無(wú)人機(jī)遙感在稻縱卷葉螟危害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

一、前言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)依賴于農(nóng)業(yè)信息的快速獲取和分析。無(wú)人機(jī)低空遙感是一種新興的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、時(shí)空分辨率高、圖像和空間信息同步獲取等顯著優(yōu)點(diǎn)。無(wú)人機(jī)低空遙感使用傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)作為空中平臺(tái)來(lái)攜帶各種傳感器有效載荷，包括數(shù)碼相機(jī)和多光譜、高光譜高分辨率航空成像相機(jī)。無(wú)人機(jī)導(dǎo)航和避障技術(shù)的進(jìn)步以及模塊化、輕型傳感器有效載荷的開發(fā)使實(shí)時(shí)目標(biāo)定位成為可能。一些機(jī)載軟件的決策輔助進(jìn)一步支持它們?cè)诰珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。操作靈活、時(shí)效性強(qiáng)、影像空間分辨率更高、運(yùn)營(yíng)成本更低等關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)拓寬了無(wú)人機(jī)低空遙感在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用范圍。

二、試驗(yàn)區(qū)和實(shí)驗(yàn)方法

2.1實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)大田位于中國(guó)江蘇省南京市浦口區(qū)的高標(biāo)準(zhǔn)稻田示范區(qū)內(nèi)，地理經(jīng)緯度為：118°29′-118°30′E31°52′-31°53′N。該地區(qū)位于長(zhǎng)江北岸，屬于亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，年均降水量達(dá)1200mm以上，無(wú)霜期長(zhǎng)，年平均日照時(shí)長(zhǎng)2150h。夏季為水稻主要生長(zhǎng)季，最高氣溫超過35℃。

圖1試驗(yàn)區(qū)地理位置信息（A區(qū)為未防治田，B區(qū)為防治田）

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究開展了連續(xù)兩年的大田水稻試驗(yàn)，選取的兩處試驗(yàn)稻田均位于長(zhǎng)江邊的高標(biāo)準(zhǔn)示范田區(qū)域內(nèi)，其中一處作為防治田，面積約為24畝（共15800m2），在水稻生長(zhǎng)期內(nèi)，按照田間管理要求進(jìn)行稻縱卷葉螟的防治；另一處試驗(yàn)田（面積約6660m2）與防治田直線距離約700m，在水稻生長(zhǎng)期內(nèi)，除了不進(jìn)行稻縱卷葉螟的農(nóng)藥防治以外，其他施肥、除草等田間管理措施與防治田一致。兩處試驗(yàn)田均選擇了平坦開闊，四周無(wú)高壓電線、高大樹木、信號(hào)塔等影響無(wú)人機(jī)飛行的水稻田，同時(shí)，稻田旁邊具有方便無(wú)人機(jī)起降的平坦、無(wú)障礙物、無(wú)雜草的硬質(zhì)地面。兩處試驗(yàn)田內(nèi)水稻品種均為南粳-46，其中，2021年的播種時(shí)間為6月1日，在6月30日移栽，栽插密度為33穴/m2；2022年播種時(shí)間為5月25日，于一個(gè)月后移栽，時(shí)間為6月25日前后，水稻栽種間距為15cm，行間距約30cm。兩年的試驗(yàn)觀測(cè)于7-9月進(jìn)行，期間根據(jù)水稻生長(zhǎng)情況和稻縱卷葉螟遷飛、繁殖情況安排地面觀測(cè)和無(wú)人機(jī)觀測(cè)。2021年共開展9次實(shí)驗(yàn)觀察，其中返青期觀測(cè)1次，分蘗期觀測(cè)了2次，拔節(jié)期觀測(cè)2次，孕穗期1次，抽穗揚(yáng)花期1次，灌漿期1次和乳熟期1次；2022年共開展了10次觀測(cè)，返青期、孕穗期、抽穗期、灌漿期和乳熟期各進(jìn)行了1次觀測(cè)，分蘗期觀測(cè)3次，拔節(jié)期2次。每次開展觀測(cè)都選擇天氣晴朗、風(fēng)速小（小于5.5m/s），云量小的時(shí)間，有利于開展水稻冠層高光譜數(shù)據(jù)的觀測(cè)和無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的采集。實(shí)驗(yàn)中對(duì)未防治田進(jìn)行小區(qū)劃分，共9個(gè)小區(qū)，小區(qū)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)且均勻地選取5個(gè)點(diǎn)作為地面數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，同時(shí)用做了顏色標(biāo)記區(qū)分的桿子做標(biāo)記，并使用亞米級(jí)差分GPS測(cè)量?jī)x收集這些樣點(diǎn)和兩處試驗(yàn)田四周邊界的經(jīng)緯度坐標(biāo)，以便后期進(jìn)行無(wú)人機(jī)圖像的幾何校正和感興趣區(qū)域的提取。在防治田區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取6個(gè)樣點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。

2.3觀測(cè)試驗(yàn)內(nèi)容及方法

水稻冠層高光譜數(shù)據(jù)采用地物光譜儀進(jìn)行采集，冠層光譜數(shù)據(jù)的采集選在天氣晴朗（或云）、無(wú)風(fēng)或微風(fēng)時(shí)進(jìn)行，時(shí)間范圍為每天10:00-14:00，該時(shí)間段的太陽(yáng)高度角變化對(duì)儀器造成的影響較小。在每個(gè)樣點(diǎn)水稻的正上方，用地物光譜儀的探頭距離水稻冠層約0.5m處垂直向下進(jìn)行觀測(cè)。單個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次，每次存儲(chǔ)5條曲線，計(jì)算15條曲線的平均值作為該樣點(diǎn)的冠層光譜反射率測(cè)量值。在試驗(yàn)過程中，為減少太陽(yáng)高度角的變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)員每隔10min使用白板對(duì)儀器進(jìn)行一次校正。其中近紅外波段僅使用波長(zhǎng)1050nm的光譜數(shù)據(jù)，波長(zhǎng)更長(zhǎng)的部分由于大氣水分吸收等原因而存在較大波動(dòng)，因而未加入后面的數(shù)據(jù)分析中。

三、大田水稻生長(zhǎng)特征參數(shù)和光譜參數(shù)的變化

葉綠素相對(duì)含量和葉面積指數(shù)是監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)情況的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，研究這兩個(gè)指標(biāo)與水稻生長(zhǎng)發(fā)育之間的聯(lián)系，對(duì)于進(jìn)一步研究水稻受到稻縱卷葉螟危害后葉綠素相對(duì)含量和葉面積指數(shù)的變化，把握水稻受蟲害后的生長(zhǎng)趨勢(shì)、及時(shí)采取防控措施具有重要意義。

3.1受蟲害水稻不同生育期的生長(zhǎng)特征參數(shù)動(dòng)態(tài)變化

將2021-2022年采集的不同生育期大田水稻生長(zhǎng)特征參數(shù)SPAD、LAI以及稻縱卷葉螟危害指標(biāo)（卷葉率）數(shù)據(jù)繪制成箱線圖，比較2021年和2022年的分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期和抽穗期四個(gè)生育期的葉綠素含量和葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)變化以及同期卷葉率變化特征。

圖2.1（a）水稻葉綠素相對(duì)含量SPAD

2021年非防治田的水稻葉綠素相對(duì)含量呈現(xiàn)先增加后減少再增加的變化情況（見圖2.1a），其中，孕穗期的水稻葉片葉綠素相對(duì)含量平均值最小，拔節(jié)期和抽穗期的平均值都較高,分蘗期居中；比較四個(gè)時(shí)期的葉綠素相對(duì)含量數(shù)分布情況可知，拔節(jié)期的數(shù)據(jù)波動(dòng)最大，孕穗期次之；分蘗期和抽穗期的中位數(shù)線接近于箱體的中間位置，相較于拔節(jié)期和孕穗期的數(shù)據(jù)分布相對(duì)均衡，拔節(jié)期的中位數(shù)線偏低，說(shuō)明該時(shí)期大田水稻的葉綠素相對(duì)含量整體較小；此外，在分蘗期收集到的葉綠素相對(duì)含量數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的異常值較多，結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)的日期分析，推測(cè)是由于該時(shí)期的水稻雖然大部分受到了稻縱卷葉螟的危害，但仍有部分樣點(diǎn)的水稻并未受到侵害。2022年的葉綠素相對(duì)含量的變化較小，主要呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，其中，拔節(jié)期的葉綠素相對(duì)含量平均值最大，抽穗期的最小；

拔節(jié)期的葉綠素相對(duì)含量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，抽穗期最??；分蘗期相較于另外三個(gè)生長(zhǎng)階段的數(shù)據(jù)分布更均衡。比較2021年和2022年的葉綠素相對(duì)含量變化情況可知，2022年的葉綠素相對(duì)含量數(shù)據(jù)整體比2021年的波動(dòng)小，數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，分布也更均衡；2022年的四個(gè)生育期的中位數(shù)均比2021年更大，更接近同時(shí)期的平均值。

圖2.1（b）葉面積指數(shù)LAI

葉面積指數(shù)同樣是判斷植物生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)，它能反映作物群體葉面積變化，是反映作物長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量潛力的重要參數(shù)[93]。分析2021年和2022年非防治田的水稻葉面積指數(shù)的箱線圖（見圖2.1b）可知，2021年水稻葉面積指數(shù)隨著生育期呈現(xiàn)先增加后減少再增加的變化過程，與葉綠素相對(duì)含量的變化情況一致。

其中，2021年的孕穗期數(shù)據(jù)波動(dòng)最小，數(shù)據(jù)較集中，分蘗期和抽穗期的數(shù)據(jù)則波動(dòng)較大；除孕穗期外，其他三個(gè)生育期的葉面積指數(shù)的中位數(shù)均接近箱體的中間，表示這三個(gè)生育期的葉面積指數(shù)的分布都比較集中，接近正態(tài)分布，同時(shí)中位數(shù)與平均值接近，說(shuō)明整體數(shù)據(jù)分布比較均衡。2022年水稻葉面積指數(shù)隨著生育期呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢(shì)，在分蘗期-拔節(jié)期過程增長(zhǎng)較迅速，拔節(jié)期-抽穗期階段增加緩慢，與葉綠素相對(duì)含量的變化情況相似。其中，2022年拔節(jié)期的數(shù)據(jù)最分散，數(shù)值波動(dòng)最大，孕穗期的數(shù)據(jù)最集中，波動(dòng)最??；孕穗期的數(shù)據(jù)分布最接近正態(tài)分布，拔節(jié)期和抽穗期的數(shù)據(jù)呈左偏分布。對(duì)比兩年的不同生育期葉面積指數(shù)的變化情況，除分蘗期外，2022年的拔節(jié)、孕穗和抽穗期的葉面積指數(shù)平均值、中位數(shù)均高于2021年；兩年水稻的孕穗期數(shù)據(jù)都是最集中，波動(dòng)最小，且數(shù)值上限都較大。

圖2.1（c）卷葉率

根據(jù)圖2.1c可知，2021年分蘗期的卷葉率數(shù)據(jù)分散但基本呈正態(tài)分布，孕穗期和抽穗期的數(shù)據(jù)同樣接近正態(tài)分布，但拔節(jié)期數(shù)據(jù)呈左偏分布；四個(gè)時(shí)期的卷葉率中位值與平均值接近，特別是抽穗期，中位值與平均值相等；但孕穗期存在個(gè)別異常值，推測(cè)是部分樣點(diǎn)的水稻受到稻縱卷葉螟的侵害嚴(yán)重，導(dǎo)致卷葉率值遠(yuǎn)高于平均值。2022年水稻在分蘗期受到稻縱卷葉螟侵害較弱，卷葉率平均遠(yuǎn)小于2021年；在拔節(jié)期、孕穗期和抽穗期，2022年的卷葉率數(shù)據(jù)的中位值和平均值均高于2021年，這是因?yàn)?span style="font-family: Poppins; font-size: 14px;">2022年7月份的高溫天氣阻礙了稻縱卷葉螟的遷入，到了8月中、下旬，氣溫的下降和潮濕的環(huán)境有利于稻縱卷葉螟的繁衍，導(dǎo)致在同年的8月底-9月初水稻遭受稻縱卷葉螟侵害較嚴(yán)重；此外，拔節(jié)期的卷葉率數(shù)據(jù)呈左偏分布，中位值與平均值接近，說(shuō)明該時(shí)期卷葉率值整體較高，試驗(yàn)田普遍受到的蟲害較嚴(yán)重；孕穗期則呈右偏分布且數(shù)據(jù)較分散，平均值大于中位值，說(shuō)明該階段僅部分樣點(diǎn)受到較嚴(yán)重的稻縱卷葉螟侵害；分蘗期、孕穗期和抽穗期都出現(xiàn)零星的異常值，這說(shuō)明了稻縱卷葉螟的侵害分布并不均勻，存在個(gè)別樣點(diǎn)水稻受到了較嚴(yán)重的危害。

3.2非防治田健康水稻和受蟲害水稻的冠層光譜反射率的動(dòng)態(tài)變化

水稻在自然狀態(tài)下受到稻縱卷葉螟侵害后，與未受蟲害的水稻在冠層光譜反射曲線上出現(xiàn)了明顯的區(qū)別（圖3）。從整體上分析，水稻遭受蟲害后，冠層光譜從綠光（500nm左右）波段開始出現(xiàn)明顯差異，表現(xiàn)為“綠峰”的上升，以及近紅外波段反射率的下降；同時(shí)，不論是否受到稻縱卷葉螟的危害，隨著水稻的生長(zhǎng)，冠層光譜反射率均呈現(xiàn)一定程度的增長(zhǎng)。在水稻不同生育期內(nèi)，2022年水稻冠層光譜反射率普遍高于2021年；在分蘗期，2021年水稻在可見光波段（450-760nm）反射率與2022年接近，但在近紅外波段的反射率均顯著小于2022年；在拔節(jié)期，2021年不同蟲害等級(jí)的水稻在近紅外光譜反射率都高于2022年，綠光波段和紅邊波段的反射率則低于2022年；在抽穗期，兩年的水稻冠層光譜曲線接近，受到輕度稻縱卷葉螟侵害的水稻在近紅外范圍的反射率都略高于未受害水稻，受到中等及以上蟲害的水稻的反射率則與前三個(gè)時(shí)期一樣顯著小于受輕度蟲害的水稻和健康水稻。

圖3非防治田健康水稻和受蟲害水稻的冠層光譜反射率的動(dòng)態(tài)變化

（a）分蘗期；（b）拔節(jié)期；（c）孕穗期；（d）抽穗期

3.3非防治田不同蟲害程度水稻的無(wú)人機(jī)多光譜反射率的動(dòng)態(tài)變化

非防治田水稻受到稻縱卷葉螟侵害后葉片的葉肉組織被嚙食，導(dǎo)致葉表面出現(xiàn)白色或淡黃色條狀斑，因此，多光譜各波段也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。圖4為2021年和2022年大田水稻在不同生育期遭受稻縱卷葉螟侵害后五個(gè)波段反射率的變化情況，從整體上看，隨著水稻生長(zhǎng)，兩年非防治試驗(yàn)田的水稻五個(gè)波段的反射率均呈現(xiàn)較弱的增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其是近紅外波段（NIR）反射率增長(zhǎng)趨勢(shì)最明顯；2022年水稻的反射率整體上高于2021年，這與水稻冠層光譜發(fā)射率情況一致。

圖4非防治田不同蟲害程度水稻的無(wú)人機(jī)多光譜動(dòng)態(tài)變化

（a）分蘗期；（b）拔節(jié)期；（c）孕穗期；（d）抽穗期

其中，2021年分蘗期和拔節(jié)期受蟲害和未受蟲害的水稻的反射率差異較大，孕穗期和抽穗期則較小；2022年期健康水稻與受蟲害水稻在多光譜反射率上差距較大，其他三個(gè)生育期的差距較小。另外，與未受蟲害的水稻冠層光譜相比，遭受稻縱卷葉螟啃食的水稻葉片冠層光譜在綠光（G）、近紅外（NIR）和紅邊（RE）三個(gè)波段反射率值明顯減小。

待續(xù)~~~

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