了小麦全蚀病高光谱遥感监测的机理和方法。研究结果丰富了小麦全蚀病监测理论和技术，创新作物病虫害监测方法，克服传统手段局限性，保障国家粮食安全生产具有重要的现实意义和应用价值，同时建立的技术体系对于其它病虫害的监测预警具有重要的借鉴作用。