白粉病胁迫下小麦冠层叶绿素密度的高光谱估测.pdf

第29卷第13期农业工程学报Vol.29No.13
1142013年7月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJul.2013

·农业信息与电气技术·
白粉病胁迫下小麦冠层叶绿素密度的高光谱估测

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冯伟，王晓宇，宋晓，贺利，王晨阳，郭天财
（河南农业大学国家小麦工程技术研究中心，郑州450002）

摘要：为了明确病害胁迫下作物生长特征及其危害程度，基于大田小区和盆栽小麦白粉病接种试验，在病害胁
迫下不同生育时期测定群体光谱及叶绿素密度。综合分析群体光谱反射率、一阶微分及传统光谱特征参数与冠层
叶绿素密度间关系，建立病害叶绿素密度估算模型并检验。结果表明，随病情指数增加，叶绿素含量下降，不同
感性品种均如此，对白粉病易感品种的危害较重。病害冠层叶绿素密度与红光600～630nm和红边690～718nm
的反射率及红边长波段（718～756nm）的一阶微分间相关性最显著。在传统植被指数中，以SDr/SDb和VOG3
为变量的估测模型拟合精度较高，决定系数R2分别为0.752和0.723，模型检验相对误差（RE）最小，RE分别为
18.0%和18.6%。利用红边区域（680～760nm）波段差异特性，选取680、718和756nm波段新建红边角度指数
（REAI），较传统植被指数的模型拟合精度更高，归一化角度指数NDAI(α,β)和比值角度指数RAI(α,β)的R2分别
为0.783和0.776，模型检验误差更小，RE分别为16.8%和17.5%。因此，NDAI(α,β)是估测病害小麦冠层叶绿素
密度的可靠指标，对利用该模型监测小麦光合潜力和病害影响评价具有积极意义。
关键词：光谱分析，叶绿素，模型，估测，白粉病胁迫，冬小麦
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.13.016
中图分类号：Q657.3文献标志码：A文章编号：1002-6819(2013)-13-0114-10

冯伟，王晓宇，宋晓，等.白粉病胁迫下小麦冠层叶绿素密度的高光谱估测[J].农业工程学报，2013，29(13)：
114－123.
FengWei,WangXiaoyu,SongXiao,etal.Hyperspectralestimationofcanopychlorophylldensityinwinterwheatunder
stressofpowderymildew[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),
2013,29(13):114－123.(inChinesewithEnglishabstract)

要受色素影响，而在近红外区域主要受叶片内部结
0引言
构、生物量和含水量等影响。因此，可以利用植被
光合作用中吸收光能的植物色素有叶绿素和类光谱信息特征来估算叶绿素含量[5-6]。Horler等[7]研
胡萝卜素，其中叶绿素是主要的吸收光能物质，其含究了植被光谱与叶绿素浓度的关系，提出反射光谱
量高低与光合能力、发育时期和营养水平关系密切，红边位置可指示植被叶绿素浓度变化。由于红边一
可敏感指示环境胁迫、光合潜力和阶段发育[1-2]。小阶微分数据的离散性，传统算法的红边位置对叶绿
麦白粉病是世界性病害，中国在20世纪70年代以素含量反演产生较大偏差，Miller等和Cho等[8-9]
前主要在西南及山东沿海局部发病严重，随后发生分别利用倒高斯光学模型和线性外推法修正了红
范围不断扩大，危害程度加重，导致叶片退绿发黄，边位置算法，对叶绿素状况的估算取得了较好效
叶绿素含量降低，严重影响小麦光合作用[3-4]。因此，果。Blackburn[10-11]发现，冠层和叶片尺度上色素浓
通过快速光谱测试实时无损估算胁迫下叶绿素含度与反射光谱的一阶和二阶导数极显著相关，并利
量，对作物病害及群体光合能力进行有效评价，在用叶绿素特征吸收波段470、635和680nm构造了
作物精确诊断和高效管理中具有重要意义。适宜估算叶绿素状况的光谱指数，但Sims等[12]进
绿色植物典型的光谱特征，在可见光范围内主一步研究表明，550、700nm较680nm反射率对叶
绿素更敏感。孟庆野等[13]在PROSPECT+SAIL辐射

传输物理模型基础上对红边特征进行相关分析，引
收稿日期：2012-12-15修订日期：2013-05-31
基金项目：国家自然科学基金（30900867）和现代农业（小麦）产业技入红边、红谷和绿峰3个敏感波段，提出了改进转
术体系（MATS）专项资助。换叶绿素吸收反射指数（modifiedtransforme