1、引言

中國是最大的棉花生產(chǎn)國家、消費國家和進口國家，也是重要的棉紡織品出口國家，紡織品占棉花產(chǎn)量的95%，2019年，我國棉花種植面積達到333.92萬公頃，總產(chǎn)量達588.9萬噸。新疆是我國棉花主產(chǎn)區(qū)，棉花種植面積達到254.05萬公頃，總產(chǎn)量502萬噸。今后，國家仍將加大投入，加快新疆優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)，以適應國民經(jīng)濟發(fā)展需要，全面鞏固新疆國家優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地的戰(zhàn)略主體地位。據(jù)統(tǒng)計，由于病蟲害的發(fā)生，造成棉花的年平均產(chǎn)量降低15%-20%。其中棉花最嚴重、分布最廣的病害為黃萎病，被稱為“癌癥”。棉花黃萎病廣泛分布于各棉區(qū)，根據(jù)1973年的普查，我國有33千公頃的棉花受到黃萎病的感染，1978年感染面積增大到 566.7千公頃。1982年感染病害面積高達1482千公頃，為總種植面積的31.26%，其中有 130千公頃的病田為純黃萎病發(fā)生病田，占總病害面積的8.7%。近年來，黃萎病發(fā)生 棉田的平均面積達2667千公頃，1993-2003年間，黃萎病發(fā)生情況逐年增加，每年損失皮棉高達8-10萬噸。新疆作為優(yōu)質(zhì)棉花的主要生產(chǎn)基地，棉花黃萎病的發(fā)生情況較為嚴重。根據(jù)新疆植保站調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2008-2018年，新疆阿克蘇植棉區(qū)棉花黃萎病發(fā)病呈現(xiàn)出早、重、快的特點。2018年，新疆主要植棉區(qū)棉花黃萎病普查也顯示，新疆棉 田的50%會出現(xiàn)黃萎病，給當?shù)剞r(nóng)民造成了巨大的經(jīng)濟損失。2019年，新疆棉花病害 發(fā)生面積達到26.9萬公頃，其中，棉花黃萎病發(fā)生面積高達9.3萬公頃。目前遙感在農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測方面技術(shù)成熟，為棉花病害監(jiān)測及防治提供了技術(shù)借鑒。

棉花黃萎病高光譜特征研究

2.1 室內(nèi)盆栽棉花冠層光譜反射率特征

由于大麗輪枝菌侵染棉花是通過根部往上進行侵染，因此一般情況下苗期棉花的黃萎病感染情況并不明顯，黃萎病表現(xiàn)特征不能到達棉花冠層通過肉眼觀測到，因此使用地物光譜儀對苗期棉花黃萎病光譜特征進行測定分析。圖2.1-1為棉花冠層葉片四種表現(xiàn)特征，可以從圖中清楚看出正常棉花和不同程度染病棉花葉片。

圖2.1-1 棉花黃萎病葉片特征

對比未接菌與接菌后棉花冠層的光譜數(shù)據(jù)分析棉花光譜特征。由圖2.1-2對比發(fā)現(xiàn)，接菌棉花光譜反射特征與未接種病害的棉花有明顯差異，在可見光波段（380-780nm）， 未接菌棉花光譜反射率均低于接菌棉花，在近紅外波段（780-1100nm），未接菌棉花光譜反射率高于接菌棉花。

圖2.1-2 接菌與未接菌棉花冠層光譜特征

2.2 不同嚴重度黃萎病棉花冠層光譜反射特征

從2020年5月19號-7月8號，每10天對接菌處理過的棉花植株進行光譜測定，共進行光譜測定5次，其中第一次測定為未接種黃萎病菌的棉花冠層光譜，接菌一周后進行第二次光譜測定。由圖2.2-1可知，隨著病情加重，在可見光波段，光譜反射率呈上升趨勢， 但差別不顯著；近紅外區(qū)則相反，隨著病情加重，光譜反射率呈下降趨勢，未接菌棉花 的冠層近紅外光譜反射率最高，輕度染病棉花冠層次之，最嚴重的棉花冠層光譜反射率最低，變化較為顯著。由此，初步斷定利用棉花冠層的光譜特征可以識別不同病害嚴重度的黃萎病棉花。

圖2.2-1 不同病害嚴重度棉花冠層光譜特征

2.3 棉花黃萎病病害嚴重度敏感波段的提取

棉花冠層光譜反射率曲線在不同嚴重度時形狀相似，只是在波峰波谷時的深淺高低不同，黃萎病棉花冠層光譜有一定的規(guī)律，因此在350-700nm、700-760nm、760-1350nm、 1350-1700nm、1700-2500nm光譜波段范圍選擇相應的病害敏感波段。將測得的原始光譜數(shù)據(jù)及其經(jīng)3種數(shù)學變換處理后的光譜與各級病害度之間進行相關性分析。分析結(jié)果 如圖2.3-1所示。

圖2.3-1 冠層光譜反射率與嚴重度之間的相關性散點圖

分析可知，所選擇光譜范圍內(nèi)，在350-700nm以及760-1350 nm波段區(qū)間，冠層原始光譜反射率與病害嚴重度間達到極顯著相關，能夠作為病害光譜敏感波段區(qū)間，其中380-515nm、600-695 nm光譜波段與病害嚴重度呈極顯著相關，相關系數(shù)達到0.5。730-980nm、1000-1330nm光譜波段與病害嚴重度呈極顯著負相關，相關系數(shù)達到-0.5。均為光譜敏感波段。在對光譜數(shù)據(jù)進行一階微分、二階微分、去包絡線處理后，發(fā)現(xiàn)處理后的數(shù)據(jù)與病害嚴重度也具有相關性，從相關系數(shù)散點圖（圖2.3-1）可以更好地分析出病害敏感波段。分析可得二階微分光譜與去包絡線光譜數(shù)據(jù)與病害嚴重度之間的相關性較低，因此不多贅述。對數(shù)據(jù)進行一階微分處理后，700-740nm、1480-1590 nm波段的一階微分光譜與棉花黃萎病嚴重度呈極顯著負相關，相關系數(shù)可達-0.548，即隨著黃萎病的病情加重，其一階微分冠層光譜反射率隨之減小。1300-1400nm處，棉花黃萎病嚴重度與一階微分光譜反射率呈顯著正相關，即隨著黃萎病的病情加重，其冠層光譜反射率隨之增大。因此一階微分光譜波段中，700-740 nm、1480-1590nm、1300-1400nm為病害光譜敏感波段。由上可知，原始光譜數(shù)據(jù)、一階微分光譜與病害嚴重度具有較好的相關關系，可利用原始光譜與一階微分光譜的相應病害光譜敏感波段，建立病害嚴重度估測模型。

田間棉花黃萎病冠層光譜特征

3.1 田間棉花冠層光譜反射率特征

田間棉花冠層光譜于2019年9月初及2020年9月初，選取相同品種的吐絮期棉花進行光譜測定，共測定2次。由圖3.1-1分析可得大田接菌棉花與未接菌棉花呈現(xiàn)與室內(nèi)棉花光譜相似變化特征。即在可見光波段（380-780 nm），未接菌棉花光譜反射率均低于接菌棉花，在近紅外波段（780-1100 nm），未接菌棉花光譜反射率高于接菌棉花。

圖3.1-1 大田接菌與未接菌棉花冠層光譜特征

3.2 不同棉花黃萎病病害度冠層光譜反射特征

對于病害嚴重程度不同的棉花冠層反射光譜進行分析（圖3.2-1）可知，隨著病情加重，在可見光波段，棉花光譜反射率逐漸上升，但變化不顯著；近紅外波段光譜反射率呈下降趨勢，即未接菌棉花的冠層近紅外光譜反射率最高，輕度冠層近紅外光譜反射率次之，最嚴重的冠層光譜反射率最低，變化較為顯著。因此利用棉花冠層的光譜特征可以識別不同病害嚴重度的黃萎病棉花。

圖3.2-1 田間不同嚴重度棉花冠層反射光譜特征

3.3 病害嚴重度敏感波段的提取

由棉花冠層光譜反射曲線可知，病害不同嚴重度時曲線形狀相似，只是在波峰波谷處的深淺高低不同，因此在350-700nm、700-760nm、760-1350nm、1350-1700nm、 1700-2500nm波段范圍內(nèi)進行病害敏感波段選擇。將測得的棉花冠層光譜反射率和不同嚴重度進行相關性分析，結(jié)果如圖3.3-1所示。所選擇光譜范圍內(nèi)，在350-700nm以及 720-1350nm區(qū)間棉花冠層原始光譜反射率與病害嚴重度間達到極顯著相關，為棉花黃萎病光譜敏感波段區(qū)間，其中380-515nm、600-695nm波段與病害嚴重度呈極顯著相關， 相關系數(shù)達到0.79。730-980nm、1000-1330 nm波段與病害嚴重度呈極顯著負相關，相關系數(shù)達到-0.78。均為光譜敏感波段。

圖3.3-1 棉花冠層反射率與嚴重度之間的相關性散點圖

在對原始光譜數(shù)據(jù)進行一階微分、二階微分、去包絡線處理后，發(fā)現(xiàn)處理后的數(shù)據(jù)與病害嚴重度也具有顯著相關性，相關系數(shù)散點圖如圖3.3-1，得到不同數(shù)據(jù)處理方法下病害嚴重度的敏感波段。

對數(shù)據(jù)進行去包絡線處理后發(fā)現(xiàn)，在可見光波段，棉花黃萎病嚴重度與冠層光譜反射率呈極顯著正相關，即隨著黃萎病的病情加重，其冠層光譜反射率隨之增大，380-780nm為棉花黃萎病光譜敏感波段區(qū)間，其中380-600nm、615-695 nm波段與病害嚴重度相 關系數(shù)達到0.8。對數(shù)據(jù)進行一階微分處理后發(fā)現(xiàn)，在700-740nm、1480-1590nm波段，棉花黃萎病 嚴重度與冠層光譜反射率呈極顯著負相關，相關系數(shù)達到-0.75，即隨著黃萎病的病情加重，其冠層光譜反射率隨之減小。1300-1400nm處的冠層光譜反射率與病害嚴重度呈極顯著正相關，相關系數(shù)達到0.8，即隨著病情的加重，冠層光譜反射率隨之增大。因此700-740 nm、1480-1590nm、1300-1400nm為光譜敏感波段。對數(shù)據(jù)進行二階微分處理后發(fā)現(xiàn)，在1359-1504nm處，棉花黃萎病嚴重度與冠層光譜反射率呈極顯著負相關，相關系數(shù)達到-0.8。即隨著黃萎病的病情加重，其冠層光譜反射率隨之減小。因此二階微分的數(shù)據(jù)中，1359-1504nm為光譜敏感波段。由上可知，利用一階微分、二階微分、去包絡線等方法對田間原始光譜數(shù)據(jù)進行處理后，得到的一階微分光譜、二階微分光譜、去包絡線光譜均與病害嚴重度具有相關關系，分析得出病害光譜敏感波段，從而建立相應的棉花黃萎病病害嚴重度估測模型。

討論和結(jié)論

將正常棉花和接病棉花進行光譜測定后發(fā)現(xiàn)，兩者之間的光譜特征差異表現(xiàn)明顯。在可見光波段（380-780nm），未接菌棉花光譜反射率均低于接菌棉花，在近紅外波段 （780-1100nm），未接菌棉花光譜反射率高于接菌棉花。因此通過進行光譜特征分析， 可以初步斷定棉花是否感染黃萎病。對于不同發(fā)病情況的黃萎病棉花，隨著病情加重，在可見光波段，光譜反射率呈上升趨勢，但差別不顯著；近紅外區(qū)則相反，隨著病情加重，光譜反射率呈下降趨勢，未接菌棉花的冠層近紅外光譜反射率最高，最嚴重的棉花冠層光譜反射率最低，變化較為顯著。由此，初步斷定利用棉花冠層的光譜特征可以識別不同病害嚴重度的黃萎病棉花。通過相關性分析，將與病害嚴重度相關性最高的光譜敏感波段篩選出來，作為光譜參數(shù)，建立相應的病害嚴重度估測模型。

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