田间小麦白粉病发病程度的快速监测方法及其监测模型的构建方法
【专利摘要】本发明公开了一种普适性好、准确度高且实用性强的田间小麦白粉病发病程度的快速监测方法及其监测模型的构建方法。包括下列步骤：（1）信息采集；（2）确立修正型病情指数mDI；（3）确立敏感波段区域；（4）构建绿光双波段指数；（5）确定最优波段组合；（6）建立监测模型；（7）检验模型。本发明构建了精度高、普适性好的小麦白粉病发生程度监测模型，该监测模型的扩展性和稳定性得到增强，对不同试验系统、不同品种、不同感病水平下小麦白粉病监测具有较高的精度和准确性，促进了基于光谱分析技术的作物病害精确防控的广泛应用，为遥感技术在精确农业中的直接应用奠定技术基础。
【专利说明】田间小麦白粉病发病程度的快速监测方法及其监测模型的 构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及农业植被生长信息无损监测【技术领域】，具体涉及一种田间小麦白粉病 发病程度的快速监测方法及其监测模型的构建方法。
【背景技术】
[0002] 小麦白粉病是一种世界性病害，在各主要产麦国均有分布。在我国随着矮杆品种 推广和水肥条件改善，白粉病发病面积和范围不断扩大，并多次流行成灾，我国自1980年 以来发生2次小麦白粉病大流行，例如，1990年全国冬麦区受害面积达1. 7亿亩，平均减产 10%以上，尤其河南省白粉病发病面积占小麦播种面积的50%，产量损失近40万吨。因此， 白粉病已成为我国小麦高产、稳产、优质的主要灾害制约因素之一。
[0003] 小麦白粉菌侵染和发生与环境温度、湿度及光照等密切相关，气象条件是制约其 发生流行程度的决定因素，如遇秋冬季及早春气温偏高，则小麦春季发病时期提前；抽穗后 阴雨日多，日照少，也会导致发病流行。此外，白粉病也受栽培措施的显著影响，播期、氮肥 和种植密度等对病情指数的影响依次减弱，但与药剂防治相比，通过优化栽培管理防病作 用还很有限。目前，使用杀菌剂是生产上防治白粉病的最重要手段之一。生产中常常存在 农药施用时期不当导致防治效果严重降低，或者施用过量对作物产生毒害，严重影响粮食 食品安全的问题。同时，农药使用不科学还会造成严重的土壤、大气及水体等环境污染，在 防治靶标生物的同时，往往也会误杀大量天敌，此外还对周围生物群落产生较大程度影响， 严重时可破坏生态平衡。因此，及早发现作物病害发生，精确监测病害发生程度，对早识别 早防控，适时适量用药，降低产量损失和品质劣变，减少农药施用和支出成本，保护生态环 境等方面具有十分重要的意义。白粉病的传统监测方法主要依靠人工田间调查，不仅耗时 耗力，而且时效性差、准确度受主观意识影响。因此，研究一种快速、无损和实时监测技术对 于精确防控病害具有重要意义。
[0004] 白粉菌是一种活体寄生菌，感染植株后叶面覆盖白粉状霉层，叶肉细胞破坏，水分 和叶绿素含量降低，叶片黄化干枯。病害植株形态和生理的变化也导致相应光谱的改变，这 为应用遥感技术进行小麦白粉病的实时监测提供了可能。早在20世纪20?30年代已开 始棉花根腐病、马铃薯条锈病以及烟草花叶病等病害的光谱特征研究，逐步明确了不同作 物病虫危害光谱识别的敏感波段主要位于可见光和近红外波段，其最佳敏感波段因作物和 病害种类不同而差异。小麦白粉病症状主要集中在植株中下部，而冠层光谱主要受中上层 叶片影响，因此，冠层光谱与病情指数关系较差，所筛选出的敏感波段及植被指数不明确， 这严重影响了对该病害的早期识别及防治。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种普适性好、准确 度高且实用性强的田间小麦白粉病发病程度的快速监测方法及其监测模型的构建方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 设计一种田间小麦白粉病发病程度监测模型的构建方法，包括下列步骤： (1) 信息采集：按常规方法分别采集小麦白粉病不同发病区域内的不同生长时期小麦 冠层高光谱信息，再采用常规的五步平滑方法对光谱曲线进行平滑处理；与光谱信息采集 同步，对应的按照常规方法调查该区域的小麦白粉病严重度以及叶面积，得到传统病情指 数cDI和叶面积指数LAI ; (2) 确立修正型病情指数mDI :传统病情指数cDI除以对应调查区域的叶面积指数LAI， 得到单位叶面积下病情指数的大小，用修正型病情指数mDI来表示：mDI=cDI/LAI ; (3) 确立敏感波段区域：分析随着修正型病情指数mDI的增加，在可见光波段350?710 nm内光谱反射率随之变化的情况，得到敏感波段区域在500?600 nm之间； (4) 构建绿光双波段指数：由下式计算得出绿光双波段指数GRVI:
【权利要求】
1. 一种田间小麦白粉病发病程度监测模型的构建方法，其特征在于，包括下列步骤： (1) 信息采集：按常规方法分别采集小麦白粉病不同发病区域内的不同生长时期小麦 冠层高光谱信息，再采用常规的五步平滑方法对光谱曲线进行平滑处理；与光谱信息采集 同步，对应的按照常规方法调查该区域的小麦白粉病严重度以及叶面积，得到传统病情指 数cDI和叶面积指数LAI; (2) 确立修正型病情指数mDI:传统病情指数cDI除以对应调查区域的叶面积指数LAI， 得到单位叶面积下病情指数的大小，用修正型病情指数mDI来表示：mDI=cDI/LAI; (3) 确立敏感波段区域：分析随着修正型病情指数mDI的增加，在可见光波段350?710 nm内光谱反射率随之变化的情况，得到敏感波段区域在500?600nm之间； (4) 构建绿光双波段指数：由下式计算得出绿光双波段指数GRVI:
其中，兄X1和兄X2分别为健康小麦冠层光谱Xlnm和X2nm波段处反射率， 入1和X2分别为白粉病菌侵染小麦的冠层光谱Mnm和X2nm波段处反射率，M和 入2位于敏感波段区域500?600nm内； (5) 确定最优波段组合：将绿光双波段指数GRVI与步骤（2)所得的对应的小麦白粉病 修正型病情指数mDI进行相关性分析，采用高光谱数据减量精细采样算法，取相关性最高 时的两个波段，确定为入lnm和X2nm; (6) 建立监测模型：根据不同生长时期的小麦白粉病修正型病情指数mDI与绿光双波 段指数GRVI之间的定量关系，构建出如下对应的小麦白粉病发生程度监测模型： Y=aXGRVIb，其中，Y为小麦白粉病严重度，GRVI为绿光双波段指数，a为系数，b为常 数项，且a、b的值经由回归方式求得。
2. 根据权利要求1所述的田间小麦白粉病发病程度监测模型的构建方法，其特征在 于，在步骤（6)之后还包括： 步骤（7)检验模型：使用独立年份小麦试验数据测试与检验步骤（6)所述小麦白粉病 发生程度监测模型的准确性和普适性，采用复相关系数，、均方根差RMSE和相对误差RE对 其进行综合评价，其中RMSE和RE的计算公式如下：
其中4为试验中小麦白粉病严重度实测的修正型病情指数为监测模型估测的 小麦白粉病严重度值，n为模型测试检验样本数。
3. 根据权利要求1所述的田间小麦白粉病发病程度监测模型的构建方法，其特征在 于，步骤（1)中小麦冠层高光谱信息测量采用野外高光谱辐射仪，波段值为350?1100nm， 光谱米样间隔为1.4nm，光谱分辨率为3nm。
4. 根据权利要求1所述的田间小麦白粉病发病程度监测模型的构建方法，其特征在 于， 步骤（1)中传统病情指数cDI和叶面积指数LAI的测定方法为：与光谱信息采集同步， 在光谱测量的位置约〇. 6m2范围内选取20株小麦，利用正方形网格计算小麦叶片发病面 积占叶片总面积的百分比来表示严重度，严重度分为9个梯度等级，即0、1%、10%、20%、30%、 45%、60%、80%和100%，人工记录各严重度的小麦叶片数，得到传统病情指数cDI计算公式如 下：
式中，z为各梯度的级值，《为最高梯度值9，/为各梯度的叶片数； 对每小区所取20株小麦，按器官分离，量取各叶片面积，计算叶面积指数LAI。
5. 根据权利要求1所述的田间小麦白粉病发病程度监测模型的构建方法，其特征在 于，在步骤（5)中，当绿光双波段指数GRVI在敏感波段区域500?600nm内间隔lnm的步 长变化下，计算其所对应的绿光双波段指数GRVI的值，并与步骤（2)所得的对应的修正型 病情指数mDI进行相关性分析，得出当Al=585nm和A2=550nm时，绿光双波段指数GRVI 与小麦白粉病严重度的相关性最_，^"=898***，/7=146,进而得到：
其中，兄6/585和7^,550分别为健康小麦冠层光谱585nm和550nm波段处的反射率， &is585和&is550分别为白粉病菌侵染小麦的冠层光谱585nm和550nm波段处反射率。
6. 根据权利要求5所述的田间小麦白粉病发病程度监测模型的构建方法，其特征在 于，适用于黄淮区域的小麦从拔节后期到灌浆期的小麦白粉病发病程度监测模型为： Y= 5. 3166XGRVI10-529〇
7. -种田间小麦白粉病发病程度的快速监测方法，其特征在于，包括下列步骤： (a) 信息采集：先按常规方法采集待测田块中的小麦冠层高光谱信息，再以常规的五步 平滑方法对光谱曲线进行平滑处理； (b) 计算绿光双波段指数GRVI:根据步骤（a)所得的高光谱信息，按照权利要求1所述 步骤（3 )、（ 4 )、（ 5 )计算出待测田块中的小麦冠层绿光双波段指数GRVI; (c) 计算小麦白粉病严重度：根据权利要求1所建立的小麦白粉病发生程度监测模型 计算出待测田块中的小麦白粉病严重度Y:Y=aXGRVIb，其中，Y为小麦白粉病严重度，GRVI 为绿光双波段指数，a为系数，b为常数项。
8. 根据权利要求7所述的田间小麦白粉病发病程度的快速监测方法，其特征在于，所 述步骤（a)中小麦冠层高光谱信息测量采用野外高光谱辐射仪，波段值为35(T1100nm，光 谱采样间隔为1. 4nm，光谱分辨率为3nm。
9. 根据权利要求7所述的田间小麦白粉病发病程度的快速监测方法，其特征在于，步 骤（b)中，
其中，兄6/585和7^,550分别为健康小麦冠层光谱585nm和550nm波段处的反射率， &is585和&is550分别为白粉病菌侵染小麦的冠层光谱585nm和550nm波段处反射率。
10.根据权利要求9所述的田间小麦白粉病发病程度的快速监测方法，其特征在于，适 用于黄淮区域的小麦从拔节后期到灌浆期的小麦白粉病发病程度监测方程为： Y= 5. 3166XGRVI10-529〇
【文档编号】G06F19/00GK104408307SQ201410685108
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】冯伟, 李晓, 王晓宇, 韩巧霞, 康国章, 郭天财 申请人:河南农业大学