水稻叶片高光谱对虫害的敏感性及稻飞虱的为害监测

【摘要】农作物病虫害是影响作物产量的关键因素之一。对病虫害进行早期预警,是控制病虫害蔓延和产量损失的有效方法。高光谱遥感技术以其实时、迅速、无损、准确的特点,有望应用于作物病虫害的监测中。本文以水稻飞虱为对象,采用便携式光谱仪,研究了光谱监测飞虱虫量和为害时间的敏感性,以及基于叶片光谱的白背飞虱和褐飞虱虫量与为害程度的监测方法。获得了以下主要结果：三种稻飞虱为害后稻株的光谱特征表明,随着虫量的增加,稻株光谱反射率均在绿光区和近红外区呈下降趋势,535-567nm和710-1000nm可作为检测稻飞虱为害的敏感波段。稻株苗龄的大小会影响光谱反射率监测飞虱虫量的敏感性,15和25日龄稻苗的光谱反射率可以监测出4头2龄白背飞虱若虫为害4天后的稻株。分蘖期稻株的光谱反射率可监测出4头2龄褐飞虱若虫为害8天后的稻株,或者8头褐飞虱2龄若虫为害6天后的稻株。受稻纵卷叶螟为害后的组合叶片光谱反射率能区分10%大小的卷叶率。由此表现出水稻的光谱反射率对飞虱和稻纵卷叶螟的为害较为敏感。除虫前后的稻株叶片光谱反射率特征表明,水稻受飞虱为害后,在褐飞虱虫量为8头以下的2龄若虫,且为害天数为2天时,分蘖期稻株对褐飞虱的取食能产生一定的补偿作用,表现为叶片光谱指标会高于不接虫的对照稻株。在水稻分蘖期,4头褐飞虱2龄若虫为害8天,或者6头褐飞虱2龄若虫为害6-8天的稻株,在褐飞虱去除后,其光谱特征均可慢慢恢复至健康稻株的水平,但是稻株经6头和8头褐飞虱若虫取食8天后,其生长会受到严重影响,褐飞虱去除后,光谱特征不能恢复到健康稻株水平。褐飞虱8头及以下的2龄若虫为害分蘖期稻株4天时,不同虫量处理下稻株的各光谱参数值与无虫的对照间无显著差异,但除虫4-6天后,8头处理的RVI值和NDVI值显著低于无虫处理,表现出了光谱表征褐飞虱为害的滞后性。对白背飞虱为害分蘖期和孕穗期稻株的倒四叶和整株叶片的光谱反射率进行测定,结果表明,倒四叶的光谱反射率中能表征白背飞虱虫量的敏感波段基本与整株叶片光谱的敏感波段相一致,因此,可以利用倒四叶的光谱反射率来监测水稻受白背飞虱为害的虫量大小。研究了400-1000nm波段内任意两两波段组合下的植被指数(DVI、RVI、NDVI)与白背飞虱虫量间的相关性,结果表明,在稻株受到3-4周的为害后,植被指数与白背飞虱虫量间有显著的相关性。建立的基于光谱植被指数的分蘖期和孕穗期稻株受白背飞虱为害的虫量诊断回归模型的误差分别为15-20%和17-23%。在这些回归模型中,以倒四叶的植被指数回归模型Y=-1381+2134.2DVI500-680+1422RVI862-873-1358.5DVI450-740+1293.8DVI67o-740(R2=0.8173,RMSE=3.198)反映稻株分蘖期受白背飞虱为害2周时的虫量的效果最好,而在孕穗期以稻株全部叶片的植被指数回归模型Y=2913.4-2487.9RVI956-989+545.66NDVI404-973+111.52DVI670-760(R2=0.8313,RMSE=4.522)反映白背飞虱为害4周时的虫量的效果最好。研究了褐飞虱若虫为害分蘖期和孕穗期稻株后的光谱反射率变化,结果表明,分蘖期的倒四叶和整株叶片在400-700nm的反射率与褐飞虱虫量间的相关性是一致的,而在孕穗期则在734-1000nm处的反射率与褐飞虱虫量间的相关性是一致的,可分别利用倒四叶的光谱来监测褐飞虱的虫量。研究了400-1000nm内全部波段组合的植被指数(DVI、RVI、NDVI)与褐飞虱虫量间的相关性,当褐飞虱为害3-4周时,大多数波段组合下的相关性均达到了显著水平。建立了分蘖期和孕穗期褐飞虱为害虫量的植被指数回归模型,模型的诊断误差在两生育期分别为10-25%和20-30%。并且在这些回归模型中,分蘖期稻株受褐飞虱为害3周时,以倒4叶植被指数建立的回归模型Y=18.931+220.45DVI550-680+186.97DVI450-760-370.13DVI680-760(R2=0.8979,RMSE=2.344)反映褐飞虱的数量的效果最好；孕穗期稻株受害后,以为害4周全叶片的植被指数回归模型Y=55.645-112.32NDVI550-680-90.864NDVI450-760+101.15NDVI680-760(R2=0.7370,RMSE=5.645)表征褐飞虱的数量的效果最好。以褐飞虱的接虫量和为害周数的乘积来表征褐飞虱对分蘖期和孕穗期稻株的为害程度,建立了基于植被指数(DVI、RVI、NDVI)的回归诊断模型,模型诊断为害程度(值在0-120之间)的误差在分蘖期和孕穗期分别为15%和17%,并且以分蘖期全叶片植被指数的回归模型Y=78.517-73.298NDVI680-760-1.5338RVI450-760(R2=0.7941,RMSE=10.02)对为害程度的诊断效果最好。
【作者】孙嘉怿；
【导师】刘向东；
【作者基本信息】南京农业大学，农业昆虫与害虫防治，2013，硕士
【关键词】稻飞虱；稻纵卷叶螟；高光谱遥感；反射率；敏感性；监测模型；

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