基于比值导数法的棉花蚜害无人机成像光谱监测模型研究

作     者：郭伟 乔红波 赵恒谦 张娟娟 裴鹏程 刘泽龙 GUO Wei;QIAO Hong-bo;ZHAO Heng-qian;ZHANG Juan-juan;PEI Peng-cheng;LIU Ze-long

作者机构：河南农业大学信息与管理科学学院河南郑州450002 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 煤炭资源与安全开采国家重点实验室(中国矿业大学)北京100083 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2021年第41卷第5期

页      面：1543-1550页

核心收录：

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 09[农学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0903[农学-农业资源与环境] 0816[工学-测绘科学与技术] 081602[工学-摄影测量与遥感] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

基　　金：国家“十三五”重点研发计划项目(2017YFD0201900) 国家自然科学基金项目(41501481) 河南省科技攻关项目(172102110055)资助 

主　　题：棉花 蚜虫 比值导数法 成像光谱 无人机 

摘      要：蚜虫是棉花的主要害虫之一,我国棉花产量每年因蚜虫危害造成的损失高达5%~10%。田块尺度的棉花蚜害空间分布监测可以辅助精准定量施药,减少环境污染。利用无人机搭载成像光谱仪获取的“图谱合一的遥感数据因其具有分辨率高、时效性高、成本低等优势,可为作物病虫害监测提供了重要数据源。比值导数法模型简洁,运行效率高,结果精确,可以有效的应用于遥感反射率光谱解混处理,提取对目标信息较为敏感的波段,为构建虫害监测模型提供了有效的手段。因此本研究选择棉花典型生产区新疆库尔勒地区为实验区,开展以下工作:(1)以低空无人机搭载成像光谱仪获取棉花蕾期冠层成像光谱影像,结合地面调查数据,获取76个样点光谱数据及蚜害严重度(包含健康植株16个,蚜害严重度1~4级每级选取15个);(2)分析不同蚜害严重度棉花冠层光谱的特征,并利用比值导数法筛选出对蚜害胁迫敏感的光谱波段,分别为514,566和698 nm波段;(3)构建基于三个敏感波段的光谱反射率、比值导数光谱值的一元线性回归和偏最小二乘法的蚜害严重度估测模型。结果表明:(1)蚜害对棉花冠层的光谱反射率有显著影响。棉株受蚜害胁迫越严重,其在可见光区域的反射率越高,近红外波段反射率越低,发生红边区域“蓝移;(2)比值导数法可有效提取蚜害棉花冠层光谱敏感波段,所筛选的514,566和698 nm三个波段与相关系数法所筛选的敏感波段一致;(3)利用敏感波段比值导数光谱值所构建的蚜害严重度估测模型精度优于敏感波段光谱反射率所构建的模型,其中698 nm波段构建的模型精度最佳(R 2=0.597,RMSE=0.91);(4)三个敏感波段的比值导数光谱值所构建的偏最小二乘多元回归模型精度优于单个波段比值导数光谱值所构建的模型(R 2=0.612,RMSE=0.89);(5)基于比值导数法的棉花蚜害无人机成像光谱监测模型可以获取田块尺度的不同严重度蚜害空间分布图,对于精准定量施药有重要的指示意义。