烤烟发病叶片高光谱特征分析

烤烟是我国重要的经济作物之一，在国民经济收入中占有重要的地位。病害的频繁发生常常造成烟叶生产不可挽回的损失，并直接导致烟叶品质的严重下降。传统监测烟草病害的方法不仅费时、费力、效率低，而且因病害在发生早期不能识别而延误防治的最佳时机。随着高光谱遥感技术的发展，基于高光谱遥感的病害诊断在农作物病害监控上逐步得到应用。

01发病烟草的叶片光谱特征分析

健康烟草叶片的光谱反射率总体特征

如图1所示，健康烟叶的反射光谱波形与典型健康绿色植物的光谱曲线是相似的，总是呈现明显的”峰和谷”特征。

烟草叶片的反射光谱特征规律性明显且独特：在可见光波段(400~700nm)范围内，单叶光谱反射率主要受叶绿素含量的影响，健康烟叶单位面积上叶绿素含量高，对光吸收的多，因而反射率较低，大约在553nm黄绿波段处有一反射峰——绿峰，两侧有两个吸收带，即在400nm（蓝光）和670nm（红光）波段为低谷，这是因为叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强；在640~680nm之间，有一红光吸收谷——红谷，并具有很低的反射率；在近红外区(700~1000nm)，单叶光谱反射率主要受叶绿素a和叶绿素b、叶片单位面积含水量、干物质含量和叶片内部组织结构等的影响，反射率较高，是近红外反射光谱的高原区。其中在700~770nm波段有一反射的“陡坡”（称红边），这是叶绿素在红光波段的强吸收到近红外波段多次散射形成的高反射平台的过渡波段，此波段内的反射率曲线具有陡而接近于直线的形状。

图1 健康烟草叶片光谱曲线图

不同病害程度烟草叶片光谱反射率特征

按病害程度将烟草单叶光谱反射率做成曲线(图2)。由图2可知，发病烟草叶片光谱的反射率在整体上都随病情程度的增加而呈上升趋势，即健康叶片的光谱反射率最低，轻度病叶的光谱反射率次之，重度病叶的光谱反射率最高。发病叶片在红光波段内的反射率逐渐降低，并在680nm附近形成了一个较小的吸收谷。在550nm处，随着叶片发病程度的增加，绿峰有向红光方向移动的趋势。在红边和近红外区域内，发病叶片在波段范围内的反射率上升。

图2 不同病害程度烟草叶片反射光谱曲线

不同病害程度烟草叶片相对光谱反射率特征

以健康叶片光谱反射率为基准，计算发病烟叶叶片的相对反射率。以波长为X轴，以叶片的相对反射率为Y轴做图3。由图3可以看出，烟草叶片相对反射率随病害程度增加的趋势非常明显。在325～1075nm，烟草叶片受不同程度病害危害后，其光谱曲线有着明显的差异。

图3 不同病害程度烟草叶片相对反射率光谱

不同病害程度烟草叶片一阶微分光谱特征

求原始光谱曲线的一阶微分，当反射率升高时用正值表示，反之则用负值表示，若反射率没有变化，则为0。求原始光谱曲线的一阶微分，作为Y轴，以波长为X轴，做图4。不同发病程度烟草叶片光谱的红边与健康叶片的红边形状相似，但随发病程度的增加，红边位置逐渐向左（短波方向）移动，即红边斜率逐渐减小，红边位置发生“蓝移”；病害越重，蓝移越明显。

图4不同病害程度烟草叶片一阶微分光谱曲线

02讨论

烟草叶片从生长正常状态发展到感染病害、病情逐渐加重时，烟草叶片逐渐表现出失水症状，体内叶绿素含量逐渐减少，最后叶片干枯变黄，从而使得叶片在蓝光、绿光范围内的吸收减弱，因此该波段的反射率增加，与此同时，叶片在红光波段内的反射率逐渐降低，并在680nm附近形成了一个小的吸收谷。在红边和近红外区域内，因烟草病害破坏烟叶内部组织，叶片的光合作用受到抑制，无法正常形成光合产物，而原有物质也开始分解，这些都使得叶片在红边和近红外波段范围内的反射率上升。

当植物生长健康，处于生长期高峰，叶绿素含量高时，“绿峰”向蓝光方向偏移，而植物因病虫危害或缺素而“失绿”时，“绿峰”则向红光方向偏移[8]。本研究烟草叶片高光谱测定结果证明，550nm处，随着叶片发病程度的增加，绿峰有向红光方向偏移的趋势。

在作物受到病虫危害时，由于叶片的结构、生化成份均发生了一定的变化，一阶微分光谱的变化也表现出一定的变化特征。烟草病害侵染烟叶之后，破坏叶表皮和叶肉细胞，造成叶片水分含量和叶绿素含量减少，在叶片表面形成病斑，导致可见光区域反射率增加，同时红边（670~730nm）向短波方向移动。且随着病菌感染加重，烟草叶片中的水分代谢受到影响，进而引起近红外波段反射率的变化。

03总结

利用高光谱遥感技术，通过

1）监控烟草叶片在550nm处的光谱反射率，关注绿峰向红光方向的移动及幅度；

2）监控烟草叶片在670~750nm处的光谱反射率一阶微分值，关注红边位置移动方向及幅度，可以监控烤烟病害的发生及蔓延。

本文研究的对象是发生叶斑类病害（比如野火病、角斑病、气候性斑点病和赤星病）的烟叶和健康烟叶，并未对叶斑类病害进行分类研究。下一步将对与烟草产量和质量密切相关的病害进行分类研究；对烟草重要病害，分别研究特定病害不同发展时期适用的基于高光谱的预测模型。

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审核编辑 黄宇