高光谱影像的苹果花叶病叶片花青素定量反演

发布时间：2019-07-30 20:57

【摘要】：花叶病是苹果叶片常见的病毒性病害,患病叶片的花青素含量出现异常。以叶片花青素含量作为病害严重程度的定量化指标,使用高光谱成像技术获取感染花叶病的苹果叶片的高光谱图像,分析叶片的光谱特征,通过任意两个波段的反射率的不同数学组合,构建并筛选对染病叶片花青素含量高度敏感的最优光谱指数,进而建立苹果叶片花青素含量的高光谱估算模型,最终实现苹果叶片花青素含量分布状况的可视化表达。结果表明,随着病害严重程度的增大,苹果叶片的花青素含量升高;叶片染病区域的光谱反射率在整个可见光区域明显增加,而且出现了红边蓝移现象。通过两两波段组合构建的三种光谱指数(NDSI(770,722),RSI(717,770),DSI(581,520))与苹果叶片花青素含量的相关系数绝对值均达到0.8以上。在构建的四种苹果叶片花青素含量估算模型中,选用三个光谱指数为参数、并使用偏最小二乘回归方法建立的AnthPLSR模型精度最高(R2=0.823,RMSE=0.056)。采用Anth-PLSR模型对患病叶片的高光谱图像进行逐像元解算,得到苹果花青素含量分布图。进一步通过叶片花青素含量分布图计算苹果叶片整叶的花青素含量平均值,作为苹果叶片健康程度的定量化指标。此外,通过提取整叶光谱均值、使用同样模型可简洁有效地估算苹果整叶花青素含量平均值。为苹果叶片花叶病病害监测提供了一种直观、快速的技术手段。
【图文】：

ｉａｌｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｓｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ，ＰＬＳＲ）构建基于多个光谱指数的苹果叶片花青素估算模型。ＰＬＳＲ综合使用了主成分分析、典型相关分析和多元线性回归分析等方法，在模型的构建中最大程度利用了自变量信息，具有较好的预测能力［１３］。２结果与讨论２．１苹果花叶病光谱特征２．１．１不同病害程度叶片病斑的花青素值及高光谱特征叶片染病程度从轻到重，分别表现出小范围黄白色斑点、大片黄白色病斑、整叶泛白的症状。测量发现叶片的花青素含量随着病情的加重而升高（图１），而叶绿素含量（ＳＰＡＤ值）则随之降低。从叶片上不同病害程度的区域提取到的光谱来看（图２），不同花青素含量的部位相对应的光谱曲线有着显著差异，主要体现在可见光波段范围内，随着病情的加重，叶片叶绿素含量不断降低，而作为植物叶片渗透调节物质的花青素浓度随之升高，叶片光合能力相对减弱，对红、蓝光的吸收减少，整个可见光波段反射率明显增加。在近红外区域则相反，正常叶片的反射率要高于染病叶片的反射率，这是因为叶片内部的细胞结构决定了叶片在近红外波段反射率的高低，叶片正常部位叶肉细胞对光形成多次散射，反射率较高。而染病部位内部细胞结构遭到破坏，反射率也随之降低。图１苹果叶片不同病害程度病斑处的ＳＰＡＤ值和花青素值Ｆｉｇ．１ＳＰＡＤａｎｄＡｎｔｈｖａｌｕｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｏｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｓｅａｓｅｄｅｇｒｅｅｓ３１８８光谱学与光谱分析第３７卷

高光谱影像的苹果花叶病叶片花青素定量反演

图２苹果叶片不同花青素值病斑处的光谱曲线Ｆｉｇ．２ＬｅａｆｓｐｅｃｔｒａｌｃｕｒｖｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｏｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＡｎｔｈｖａｌｕｅｓ２．１．２苹果花叶病叶片病斑红边特征光谱红边是由植物叶片在红光波段对光的强吸收和近红外波段的强反射而形成的植物特有光谱特征。植物红边光谱特性通常由红边位置（λｒ）、红边幅值（Ｄｒ）和红边面积（ＳＤｒ）三个参数表征，范围在６８０～７６０ｎｍ之间。当植物叶片因病虫害受到破坏时，光谱红边特征亦会随之变化。由图３可以看到：与正常部位相比，受病部位随着病情的加重，红边面图３苹果叶片不同花青素值病斑处的红边特征Ｆｉｇ．３ＲｅｄｅｄｇｅｆｅａｔｕｒｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｏｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＡｎｔｈｖａｌｕｅｓ积ＳＤｒ和红边幅值Ｄｒ均减小，且红边位置λｒ明显向短波方向移动，出现了“蓝移”现象。此时叶片上染病区域叶绿素含量下降，花青素含量上升，病斑处失绿发黄状况明显。２．１．３叶片花青素与对应光谱反射率相关性分析对６４０个样点的花青素值与对应光谱反射率进行相关性分析，，结果如图４所示：在４００～７３０ｎｍ可见光波段，花青素值与光谱反射率达到极显著正相关，且在黄光波段５８１ｎｍ处相关系数最大（ｒ＝０．８３６）；近红外波谱的绝大多数波段反射率与花青素值达到极显著负相关。由此可见，与叶绿素等其他叶片色素指数不同，可见光与近红外波段均为花青素值的敏感区域。在构建花青素高光谱反演模型时，可考虑全光谱波段的参与。图４花青素值与各波段光谱反射率的相关系数Ｆｉｇ．４Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ
【作者单位】：西北农林科技大学资源环境学院;上海市农业科学院农业科技信息研究所;上海市数字农业工程技术研究中心;
【基金】：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA102401-2)资助
【分类号】：S436.611;TP391.41

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