田間小麥白粉病發(fā)病程度的快速監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種普適性好、準(zhǔn)確度高且實(shí)用性強(qiáng)的田間小麥白粉病發(fā)病程度的快速監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建方法。包括下列步驟：（1）信息采集；（2）確立修正型病情指數(shù)mDI；（3）確立敏感波段區(qū)域；（4）構(gòu)建綠光雙波段指數(shù)；（5）確定最優(yōu)波段組合；（6）建立監(jiān)測(cè)模型；（7）檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。本發(fā)明構(gòu)建了精度高、普適性好的小麥白粉病發(fā)生程度監(jiān)測(cè)模型，該監(jiān)測(cè)模型的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，對(duì)不同試驗(yàn)系統(tǒng)、不同品種、不同感病水平下小麥白粉病監(jiān)測(cè)具有較高的精度和準(zhǔn)確性，促進(jìn)了基于光譜分析技術(shù)的作物病害精確防控的廣泛應(yīng)用，為遙感技術(shù)在精確農(nóng)業(yè)中的直接應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
【專利說明】田間小麥白粉病發(fā)病程度的快速監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)模型的 構(gòu)建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)植被生長信息無損監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種田間小麥白粉病 發(fā)病程度的快速監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 小麥白粉病是一種世界性病害，在各主要產(chǎn)麥國均有分布。在我國隨著矮桿品種 推廣和水肥條件改善，白粉病發(fā)病面積和范圍不斷擴(kuò)大，并多次流行成災(zāi)，我國自1980年 以來發(fā)生2次小麥白粉病大流行，例如，1990年全國冬麥區(qū)受害面積達(dá)1. 7億畝，平均減產(chǎn) 10%以上，尤其河南省白粉病發(fā)病面積占小麥播種面積的50%，產(chǎn)量損失近40萬噸。因此， 白粉病已成為我國小麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的主要災(zāi)害制約因素之一。
[0003] 小麥白粉菌侵染和發(fā)生與環(huán)境溫度、濕度及光照等密切相關(guān)，氣象條件是制約其 發(fā)生流行程度的決定因素，如遇秋冬季及早春氣溫偏高，則小麥春季發(fā)病時(shí)期提前；抽穗后 陰雨日多，日照少，也會(huì)導(dǎo)致發(fā)病流行。此外，白粉病也受栽培措施的顯著影響，播期、氮肥 和種植密度等對(duì)病情指數(shù)的影響依次減弱，但與藥劑防治相比，通過優(yōu)化栽培管理防病作 用還很有限。目前，使用殺菌劑是生產(chǎn)上防治白粉病的最重要手段之一。生產(chǎn)中常常存在 農(nóng)藥施用時(shí)期不當(dāng)導(dǎo)致防治效果嚴(yán)重降低，或者施用過量對(duì)作物產(chǎn)生毒害，嚴(yán)重影響糧食 食品安全的問題。同時(shí)，農(nóng)藥使用不科學(xué)還會(huì)造成嚴(yán)重的土壤、大氣及水體等環(huán)境污染，在 防治靶標(biāo)生物的同時(shí)，往往也會(huì)誤殺大量天敵，此外還對(duì)周圍生物群落產(chǎn)生較大程度影響， 嚴(yán)重時(shí)可破壞生態(tài)平衡。因此，及早發(fā)現(xiàn)作物病害發(fā)生，精確監(jiān)測(cè)病害發(fā)生程度，對(duì)早識(shí)別 早防控，適時(shí)適量用藥，降低產(chǎn)量損失和品質(zhì)劣變，減少農(nóng)藥施用和支出成本，保護(hù)生態(tài)環(huán) 境等方面具有十分重要的意義。白粉病的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法主要依靠人工田間調(diào)查，不僅耗時(shí) 耗力，而且時(shí)效性差、準(zhǔn)確度受主觀意識(shí)影響。因此，研究一種快速、無損和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì) 于精確防控病害具有重要意義。
[0004] 白粉菌是一種活體寄生菌，感染植株后葉面覆蓋白粉狀霉層，葉肉細(xì)胞破壞，水分 和葉綠素含量降低，葉片黃化干枯。病害植株形態(tài)和生理的變化也導(dǎo)致相應(yīng)光譜的改變，這 為應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行小麥白粉病的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了可能。早在20世紀(jì)20?30年代已開 始棉花根腐病、馬鈴薯?xiàng)l銹病以及煙草花葉病等病害的光譜特征研究，逐步明確了不同作 物病蟲危害光譜識(shí)別的敏感波段主要位于可見光和近紅外波段，其最佳敏感波段因作物和 病害種類不同而差異。小麥白粉病癥狀主要集中在植株中下部，而冠層光譜主要受中上層 葉片影響，因此，冠層光譜與病情指數(shù)關(guān)系較差，所篩選出的敏感波段及植被指數(shù)不明確， 這嚴(yán)重影響了對(duì)該病害的早期識(shí)別及防治。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種普適性好、準(zhǔn)確 度高且實(shí)用性強(qiáng)的田間小麥白粉病發(fā)病程度的快速監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 設(shè)計(jì)一種田間小麥白粉病發(fā)病程度監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建方法，包括下列步驟： (1) 信息采集：按常規(guī)方法分別采集小麥白粉病不同發(fā)病區(qū)域內(nèi)的不同生長時(shí)期小麥 冠層高光譜信息，再采用常規(guī)的五步平滑方法對(duì)光譜曲線進(jìn)行平滑處理；與光譜信息采集 同步，對(duì)應(yīng)的按照常規(guī)方法調(diào)查該區(qū)域的小麥白粉病嚴(yán)重度以及葉面積，得到傳統(tǒng)病情指 數(shù)cDI和葉面積指數(shù)LAI ; (2) 確立修正型病情指數(shù)mDI :傳統(tǒng)病情指數(shù)cDI除以對(duì)應(yīng)調(diào)查區(qū)域的葉面積指數(shù)LAI， 得到單位葉面積下病情指數(shù)的大小，用修正型病情指數(shù)mDI來表示：mDI=cDI/LAI ; (3) 確立敏感波段區(qū)域：分析隨著修正型病情指數(shù)mDI的增加，在可見光波段350?710 nm內(nèi)光譜反射率隨之變化的情況，得到敏感波段區(qū)域在500?600 nm之間； (4) 構(gòu)建綠光雙波段指數(shù)：由下式計(jì)算得出綠光雙波段指數(shù)GRVI:

【權(quán)利要求】
1. 一種田間小麥白粉病發(fā)病程度監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建方法，其特征在于，包括下列步驟： (1) 信息采集：按常規(guī)方法分別采集小麥白粉病不同發(fā)病區(qū)域內(nèi)的不同生長時(shí)期小麥 冠層高光譜信息，再采用常規(guī)的五步平滑方法對(duì)光譜曲線進(jìn)行平滑處理；與光譜信息采集 同步，對(duì)應(yīng)的按照常規(guī)方法調(diào)查該區(qū)域的小麥白粉病嚴(yán)重度以及葉面積，得到傳統(tǒng)病情指 數(shù)cDI和葉面積指數(shù)LAI; (2) 確立修正型病情指數(shù)mDI:傳統(tǒng)病情指數(shù)cDI除以對(duì)應(yīng)調(diào)查區(qū)域的葉面積指數(shù)LAI， 得到單位葉面積下病情指數(shù)的大小，用修正型病情指數(shù)mDI來表示：mDI=cDI/LAI; (3) 確立敏感波段區(qū)域：分析隨著修正型病情指數(shù)mDI的增加，在可見光波段350?710 nm內(nèi)光譜反射率隨之變化的情況，得到敏感波段區(qū)域在500?600nm之間； (4) 構(gòu)建綠光雙波段指數(shù)：由下式計(jì)算得出綠光雙波段指數(shù)GRVI:
其中，兄X1和兄X2分別為健康小麥冠層光譜Xlnm和X2nm波段處反射率， 入1和X2分別為白粉病菌侵染小麥的冠層光譜Mnm和X2nm波段處反射率，M和 入2位于敏感波段區(qū)域500?600nm內(nèi)； (5) 確定最優(yōu)波段組合：將綠光雙波段指數(shù)GRVI與步驟（2)所得的對(duì)應(yīng)的小麥白粉病 修正型病情指數(shù)mDI進(jìn)行相關(guān)性分析，采用高光譜數(shù)據(jù)減量精細(xì)采樣算法，取相關(guān)性最高 時(shí)的兩個(gè)波段，確定為入lnm和X2nm; (6) 建立監(jiān)測(cè)模型：根據(jù)不同生長時(shí)期的小麥白粉病修正型病情指數(shù)mDI與綠光雙波 段指數(shù)GRVI之間的定量關(guān)系，構(gòu)建出如下對(duì)應(yīng)的小麥白粉病發(fā)生程度監(jiān)測(cè)模型： Y=aXGRVIb，其中，Y為小麥白粉病嚴(yán)重度，GRVI為綠光雙波段指數(shù)，a為系數(shù)，b為常 數(shù)項(xiàng)，且a、b的值經(jīng)由回歸方式求得。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的田間小麥白粉病發(fā)病程度監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建方法，其特征在 于，在步驟（6)之后還包括： 步驟（7)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停菏褂锚?dú)立年份小麥試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試與檢驗(yàn)步驟（6)所述小麥白粉病 發(fā)生程度監(jiān)測(cè)模型的準(zhǔn)確性和普適性，采用復(fù)相關(guān)系數(shù)，、均方根差RMSE和相對(duì)誤差RE對(duì) 其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其中RMSE和RE的計(jì)算公式如下：
其中4為試驗(yàn)中小麥白粉病嚴(yán)重度實(shí)測(cè)的修正型病情指數(shù)為監(jiān)測(cè)模型估測(cè)的 小麥白粉病嚴(yán)重度值，n為模型測(cè)試檢驗(yàn)樣本數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的田間小麥白粉病發(fā)病程度監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建方法，其特征在 于，步驟（1)中小麥冠層高光譜信息測(cè)量采用野外高光譜輻射儀，波段值為350?1100nm， 光譜米樣間隔為1.4nm，光譜分辨率為3nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的田間小麥白粉病發(fā)病程度監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建方法，其特征在 于， 步驟（1)中傳統(tǒng)病情指數(shù)cDI和葉面積指數(shù)LAI的測(cè)定方法為：與光譜信息采集同步， 在光譜測(cè)量的位置約〇. 6m2范圍內(nèi)選取20株小麥，利用正方形網(wǎng)格計(jì)算小麥葉片發(fā)病面 積占葉片總面積的百分比來表示嚴(yán)重度，嚴(yán)重度分為9個(gè)梯度等級(jí)，即0、1%、10%、20%、30%、 45%、60%、80%和100%，人工記錄各嚴(yán)重度的小麥葉片數(shù)，得到傳統(tǒng)病情指數(shù)cDI計(jì)算公式如 下：
式中，z為各梯度的級(jí)值，《為最高梯度值9，/為各梯度的葉片數(shù)； 對(duì)每小區(qū)所取20株小麥，按器官分離，量取各葉片面積，計(jì)算葉面積指數(shù)LAI。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的田間小麥白粉病發(fā)病程度監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建方法，其特征在 于，在步驟（5)中，當(dāng)綠光雙波段指數(shù)GRVI在敏感波段區(qū)域500?600nm內(nèi)間隔lnm的步 長變化下，計(jì)算其所對(duì)應(yīng)的綠光雙波段指數(shù)GRVI的值，并與步驟（2)所得的對(duì)應(yīng)的修正型 病情指數(shù)mDI進(jìn)行相關(guān)性分析，得出當(dāng)Al=585nm和A2=550nm時(shí)，綠光雙波段指數(shù)GRVI 與小麥白粉病嚴(yán)重度的相關(guān)性最_，^"=898***，/7=146,進(jìn)而得到：
其中，兄6/585和7^,550分別為健康小麥冠層光譜585nm和550nm波段處的反射率， &is585和&is550分別為白粉病菌侵染小麥的冠層光譜585nm和550nm波段處反射率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的田間小麥白粉病發(fā)病程度監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建方法，其特征在 于，適用于黃淮區(qū)域的小麥從拔節(jié)后期到灌漿期的小麥白粉病發(fā)病程度監(jiān)測(cè)模型為： Y= 5. 3166XGRVI10-529〇
7. -種田間小麥白粉病發(fā)病程度的快速監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括下列步驟： (a) 信息采集：先按常規(guī)方法采集待測(cè)田塊中的小麥冠層高光譜信息，再以常規(guī)的五步 平滑方法對(duì)光譜曲線進(jìn)行平滑處理； (b) 計(jì)算綠光雙波段指數(shù)GRVI:根據(jù)步驟（a)所得的高光譜信息，按照權(quán)利要求1所述 步驟（3 )、（ 4 )、（ 5 )計(jì)算出待測(cè)田塊中的小麥冠層綠光雙波段指數(shù)GRVI; (c) 計(jì)算小麥白粉病嚴(yán)重度：根據(jù)權(quán)利要求1所建立的小麥白粉病發(fā)生程度監(jiān)測(cè)模型 計(jì)算出待測(cè)田塊中的小麥白粉病嚴(yán)重度Y:Y=aXGRVIb，其中，Y為小麥白粉病嚴(yán)重度，GRVI 為綠光雙波段指數(shù)，a為系數(shù)，b為常數(shù)項(xiàng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的田間小麥白粉病發(fā)病程度的快速監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所 述步驟（a)中小麥冠層高光譜信息測(cè)量采用野外高光譜輻射儀，波段值為35(T1100nm，光 譜采樣間隔為1. 4nm，光譜分辨率為3nm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的田間小麥白粉病發(fā)病程度的快速監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，步 驟（b)中，
其中，兄6/585和7^,550分別為健康小麥冠層光譜585nm和550nm波段處的反射率， &is585和&is550分別為白粉病菌侵染小麥的冠層光譜585nm和550nm波段處反射率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的田間小麥白粉病發(fā)病程度的快速監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，適 用于黃淮區(qū)域的小麥從拔節(jié)后期到灌漿期的小麥白粉病發(fā)病程度監(jiān)測(cè)方程為： Y= 5. 3166XGRVI10-529〇
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104408307SQ201410685108
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】馮偉, 李曉, 王曉宇, 韓巧霞, 康國章, 郭天財(cái) 申請(qǐng)人:河南農(nóng)業(yè)大學(xué)