ASD FieldSpec 4 Hi-Res光譜儀在稻瘟病發(fā)生時(shí)空動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

水稻作為一種常見(jiàn)的糧食作物，在中國(guó)有著悠久的種植歷史，種植地在南北方皆有分布。為了在有限的耕地上養(yǎng)活日益增長(zhǎng)的人口，科學(xué)家們一直在不斷探索，減少病害，提高稻米產(chǎn)量。

稻瘟病被稱(chēng)為“水稻癌癥”，廣泛分布于世界各稻區(qū)，而且有可能發(fā)病于水稻的各生育期，是一種毀滅性的真菌病害，全球每年因稻瘟病造成的產(chǎn)量損失達(dá)數(shù)千萬(wàn)噸，威脅著全球的糧食安全。

江蘇省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得天獨(dú)厚,素有“魚(yú)米之鄉(xiāng)”的美譽(yù)，作為我國(guó)水稻種植大省，早在古代就流傳著“蘇湖熟，天下足”的諺語(yǔ)，現(xiàn)如今也是我國(guó)南方最大的粳稻生產(chǎn)省份。

來(lái)自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的一組研究團(tuán)隊(duì)，在2018-2021年在江蘇省對(duì)稻瘟病的檢測(cè)展開(kāi)了相關(guān)研究。

 

稻瘟病（RB，由稻瘟病原菌引起）是全球水稻生產(chǎn)中最具破壞性的疾病，其可造成重大產(chǎn)量損失，并日益威脅著全球糧食安全，且這一問(wèn)題在<2公頃的亞洲小農(nóng)系統(tǒng)中更加嚴(yán)重。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，稻瘟病侵染每年引起的水稻產(chǎn)量損失能夠養(yǎng)活全球6000萬(wàn)人。因此，用通用指標(biāo)準(zhǔn)確檢測(cè)稻瘟病的發(fā)生對(duì)于早期病害預(yù)防和蔓延控制至關(guān)重要，但迄今尚未得到解決，且改善這種病害的早期預(yù)警在大多數(shù)亞洲小農(nóng)戶(hù)田塊的可行性和準(zhǔn)確性仍未得到充分實(shí)現(xiàn)�，F(xiàn)有的檢測(cè)RB發(fā)生的方法主要依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)業(yè)人員的目視檢查，這需要較高的時(shí)間和勞動(dòng)成本。

最近，已證明反射光譜在揭示多空間尺度上由病原體侵染引起的復(fù)雜生理和光譜變化方面，以及在早期階段檢測(cè)癥狀方面具有巨大潛力，然而，是否可以開(kāi)發(fā)一種多空間尺度上RB檢測(cè)的通用方法仍然知之甚少，利用衛(wèi)星圖像揭示小農(nóng)戶(hù)田塊稻瘟病擴(kuò)散潛在熱點(diǎn)的研究報(bào)道有限。且現(xiàn)存的病害檢測(cè)模型大多忽略了空間相關(guān)性，在表征病原體侵染的時(shí)間動(dòng)態(tài)方面缺少合理性。

基于此，在本研究中，來(lái)自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的一組研究團(tuán)隊(duì)在2018-2021年以中國(guó)東部的江蘇省3個(gè)地點(diǎn)（以水稻和冬小麥輪作種植為特征的農(nóng)業(yè)平原地區(qū)）為例，進(jìn)行了7個(gè)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展室內(nèi)接種侵染試驗(yàn)、田間自然侵染試驗(yàn)、及實(shí)地調(diào)查測(cè)量，使用ASD FieldSpec 4 Hi-Res光譜儀測(cè)量感染及健康樣品葉片和冠層的光譜反射率�；�于實(shí)測(cè)的高光譜數(shù)據(jù)和哨兵-2圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合線(xiàn)性判別分析（LDA）、簡(jiǎn)單線(xiàn)性回歸及熱點(diǎn)分析，確定兩年（2018年和2019年）中單波段對(duì)健康和感染葉片的可分性、構(gòu)建稻瘟病敏感植被指數(shù)（RIBI）、建立回歸模型以評(píng)估RIBI在不同尺度對(duì)稻瘟病發(fā)生的識(shí)別精度和對(duì)病情指數(shù)（DI）的估算能力、及進(jìn)行RB的時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
 

研究區(qū)和采樣位置；彩色方塊表示采樣點(diǎn)的位置；彩色圓點(diǎn)表示現(xiàn)場(chǎng)采樣點(diǎn)
 

本研究方法流程圖
 

水稻葉片(A)和冠層(B)反射率對(duì)病原菌侵染的響應(yīng)。(A)表示接種后不同天數(shù)收集的健康葉片和RB感染葉片的平均反射率（DAIs），(B)在400-2400nm范圍內(nèi)顯示水稻近冠層反射率
 

【結(jié)果】

在近地冠層尺度上RIBI（A：RIBInir，B：RIBIred）與DI之間的關(guān)系散點(diǎn)圖
 

(A) 基于哨兵-2A數(shù)據(jù)的健康水稻和具有不同病害指數(shù)（DI）的感染植株的冠層光譜特征。

(B)DI與RIBInir（來(lái)自哨兵-2A的664.6 nm、782.8 nm和1614 nm波段）的關(guān)系散點(diǎn)圖。
 

2020年不同天數(shù)（DOY）受侵染（橙色）和健康（綠色）水稻植株之間的RIBInir（a，c）和NDVI（b，d）的雨云圖，位于兩個(gè)地點(diǎn)（第一行：Tangcao，第二行：Taiping）。
 

基于哨兵-2A衛(wèi)星圖像檢測(cè)到的小農(nóng)戶(hù)田塊潛在的RB擴(kuò)散趨勢(shì)的熱點(diǎn)圖
 

【結(jié)論】

本研究構(gòu)建了兩種RIBI，即RIBInir =（R753-R1102）/（R665+R1102）和RIBIred =（R753-R1102）/（R665+R1102），用于健康和受感染葉片的分類(lèi)和疾病指數(shù)的冠層尺度量化。葉片尺度測(cè)量結(jié)果表明，在2018年、2019年及2020年田間條件下，RIBInir和RIBIred在溫室條件下對(duì)感染和健康樣本分類(lèi)的總體準(zhǔn)確性較高(2018：RIBInir: 81.41%;RIBIred:84.62%，2019：RIBInir:81.30%;RIBIred:
90.37%，2020：RIBInir:86.36%;RIBIred:89.39%)。RIBIred對(duì)兩年內(nèi)RB發(fā)生和RB感染發(fā)作的檢測(cè)具有較高的敏感性和特異性。

此外，在多尺度評(píng)估了DI-RIBInir關(guān)系。與傳統(tǒng)的VIs（近地：R2<0.47，衛(wèi)星：R2<0.54）相比，所提出的RIBInir與地面光譜（R2=0.73）和哨兵-2A圖像（R2=0.78）的DI的相關(guān)性更顯著，更強(qiáng)的DI-RIBInir關(guān)系歸因于使用了兩個(gè)近紅外（NIR）波段，這有助于增強(qiáng)由病原體侵染誘導(dǎo)的NIR區(qū)域的獨(dú)特光譜響應(yīng)，與廣泛研究的可見(jiàn)區(qū)域相反。多時(shí)間分析結(jié)果表明，衛(wèi)星衍生的RIBInir（R2=0.78）與DI的相關(guān)性始終強(qiáng)于傳統(tǒng)VIs（R2<0.54），并成功捕獲RB侵染和恢復(fù)的時(shí)間動(dòng)態(tài)。另外，RIBInir和熱點(diǎn)分析的結(jié)合成功地捕捉到了小農(nóng)戶(hù)田塊潛在的稻瘟病擴(kuò)散的田內(nèi)熱點(diǎn)。

總之，本研究擴(kuò)展了葉片對(duì)RB的光譜響應(yīng)，為星載探測(cè)RB的發(fā)生提供了有希望的結(jié)果。且這些結(jié)果支持使用RIBInir和公開(kāi)可獲得的衛(wèi)星圖像來(lái)跟蹤區(qū)域病原體侵染情況，并促進(jìn)亞洲小農(nóng)農(nóng)場(chǎng)關(guān)于病害控制和干預(yù)的決策，為量化野外病害發(fā)生和檢測(cè)潛在熱點(diǎn)提供新的機(jī)遇。

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