枸杞4大病虫害的遥感近地高光谱特征

马 菁， 张学俭

(宁夏农林科学院， 宁夏 银川 750002)

枸杞4大病虫害的遥感近地高光谱特征

马 菁， 张学俭*

(宁夏农林科学院， 宁夏 银川 750002)

为给枸杞病虫害的防治提供依据，填补我国枸杞光谱特征研究方面的空白，采用近地高光谱遥感方法对枸杞主产区宁夏中卫市中宁县枸杞的健康冠层与枸杞木虱、瘿螨、负泥虫和白粉病等4种枸杞病虫害危害冠层的近地高光谱特征及变化规律进行研究。结果表明：不同病虫害感染后的冠层都具特有的光谱特征规律。健康枸杞冠层的光谱特征曲线较为平滑，其光谱反射率在红光波段700～760 nm和近红外波段处高于染病冠层；木虱、瘿螨和负泥虫危害的冠层光谱特征曲线较为曲折，出现较多折点，并且发生蓝移现象；白粉病危害冠层的光谱特征较其他3种病虫害的平缓，但其光谱反射率在近红外波段较健康枸杞冠层的低。随着受害程度的加重，木虱危害的枸杞冠层光谱反射率在红光波段700～760 nm处和近红外波段处降低；瘿螨危害的枸杞冠层光谱反射率在绿光波段550～600 nm和红光波段600～700 nm处升高，在红光波段700～760 nm处和近红外波段处光谱反射率降低；负泥虫危害的枸杞冠层光谱反射率在红光波段700～760 nm和近红外波段处降低；白粉病危害的枸杞冠层光谱反射率在蓝光波段、绿光波段和红光波段600～730 nm处升高，在红光波段730～760 nm和近红外波段处降低。

枸杞； 病虫害； 近地高光谱； 光谱特征； 变化规律

宁夏枸杞(Lyciumbarbarum)系茄科枸杞属，是名贵的中药材和高级滋补品[1-2]。宁夏是全国枸杞的主产区，其中宁县是世界枸杞的原产地，种植枸杞已有500余年的历史，1995年中宁县被国务院命名为中国枸杞之乡[3-6]。近年来，枸杞作为当地的主要经济作物，种植面积逐年扩大，但随着种植面积的扩大及种植年限的增加[7]，加之气候的异常变化，枸杞病虫害发生也日趋严重，主要多发性成灾病虫害有枸杞木虱、瘿螨、负泥虫、蚜虫、红瘿蚊和白粉病等[8-9]，给生产造成了巨大的经济损失。

地物光谱特征是遥感理论研究和应用研究的基础[10]。近地光谱指利用手持或者便携式光谱仪在实验室及野外测量农作物冠层及叶片受病虫害危害后的光谱反射率，其不仅能够用于不同病虫危害的光谱分析，筛选病虫危害后的敏感波段，也可在应用卫星遥感前对地面病虫危害的目标物光谱进行定标[11]。植被具有特有的光谱特征曲线，植被实测光谱数据可以用于研究植被的类型、植被识别和分类、植被生态学评价、植被化学成分估测、植被病虫害及植被健康状况监测等[12]。Nillson[13]使用手持光谱仪研究作物生长、病虫害危害和产量预测等。Michio等[14]研究发现，960 nm处的导数光谱可用于监测水稻的水分亏缺状况。Steddom等[15]用高光谱叶片反射率和多光谱冠层反射率数据研究黄化炭疽病对甜菜的危害情况。Apan等[16]研究西红柿受晚疫病、茄子受28星瓢虫危害后的光谱变化情况，并分析了光谱与病虫害的关系。我国的光谱研究起步较晚。吴继友等[17]研究松毛虫危害的光谱特征；王人潮等[18]认为，通过光谱测定及其变换运算，可以区分不同氮素营养水平；黄木易等[19]研究冬小麦条锈病的冠层光谱特征；田庆久等[20]利用单叶片的光谱反射率在1 450 nm处水的吸收峰深度和面积与叶片水分含量呈极显著关系诊断叶片的水分状况。有关枸杞病虫害的遥感近地高光谱特征研究目前在我国尚未见报道，为此，笔者于2013—2014年根据枸杞木虱、瘿螨、负泥虫、白粉病等不同病虫害的致病机理，采用近地高光谱遥感技术，实测研究区枸杞冠层反射光谱数据，分析枸杞主要病虫害的光谱特征及变化规律，以期为枸杞病虫害的防治提供依据，同时填补我国枸杞光谱特征研究的空白。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验材料为4～5年生处于盛果期的宁杞1号品种，种植于宁夏回族自治区中卫市中宁县上渠、宽口井、花豹湾枸杞标准化生产示范基地。仪器为美国SVC GER1500手持式光谱辐射仪。

1.2 试验时间与地点

试验于2013—2014年枸杞病虫害高发的5—10月在宁夏回族自治区中卫市中宁县上渠、宽口井、花豹湾枸杞标准化生产示范基地进行。选择晴朗无风的天气，在13:00左右使用手持式光谱辐射仪，测定健康无病的枸杞冠层及感染木虱、瘿蟎、负泥虫、白粉病等的枸杞冠层的光谱特征值。

1.3 光谱特征值测定

由于不同病虫害的致病机理和发病症状不同，枸杞冠层在染病后，在不同染病程度下，其光谱特征也随之发生了变化。根据《宁夏回族自治区地方标准DB 64/T 852—2013》将冠层的染病程度划分为轻度受害、中度受害和重度受害3个级别，分别测定感染4种病虫害的枸杞冠层在轻度、中度和重度受害程度下的光谱特征值，并绘制健康枸杞冠层以及感染4种病虫害的枸杞冠层在不同染病程度下的光谱特征图谱。

采用随机取样法选择样本，每个点随机调查2株枸杞树。试验共测定枸杞冠层样本382组，其中，染病枸杞冠层样本为295组，健康枸杞冠层样本为87组。染病枸杞冠层样本中，感染木虱样本为81组，感染瘿螨样本为76组，感染负泥虫样本为68组，感染白粉病样本为70组。每次测定前后都用标准参考板对仪器进行校正，测量探头距冠层上方1.3 m且垂直向下，每小区重复测20次取其平均值代表该冠层的光谱值。为了消除数据噪声，只研究波谱范围350～1 050 nm的光谱反射率特征及变化规律。采集到的光谱值记为DN值，不是地物的光谱反射率，需要进行光谱反射率换算。换算公式：

R目标= (DN目标/DN参考板)×100

式中，R目标代表目标物的光谱反射率，DN目标代表目标物的光谱值，DN参考板代表参考板的光谱值。

1.4 数据统计分析

利用GER1500光谱处理软件、Excel 2007、SPSS 17.0等进行光谱数据的处理及分析。

2 结果与分析

2.1 健康枸杞冠层的光谱特征

由图1可见，健康枸杞冠层具有典型的植被光谱特征。由于叶色、细胞结构和含水量的影响，在蓝光波段反射率低，绿光波段的中点550 nm左右形成1个反射率小峰，在红光波段，起先反射率甚低，在670 nm附近达到低谷，随后又上升，在700～800 nm处反射率陡峭上升，到800 nm附近达最高峰，强烈地反射近红外辐射。

图1 健康枸杞冠层的光谱特征

Fig.1 Spectral characteristics of healthyL.barbarumcanopy

2.2 感染病虫害枸杞冠层的光谱特征

从图2可见，不同病虫害感染的冠层具有其特有的光谱特征规律。

2.2.1 木虱 木虱危害的枸杞冠层光谱较健康冠层的光谱曲折，出现较多折点；且随着受害程度的加重，在蓝光波段、绿光波段和红光波段600～700 nm处，光谱反射率差异不显著；在红光波段700～760 nm处，特别是近红外波段处，受害程度越重，光谱反射率越低。原因在于，木虱成虫和若虫在枸杞枝叶上刺吸危害，破坏了叶片的内部结构，且其橙黄色的卵粒密布叶背，若虫固着于叶表或叶下，致使植株生势衰退。因此，在近红外波段处其光谱反射率下降。

图2 感染木虱、瘿螨、负泥虫和白粉病枸杞冠层的光谱特征

Fig.2 Spectral characteristics ofL.barbarumcanopy infected withPoratriozasinica，Acerimacrodonis，LemadecempunctataandPowderymildew

2.2.2 瘿螨 瘿螨危害的枸杞冠层光谱较健康冠层的光谱曲折，出现较多折点。在蓝光波段、绿光波段500～550 nm处，随着受害程度的加重，光谱反射率差异不显著；在绿光波段550～600 nm处、红光波段600～700 nm处随着受害程度加重光谱反射率升高；红光波段700～760 nm处，特别是近红外波段，受害程度越重光谱反射率越低。原因在于，受枸杞瘿螨危害，被害叶片上密生黄绿色近圆形隆起的小点，严重时呈淡紫色，在可见光波段，叶片叶绿素被破坏，致使色素吸收降低，导致反射率升高；而近红外波段，瘿螨破坏叶片的内部结构，呈虫瘿状畸形，导致反射率下降。

2.2.3 负泥虫 负泥虫危害的枸杞冠层光谱较健康的光谱曲折，出现较多折点。在蓝光波段、绿光波段、红光波段600～700 nm处，随着受害程度的加重光谱反射率差异不显著；红光波段700～760 nm处，特别是近红外波段处，受害程度越重光谱反射率越低。原因在于，枸杞负泥虫危害后，成虫、幼虫食叶使叶片造成不规则缺刻或孔洞，并在被害枝叶上到处排泄粪便，因此，在近红外波段，叶片的内部结构被破坏，导致反射率下降。

2.2.4 白粉病 白粉病危害的枸杞冠层光谱较枸杞木虱、瘿螨和负泥虫等3种虫害危害的光谱平缓。在蓝光波段、绿光波段、红光波段600～730 nm处，不同受害程度枸杞冠层的光谱反射率差异显著，受害程度越重，光谱反射率越高；在红光波段730～760 nm处，特别是近红外波段，其光谱反射率差异显著，受害程度越重光谱反射率越低。原因在于，白粉病危害后，枸杞叶片外观呈白色，光合作用受阻，所以在可见光波段，由于染病冠层叶片的叶绿素被破坏，致使色素吸收降低，从而导致反射率升高。在近红外波段，病害破坏了叶片的内部结构，导致反射率下降。因此，白粉病危害后可见光和近红外波段的光谱反射率差异都很显著。

3 结论与讨论

1) 枸杞有明显的植被光谱特征，但枸杞冠层被病虫害感染后，光谱特征会发生异常，并且不同病虫害感染的冠层都有特有的光谱特征规律。健康枸杞冠层的光谱特征曲线较为平滑，且在红光波段700～760 nm和近红外波段处其光谱反射率高于染病冠层的光谱反射率；木虱、瘿螨和负泥虫危害的冠层光谱特征曲线较健康枸杞冠层的光谱特征曲线曲折，出现较多折点，并且发生蓝移现象；白粉病危害的冠层较其他3种病虫害危害的冠层光谱特征平缓许多，但在近红外波段，白粉病危害的枸杞冠层光谱反射率较健康枸杞冠层的光谱反射率低很多。

2) 随着受害程度加重，木虱危害的枸杞冠层光谱反射率在红光波段700～760 nm处和近红外波段处降低；瘿螨危害的枸杞冠层光谱反射率在绿光波段550～600 nm和红光波段600～700 nm处升高，在红光波段700～760 nm处和近红外波段处光谱反射率降低；负泥虫危害的枸杞冠层光谱反射率在红光波段700～760 nm和近红外波段处降低；白粉病危害的枸杞冠层光谱反射率在蓝光波段、绿光波段和红光波段600～730 nm处升高，在红光波段730～760 nm和近红外波段处降低。

3) 该试验方法新颖，在枸杞病虫害研究方面具有很大的创新性，先进的仪器和大量的数据支持，使得试验数据具有很强的科学性。试验采集的样本量较大，具有一定的代表性，能够较客观真实地反映枸杞冠层的光谱特征，但是不排除因为样本量不足而存在误差的可能性。试验选取的枸杞冠层均为感染单一病虫害的情况，但在实际情况中，枸杞冠层常常被多种病虫害混合感染，多种病虫害混合感染的冠层光谱特征还有待进一步研究。

[1] 任月萍，胡忠庆. 宁夏枸杞主要病虫害化学防治研究进展[J].宁夏农学院学报，2004(9):88-91.

[2] 王 孝，马金平，王 佳. 几种生物农药对枸杞病虫害的防效研究[J].现代农业科技，2012(21):149.

[3] 任月萍. 宁夏栽培枸杞不同时期病虫害主要种群的演变及化学防治方法[J].安徽农业科学，2010,38(5):2443-2445.

[4] 袁海静，安 巍，李立会，等. 中国枸杞种质资源主要形态学性状调查与聚类分析[J].植物遗传资源学报，2013,14(4):50-56.

[5] 张治华，温淑萍，王建锋. 宁夏高端枸杞产品发展现状、存在的问题及对策分析[J]. 农业科学研究，2014,35(1):46-50.

[6] 张国凤. 中宁枸杞品牌价值29.63亿元[N]. 农民日报，2010-02-23(005).

[7] 胡加付，缪 凯，董振辉，等. 枸杞病虫害的发生与防治研究[J].现代农业科技，2009(4):101-102.

[8] 薛琴芬，邹 罡，谢满桃. 枸杞主要病虫害的发生及防治措施[J].植物医生，2011(2):29-31.

[9] 张广龙.枸杞病虫害防控技术[J].现代园艺，2013(12):69.

[10] 李继业，杨 芳，姚国慧，等.艾比湖流域典型荒漠植被光谱特征分析[J].林业资源管理，2015(2):114-117.

[11] 蒋金豹，陈云浩，黄文江.病害胁迫下冬小麦冠层叶片色素含量高光谱遥感估测研究[J].光谱学与光谱分析，2007,7(27):1363-1367.

[12] 董晶晶，王 力，牛 铮.植被冠层水平叶绿素含量的高光谱估测[J].光谱学与光谱分析，2009,29(11):3003-3006.

[13] Nilsson H E. Remote sensing of oil seed rape infected by Sclerotinia stem rot and Verticillium wilt[M]. Uppsala(Sweden)：Sveriges Lantbruksuniv，1985.

[14] Michio S, Tsuyoshi A. Seasonal visible, near-infrared and mid-infrared spectral of rice canopies in relation to LAI and above-ground dry phytomass[J]. Remote Sensing of Environment,1989,27:119-127.

[15] Steddom K, Bredehoeft M W, Khan M, et al. Comparison of visual and multispectral radiometric disease evaluations of cercospora leaf spot of sugar beet[J]. Plant Disease,2005,89(2):153-158.

[16] Apan A, Datt B, Kelly R. Detection of Pests and Diseases in Vegetable Crops Using Hyperspectral Sensing: A Comparison of Reflectance Data for Different Sets of Symptoms[M]. Proceedings of SSC 2005 Spatial Intelligence, Innovation and Praxis: The national biennial Conference of the Spatial Sciences Institute, September 2005:10-18.

[17] 吴继友，倪 建. 松毛虫为害的光谱特征与虫害早期探测模式[J]. 遥感学报，1995,10(4):250-258.

[18] 王人潮，陈铭臻，蒋亨显. 水稻遥感估产的农学机理研究 I.不同氮素水平的水稻光谱特征及其敏感波段的选择[J]. 浙江农业大学学报，1993,19(增刊):7-14.

[19] 黄木易，王纪华，黄文江. 冬小麦条锈病的光谱特征及遥感监测[J]. 农业工程学报，2003,19(6):154-158.

[20] 田庆久，宫 鹏，赵春江，等. 用光谱反射率诊断小麦水分状况的可行性分析[J]. 科学通报，2000,45(24):2645-2650.

(责任编辑： 王 海)

Remote Sensing Field Hyperspectrum Characteristics of Four Main Diseases and Insect Pests inLyciumbarbarum

MA Qing, ZHANG Xuejian*

(NingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan,Ningxia750002,China)

The field hyperspectrum characteristics and variation rule of Poratrioza sinica, Aceri macrodonis Keifer, Lema decempunctata Gebler and powdery mildew on the healthy canopy ofL.barbarumin Zhongning County, Ningxia were analyzed by field hyperspectrum remote sensing method to provide the basis for control of diseases and pests inL.barbarumand fill in the blank of spectral characteristics inL.barbarumin China. Results: The canopy infected with different diseases and pests has the specific spectral characteristic rule. The spectral characteristic curve of the healthy canopy is smoothness and its spectral reflectance at red spectral band 700～760 nm and near-infrared band is higher than the infected canopy. The spectral characteristics curve of the canopy infected withP.sinica,A.macrodonisKeifer, and Lema decempunctata Gebler is twisty with more breaks and blue-shifted phenomenon. The spectral characteristics curve of the canopy infected with powdery mildew is flat compared with other three pests but its spectral reflectance at near-infrared band is lower than the healthy canopy. The spectral reflectance of the canopy infected withP.sinicaat red spectral band 700～760 nm and near-infrared band reduces with increase of the harm degree. The spectral reflectance of the canopy infected withA.macrodonisrises at 550～600 nm and 600～700 nm and reduces at 700～760 nm and near-infrared band with increase of the harm degree. The spectral reflectance of the canopy infected withL.decempunctatareduces at 700～760 nm and near-infrared band with increase of the harm degree. The spectral reflectance of the canopy infected with powdery mildew rises at blue band, green band and red band (600～730 nm) and reduces at 730～760 nm and near-infrared band.

Lyciumbarbarum; diseases and insect pests; field hyperspectrum; spectral characteristics; variation rule

2015-05-22； 2015-12-27修回

宁夏回族自治区自然科学基金项目“枸杞病虫害高光谱遥感监测预警技术研究”(NZ14206) ;宁夏农林科学院科技创新先导基金项目“枸杞主要病虫害遥感光谱特征研究”(NKYJ-13-10)

马 菁(1988-)，女，助理研究员，硕士，从事农业遥感研究。E-mail：majingstar@163.com

*通讯作者：张学俭(1965-)，男，研究员，硕士，从事农业3S技术研究。E-mail：13709579808@163.com

1001-3601(2016)03-0114-0065-04

S791.247

A

植物保护·土壤肥料·微生物

Plant Protection·Soil and Fertilizer·Microorganism