高光谱成像技术对胁迫状态下小麦叶片的分析

由于高光谱成像具有图谱合一的优势，可以精确到叶片上一个点去探测作物不同胁迫症状的特征，又可获取受胁迫作物面状的光谱信息，点面结合地综合 反映作物遭受胁迫的程度。所以，高光谱成像已经成为国内外研究的热点。目前，学者们利用高光谱成像技术定量化地提取作物所遭受的各种胁迫特征，根据高分辨 率的图像对叶片及叶片的局部区域进行分析，最终定性其遭受胁迫的程度，从而在更加微观的尺度上进行机理探测研究。利用美国SOC公司的 SOC710/SOC730高光谱成像光谱仪，可采集遭受养分、病虫害胁迫下的小麦叶片的高光谱图像，采用逐像素平均法增强光谱特征，然后对不同叶位的叶 片光谱特征，不同病害、虫害胁迫的叶片光谱特征进行提取分析，为高光谱成像技术用于作物各种胁迫诊断提供理论探索。

一、养分胁迫下叶片(不同叶位叶片)光谱特征提取与分析

根据作物的生长发育规律，不同叶位叶片的养分会在层次上出现差异，同时，叶片的光谱信息也会不同。本文从叶片高光谱图像上提取不同叶位叶片面状的光 谱信息，目的是消除叶片因光照分布不均造成的点状数据误差，更准确地探查作物垂直梯度上因养分缺失引起的光谱差异。在可见光波段，下层叶片的反射率最高， 中层次之，上层最低，尤其住550～650nm的红绿波段表现明显;其次，在680nrn附近出现吸收谷，下层和中上层差异较大;700～760nm波段 为植被特有的红边特征，中上层叶片因长势状况良好，所以红移，而下层叶片因养分缺失而发黄，红边向蓝波方向移动。造成上述光谱特征差异的主要原因是叶片中 叶绿素含量不同所致。这和前人的研究结果一致，即叶绿素含量是解析光谱变化的敏感因子，可见光波段以叶绿素a，叶绿素b在蓝绿光区的强反射与红光区的慢吸 收为特征。

780~900nm的近红外波段与可见光波段正好相反。中上层叶片生命力旺盛，细胞结构完好，光在叶片内部形成多次散射，所以反射率值高;而下层叶 片养分缺失变黄，叶绿素含量降低，细胞结构发生变化，致使其反射率明显低于中上层。这与在不同施肥处理下的研究结果一致，即近红外波段主要以叶片细胞结构 引起的多次散射差异为判断标准。

综上所述，本研究利用SOC710便携式可见-近红外成像光谱仪对不同的叶位的叶片养分胁迫进行诊断时，既可以提取不同叶位叶片的高光谱差异，还可以根据成像图直观地进行视觉判断，这为作物养分胁迫的准确诊断提供了有利的手段。

二、白粉病胁迫下叶片光谱特征提取与分析

因叶片的高光谱立方体包含二维的图谱信息，所以图像上的每个像素在波段区间都有连续的光谱信息，这对于作物遭受病害胁迫时的定量定性分析具有独特的 优势。借助SOC710高光谱成像光谱仪在近地观测时具有高空间分辨率的特点，可定量的研究病斑的数量和感染面积对叶片造成的影响。在可见光波段，作物的 光谱性质主要受叶绿素含量的影响。正常的叶片会出现550nm的反射峰和680nm的吸收谷。感染白粉病后，叶片中的叶绿素含量降低，直观表现为浅黄和白 色，在阳光照射下，吸收值减少，所以反射值更高。在780~900nm近红外波段，叶片正常部分的光谱反射强度与病斑部分的反射强度有明显差异，但不同病 斑数之间的差异较可见光部分缩小。总体规律为正常(0%)>轻度(5%)>q1度(15%)>重度(30%)>严重(50%)， 与可见光正好相反。这是由于叶片在近红外波段的光谱特性由叶片内部的细胞结构决定，正常叶片内的细胞会对光形成多次散射，因而反射率较高，而白粉病影响也 叶片的内部结构，所以反射率值降低。

三、蚜虫胁迫下叶片的光谱特征提取与分析

SOC710VP可见-近红外成像光谱仪可以对蚜虫群体甚至单个蚜虫的光谱进行提取分析，这为定量研究蚜虫对小麦叶片的危害提供了新的手段。正常叶 片在680nm处的红光波段有最显著的吸收谷，附着蚜虫和破坏后的叶片次之，蚜虫也有相似光谱。正常叶片在近红外波段反射率值最高，受破坏叶片和有蚜虫的 叶片次之，说明正常叶片内部细胞结构正常，形成多次反射，所以反射值最高。蚜虫反射率随波段增加而逐渐升高，但低于遭受虫害前后叶片的反射率值。

正常叶片和受蚜虫破坏叶片的反射率在450~500nm，560~680nm，750~900nm波段有明显差异，可作为判断遭受蚜虫胁迫的识别波 段。有蚜虫的叶片和受蚜虫破坏后的叶片反射率相差不大，可以把二者统称为作物遭受虫害的胁迫状态。在450~700nm波段，蚜虫反射率都最高，但还表现 为550nm反射峰，680nm的吸收谷，说明叶片或多或少都有一定的贡献;可是在700~780nm的红边位置，明显和绿色植物光谱特征有别，所以也可 以把红边作为判断蚜虫病害的特征区域。

四、讨论

农作物的自然生长是一种动态的过程，影响其生长发育的胁迫是多样与复杂的，我们首先去除其他影响因素从单叶尺度着手研究，目的是寻找影响其变化的敏感波段，然后构建养分诊断、病虫害预警预测模型，进而在大田尺度进行验证，才能真正用于精准农业的生产管理。

作物遭受胁迫影响时，会表现出不同的光谱响应，而捕捉敏感的光谱差异是利用遥感研究的基础。在图谱合一的数据立方体上，既获得了点状的病斑、蚜虫光 谱信息，又提取了受其感染后的面状叶片信息，点面结合，更详尽的解释叶片遭受胁迫后的光谱变化特征。这是成像光谱仪近地应用的优势。