一、前言

精准农业依赖于农业信息的快速获取和分析。无人机低空遥感是一种新兴的农业监测方法，具有结构简单、机动性强、时空分辨率高、图像和空间信息同步获取等显著优点。无人机低空遥感使用传统的无人机作为空中平台来携带各种传感器有效载荷，包括数码相机和多光谱、高光谱高分辨率航空成像相机。无人机导航和避障技术的进步以及模块化、轻型传感器有效载荷的开发使实时目标定位成为可能。一些机载软件的决策辅助进一步支持它们在精准农业中的应用。操作灵活、时效性强、影像空间分辨率更高、运营成本更低等关键优势拓宽了无人机低空遥感在农业监测中的应用范围。

二、试验区和实验方法

2.1实验区概况

实验大田位于中国江苏省南京市浦口区的高标准稻田示范区内，地理经纬度为：118°29′-118°30′E31°52′-31°53′N。该地区位于长江北岸，属于亚热带湿润性季风气候，年均降水量达1200mm以上，无霜期长，年平均日照时长2150h。夏季为水稻主要生长季，最高气温超过35℃。

图1试验区地理位置信息（A区为未防治田，B区为防治田）

2.2试验设计

本研究开展了连续两年的大田水稻试验，选取的两处试验稻田均位于长江边的高标准示范田区域内，其中一处作为防治田，面积约为24亩（共15800m2），在水稻生长期内，按照田间管理要求进行稻纵卷叶螟的防治；另一处试验田（面积约6660m2）与防治田直线距离约700m，在水稻生长期内，除了不进行稻纵卷叶螟的农药防治以外，其他施肥、除草等田间管理措施与防治田一致。两处试验田均选择了平坦开阔，四周无高压电线、高大树木、信号塔等影响无人机飞行的水稻田，同时，稻田旁边具有方便无人机起降的平坦、无障碍物、无杂草的硬质地面。两处试验田内水稻品种均为南粳-46，其中，2021年的播种时间为6月1日，在6月30日移栽，栽插密度为33穴/m2；2022年播种时间为5月25日，于一个月后移栽，时间为6月25日前后，水稻栽种间距为15cm，行间距约30cm。两年的试验观测于7-9月进行，期间根据水稻生长情况和稻纵卷叶螟迁飞、繁殖情况安排地面观测和无人机观测。2021年共开展9次实验观察，其中返青期观测1次，分蘖期观测了2次，拔节期观测2次，孕穗期1次，抽穗扬花期1次，灌浆期1次和乳熟期1次；2022年共开展了10次观测，返青期、孕穗期、抽穗期、灌浆期和乳熟期各进行了1次观测，分蘖期观测3次，拔节期2次。每次开展观测都选择天气晴朗、风速小（小于5.5m/s），云量小的时间，有利于开展水稻冠层高光谱数据的观测和无人机数据的采集。实验中对未防治田进行小区划分，共9个小区，小区区域内随机且均匀地选取5个点作为地面数据采集点，同时用做了颜色标记区分的杆子做标记，并使用亚米级差分GPS测量仪收集这些样点和两处试验田四周边界的经纬度坐标，以便后期进行无人机图像的几何校正和感兴趣区域的提取。在防治田区域内随机选取6个样点作为数据采集点。

2.3观测试验内容及方法

水稻冠层高光谱数据采用地物光谱仪进行采集，冠层光谱数据的采集选在天气晴朗（或云）、无风或微风时进行，时间范围为每天10:00-14:00，该时间段的太阳高度角变化对仪器造成的影响较小。在每个样点水稻的正上方，用地物光谱仪的探头距离水稻冠层约0.5m处垂直向下进行观测。单个样点重复测量3次，每次存储5条曲线，计算15条曲线的平均值作为该样点的冠层光谱反射率测量值。在试验过程中，为减少太阳高度角的变化带来的测量误差，影响数据的准确性，实验员每隔10min使用白板对仪器进行一次校正。其中近红外波段仅使用波长1050nm的光谱数据，波长更长的部分由于大气水分吸收等原因而存在较大波动，因而未加入后面的数据分析中。

三、大田水稻生长特征参数和光谱参数的变化

叶绿素相对含量和叶面积指数是监测植物生长情况的两个关键指标，研究这两个指标与水稻生长发育之间的联系，对于进一步研究水稻受到稻纵卷叶螟危害后叶绿素相对含量和叶面积指数的变化，把握水稻受虫害后的生长趋势、及时采取防控措施具有重要意义。

3.1受虫害水稻不同生育期的生长特征参数动态变化

将2021-2022年采集的不同生育期大田水稻生长特征参数SPAD、LAI以及稻纵卷叶螟危害指标（卷叶率）数据绘制成箱线图，比较2021年和2022年的分蘖期、拔节期、孕穗期和抽穗期四个生育期的叶绿素含量和叶面积指数动态变化以及同期卷叶率变化特征。

图2.1（a）水稻叶绿素相对含量SPAD

2021年非防治田的水稻叶绿素相对含量呈现先增加后减少再增加的变化情况（见图2.1a），其中，孕穗期的水稻叶片叶绿素相对含量平均值最小，拔节期和抽穗期的平均值都较高,分蘖期居中；比较四个时期的叶绿素相对含量数分布情况可知，拔节期的数据波动最大，孕穗期次之；分蘖期和抽穗期的中位数线接近于箱体的中间位置，相较于拔节期和孕穗期的数据分布相对均衡，拔节期的中位数线偏低，说明该时期大田水稻的叶绿素相对含量整体较小；此外，在分蘖期收集到的叶绿素相对含量数据中出现的异常值较多，结合观测数据的日期分析，推测是由于该时期的水稻虽然大部分受到了稻纵卷叶螟的危害，但仍有部分样点的水稻并未受到侵害。2022年的叶绿素相对含量的变化较小，主要呈现先增后减的趋势，其中，拔节期的叶绿素相对含量平均值最大，抽穗期的最小；

拔节期的叶绿素相对含量数据波动较大，抽穗期最小；分蘖期相较于另外三个生长阶段的数据分布更均衡。比较2021年和2022年的叶绿素相对含量变化情况可知，2022年的叶绿素相对含量数据整体比2021年的波动小，数据更稳定，分布也更均衡；2022年的四个生育期的中位数均比2021年更大，更接近同时期的平均值。

图2.1（b）叶面积指数LAI

叶面积指数同样是判断植物生长状况的重要指标，它能反映作物群体叶面积变化，是反映作物长势及产量潜力的重要参数[93]。分析2021年和2022年非防治田的水稻叶面积指数的箱线图（见图2.1b）可知，2021年水稻叶面积指数随着生育期呈现先增加后减少再增加的变化过程，与叶绿素相对含量的变化情况一致。

其中，2021年的孕穗期数据波动最小，数据较集中，分蘖期和抽穗期的数据则波动较大；除孕穗期外，其他三个生育期的叶面积指数的中位数均接近箱体的中间，表示这三个生育期的叶面积指数的分布都比较集中，接近正态分布，同时中位数与平均值接近，说明整体数据分布比较均衡。2022年水稻叶面积指数随着生育期呈现持续增加趋势，在分蘖期-拔节期过程增长较迅速，拔节期-抽穗期阶段增加缓慢，与叶绿素相对含量的变化情况相似。其中，2022年拔节期的数据最分散，数值波动最大，孕穗期的数据最集中，波动最小；孕穗期的数据分布最接近正态分布，拔节期和抽穗期的数据呈左偏分布。对比两年的不同生育期叶面积指数的变化情况，除分蘖期外，2022年的拔节、孕穗和抽穗期的叶面积指数平均值、中位数均高于2021年；两年水稻的孕穗期数据都是最集中，波动最小，且数值上限都较大。

图2.1（c）卷叶率

根据图2.1c可知，2021年分蘖期的卷叶率数据分散但基本呈正态分布，孕穗期和抽穗期的数据同样接近正态分布，但拔节期数据呈左偏分布；四个时期的卷叶率中位值与平均值接近，特别是抽穗期，中位值与平均值相等；但孕穗期存在个别异常值，推测是部分样点的水稻受到稻纵卷叶螟的侵害严重，导致卷叶率值远高于平均值。2022年水稻在分蘖期受到稻纵卷叶螟侵害较弱，卷叶率平均远小于2021年；在拔节期、孕穗期和抽穗期，2022年的卷叶率数据的中位值和平均值均高于2021年，这是因为2022年7月份的高温天气阻碍了稻纵卷叶螟的迁入，到了8月中、下旬，气温的下降和潮湿的环境有利于稻纵卷叶螟的繁衍，导致在同年的8月底-9月初水稻遭受稻纵卷叶螟侵害较严重；此外，拔节期的卷叶率数据呈左偏分布，中位值与平均值接近，说明该时期卷叶率值整体较高，试验田普遍受到的虫害较严重；孕穗期则呈右偏分布且数据较分散，平均值大于中位值，说明该阶段仅部分样点受到较严重的稻纵卷叶螟侵害；分蘖期、孕穗期和抽穗期都出现零星的异常值，这说明了稻纵卷叶螟的侵害分布并不均匀，存在个别样点水稻受到了较严重的危害。

3.2非防治田健康水稻和受虫害水稻的冠层光谱反射率的动态变化

水稻在自然状态下受到稻纵卷叶螟侵害后，与未受虫害的水稻在冠层光谱反射曲线上出现了明显的区别（图3）。从整体上分析，水稻遭受虫害后，冠层光谱从绿光（500nm左右）波段开始出现明显差异，表现为“绿峰”的上升，以及近红外波段反射率的下降；同时，不论是否受到稻纵卷叶螟的危害，随着水稻的生长，冠层光谱反射率均呈现一定程度的增长。在水稻不同生育期内，2022年水稻冠层光谱反射率普遍高于2021年；在分蘖期，2021年水稻在可见光波段（450-760nm）反射率与2022年接近，但在近红外波段的反射率均显著小于2022年；在拔节期，2021年不同虫害等级的水稻在近红外光谱反射率都高于2022年，绿光波段和红边波段的反射率则低于2022年；在抽穗期，两年的水稻冠层光谱曲线接近，受到轻度稻纵卷叶螟侵害的水稻在近红外范围的反射率都略高于未受害水稻，受到中等及以上虫害的水稻的反射率则与前三个时期一样显著小于受轻度虫害的水稻和健康水稻。

图3非防治田健康水稻和受虫害水稻的冠层光谱反射率的动态变化

（a）分蘖期；（b）拔节期；（c）孕穗期；（d）抽穗期

3.3非防治田不同虫害程度水稻的无人机多光谱反射率的动态变化

非防治田水稻受到稻纵卷叶螟侵害后叶片的叶肉组织被啮食，导致叶表面出现白色或淡黄色条状斑，因此，多光谱各波段也会发生相应的变化。图4为2021年和2022年大田水稻在不同生育期遭受稻纵卷叶螟侵害后五个波段反射率的变化情况，从整体上看，随着水稻生长，两年非防治试验田的水稻五个波段的反射率均呈现较弱的增长趋势，尤其是近红外波段（NIR）反射率增长趋势最明显；2022年水稻的反射率整体上高于2021年，这与水稻冠层光谱发射率情况一致。

图4非防治田不同虫害程度水稻的无人机多光谱动态变化

（a）分蘖期；（b）拔节期；（c）孕穗期；（d）抽穗期

其中，2021年分蘖期和拔节期受虫害和未受虫害的水稻的反射率差异较大，孕穗期和抽穗期则较小；2022年期健康水稻与受虫害水稻在多光谱反射率上差距较大，其他三个生育期的差距较小。另外，与未受虫害的水稻冠层光谱相比，遭受稻纵卷叶螟啃食的水稻叶片冠层光谱在绿光（G）、近红外（NIR）和红边（RE）三个波段反射率值明显减小。

待续~~~

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