基於成像高光譜技術的煙草病害監測研究

基於成像高光譜技術的煙草病害監測研究

一
、引言

植zhi物wu病bing害hai的de發fa生sheng是shi一yi個ge動dong態tai的de病bing理li變bian化hua過guo程cheng
，植zhi物wu受shou到dao病bing原yuan生sheng物wu或huo不bu適shi宜yi的de環huan境jing條tiao件jian影ying響xiang後hou，首shou先xian是shi生sheng理li機ji能neng會hui發fa生sheng改gai變bian，接jie著zhe引yin起qi植zhi物wu內nei部bu的de組zu織zhi結jie構gou發fa生sheng變bian化hua，最zui後hou才cai導dao致zhi植zhi物wu外wai部bu形xing態tai的de改gai變bian，即ji症zheng狀zhuang出chu現xian。所suo以yi
，植zhi物wu在zai病bing變bian過guo程cheng中zhong

，其qi化hua學xue成cheng分fen會hui發fa生sheng變bian化hua。

光譜技術由於具有分析速度快、效率高
、成本低等優點，已成為一種快速、 無損的現代分析技術
，廣泛用於植物病害方麵的研究。如馮潔等用多光譜成像技術診斷黃瓜病害；蔣金豹等用高光譜微分指數監測冬小麥病害；陳兵等用高光譜遙感監測棉花黃萎病。多光譜成像技術能同時獲取被測目標的光譜信息和空間信息，可全麵、kuaisutiquzhiwubinghaidexinxi，danbunengzaizhengzhuangchuxianzhiqianzhenduanbinghai。gaoguangpuyaoganjishuzhenduanzhiwubinghaishijiyuzhiwuzaoshoubingchonghaiqinranhou，shengwuhuaxuechengfenhanlianghewaibuxingtaidebianhua，daozhizhiwufansheguangputexingbianhua，ketiqianjiance、識別病害信息。

二、實驗部分

2.1 儀器設備

高光譜成像儀為江蘇雙利合譜科技有限公司自主研發的GaiaField便攜式高光譜成像儀，波段範圍為400 - 1000 nm
，共520個波段，光譜分辨率為4 nm
，圖像分辨率為1392*1040。高光譜采集軟件為SpecView，數據分析軟件為ENVI/IDL。圖1為成像高光譜儀的實景圖。

圖 1  搭載在三腳架上的成像高光譜儀GaiaField

2.2 樣品製備與光譜預處理

煙草樣本由貴州貴陽學院的老師提供。利用成像高光譜儀GaiaFiled獲取煙草的高光譜影像後，分別對高光譜影像數據進行數據的預處理，包括鏡像變換、黑白楨校準和光譜平滑等。

三
、結果與討論

3.1  病斑
、病斑附近煙草與正常煙草的光譜差異分析

     從圖2可知，病斑處煙草的光譜曲線總體趨勢與正常煙草的光譜曲線差異較大
，如正常煙草的綠峰位置在550 nm附(fu)近(jin)，而(er)病(bing)斑(ban)煙(yan)草(cao)在(zai)綠(lv)光(guang)範(fan)圍(wei)內(nei)並(bing)未(wei)形(xing)成(cheng)綠(lv)峰(feng)，反(fan)而(er)在(zai)靠(kao)近(jin)紅(hong)光(guang)範(fan)圍(wei)處(chu)出(chu)現(xian)吸(xi)收(shou)峰(feng)
，這(zhe)說(shuo)明(ming)病(bing)斑(ban)處(chu)的(de)煙(yan)草(cao)已(yi)經(jing)枯(ku)黃(huang)，已(yi)不(bu)含(han)有(you)葉(ye)綠(lv)素(su)或(huo)含(han)有(you)少(shao)量(liang)葉(ye)綠(lv)素(su)；duiyubingbanchufujindeyancao，lvguangquyuyuhongguangquyudelvfengyuhonggujungaoyuzhengchangyancao。wulunshibingbanyancaohaishibingbanfujindeyancao
，qihongbianweizhijunfashenglelanyi
；而且在近紅外範圍內，病斑煙草或病斑附近的煙草，其反射率均高於正常煙草的反射率。

圖2  病斑、病斑附近煙草與正常煙草的光譜曲線圖

3.2  煙草感染病毒後不同時間段的光譜差異

    圖3為煙草感染病毒後，10月30日、11月4日和11月9日相隔5天tian的de原yuan始shi光guang譜pu與yu一yi階jie導dao數shu光guang譜pu曲qu線xian。從cong圖tu中zhong可ke知zhi，隨sui著zhe發fa病bing時shi間jian的de推tui移yi
，綠lv峰feng與yu紅hong穀gu的de光guang譜pu反fan射she率lv值zhi逐zhu漸jian升sheng高gao，這zhe說shuo明ming煙yan草cao的de光guang合he作zuo用yong正zheng在zai減jian弱ruo

，並bing開kai始shi逐zhu漸jian枯ku萎wei。在zai近jin紅hong外wai區qu域yu，煙yan草cao感gan染ran病bing毒du後hou，其qi光guang譜pu反fan射she率lv隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi逐zhu步bu升sheng高gao。從cong一yi階jie導dao數shu光guang譜pu可ke以yi看kan出chu
，煙yan草cao感gan染ran病bing毒du後hou，其qi特te有you的de一yi些xie光guang譜pu特te征zheng並bing沒mei有you消xiao失shi。因yin此ci對dui圖tu像xiang進jin行xing處chu理li時shi，為wei了le避bi免mian高gao光guang譜pu數shu據ju量liang大da
、波段間冗餘信息較多、運算慢等
，可以選擇特征波段進行分析。

圖 3  煙草發病後不同時間段的光譜曲線差異（A：原始光譜
，B為一階導數光譜）

3.3  煙草感染病毒後不同時間段光譜指數的變化曲線

   從圖2可知，煙草感染病毒後
，其光譜曲線變化較大的是綠光與紅光範圍，因此根據圖2的光譜特征曲線，選擇綠光範圍內的550nm，紅光範圍的630nm，運用這兩個波段的光譜反射率構建光譜指數，常用的光譜指數有NDVI
、RVI、DVI、SAVI、OSAVI
、TVI等。本研究運用NDVI指數。觀察煙草幹擾病毒後，隨著時間的變化，其NDVI曲線的變化規律。如圖4所示。從圖4可知
，煙草在感染病毒後，其NDVI(550,630)值逐漸下降。根據相關文獻可知，在NDVI(550,630)在下降到一定程度時，會減緩下降趨勢


，並逐漸趨向於平行橫坐標。

圖 4  煙草感染病毒後不同時間段NDVI(550,630)指數的變化規律

3.4  煙草感染病毒初期NDVI反演圖

圖5為10月30日煙草葉片的NDVI反演圖
，圖中葉莖的黑色區域為病毒感染區域，紫色

、藍色、淡藍色等區域為病毒侵襲區域。

圖 5 感染病毒後煙草葉片的NDVI反演圖

3.5  其他方麵

    煙草在感染病毒後，隨著時間推移，不僅其光譜曲線會發生變化，其化學參數也會隨之變化
，比如含氮量、葉綠素a/b、類胡蘿卜素、含水量等。如需要預測煙草是感染了何種病毒，則需要大量數據進行分析
，少量的數據會對預測結果較大誤差。