由于高光譜成像具有圖譜合一的優(yōu)勢，可以精確到葉片上一個點去探測作物不同脅迫癥狀的特征，又可獲取受脅迫作物面狀的光譜信息，點面結(jié)合地綜合反映作物遭受脅迫的程度。所以，高光譜成像已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點。目前，學(xué)者們利用高光譜成像技術(shù)定量化地提取作物所遭受的各種脅迫特征，根據(jù)高分辨率的圖像對葉片及葉片的局部區(qū)域進行分析，最終定性其遭受脅迫的程度，從而在更加微觀的尺度上進行機理探測研究。利用美國SOC公司的SOC710/SOC730高光譜成像光譜儀，可采集遭受養(yǎng)分、病蟲害脅迫下的小麥葉片的高光譜圖像，采用逐像素平均法增強光譜特征，然后對不同葉位的葉片光譜特征，不同病害、蟲害脅迫的葉片光譜特征進行提取分析，為高光譜成像技術(shù)用于作物各種脅迫診斷提供理論探索。

　　一、養(yǎng)分脅迫下葉片(不同葉位葉片)光譜特征提取與分析

　　根據(jù)作物的生長發(fā)育規(guī)律，不同葉位葉片的養(yǎng)分會在層次上出現(xiàn)差異，同時，葉片的光譜信息也會不同。本文從葉片高光譜圖像上提取不同葉位葉片面狀的光譜信息，目的是消除葉片因光照分布不均造成的點狀數(shù)據(jù)誤差，更準確地探查作物垂直梯度上因養(yǎng)分缺失引起的光譜差異。在可見光波段，下層葉片的反射率最高，中層次之，上層最低，尤其住550～650nm的紅綠波段表現(xiàn)明顯;其次，在680nrn附近出現(xiàn)吸收谷，下層和中上層差異較大;700～760nm波段為植被特有的紅邊特征，中上層葉片因長勢狀況良好，所以紅移，而下層葉片因養(yǎng)分缺失而發(fā)黃，紅邊向藍波方向移動。造成上述光譜特征差異的主要原因是葉片中葉綠素含量不同所致。這和前人的研究結(jié)果一致，即葉綠素含量是解析光譜變化的敏感因子，可見光波段以葉綠素a，葉綠素b在藍綠光區(qū)的強反射與紅光區(qū)的慢吸收為特征。

　　780~900nm的近紅外波段與可見光波段正好相反。中上層葉片生命力旺盛，細胞結(jié)構(gòu)完好，光在葉片內(nèi)部形成多次散射，所以反射率值高;而下層葉片養(yǎng)分缺失變黃，葉綠素含量降低，細胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致使其反射率明顯低于中上層。這與在不同施肥處理下的研究結(jié)果一致，即近紅外波段主要以葉片細胞結(jié)構(gòu)引起的多次散射差異為判斷標準。

　　綜上所述，本研究利用SOC710便攜式可見-近紅外成像光譜儀對不同的葉位的葉片養(yǎng)分脅迫進行診斷時，既可以提取不同葉位葉片的高光譜差異，還可以根據(jù)成像圖直觀地進行視覺判斷，這為作物養(yǎng)分脅迫的準確診斷提供了有利的手段。

　　二、白粉病脅迫下葉片光譜特征提取與分析

　　因葉片的高光譜立方體包含二維的圖譜信息，所以圖像上的每個像素在波段區(qū)間都有連續(xù)的光譜信息，這對于作物遭受病害脅迫時的定量定性分析具有獨特的優(yōu)勢。借助SOC710高光譜成像光譜儀在近地觀測時具有高空間分辨率的特點，可定量的研究病斑的數(shù)量和感染面積對葉片造成的影響。在可見光波段，作物的光譜性質(zhì)主要受葉綠素含量的影響。正常的葉片會出現(xiàn)550nm的反射峰和680nm的吸收谷。感染白粉病后，葉片中的葉綠素含量降低，直觀表現(xiàn)為淺黃和白色，在陽光照射下，吸收值減少，所以反射值更高。在780~900nm近紅外波段，葉片正常部分的光譜反射強度與病斑部分的反射強度有明顯差異，但不同病斑數(shù)之間的差異較可見光部分縮小?？傮w規(guī)律為正常(0%)>輕度(5%)>q1度(15%)>重度(30%)>嚴重(50%)，與可見光正好相反。這是由于葉片在近紅外波段的光譜特性由葉片內(nèi)部的細胞結(jié)構(gòu)決定，正常葉片內(nèi)的細胞會對光形成多次散射，因而反射率較高，而白粉病影響也葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以反射率值降低。

　　三、蚜蟲脅迫下葉片的光譜特征提取與分析

　　SOC710VP可見-近紅外成像光譜儀可以對蚜蟲群體甚至單個蚜蟲的光譜進行提取分析，這為定量研究蚜蟲對小麥葉片的危害提供了新的手段。正常葉片在680nm處的紅光波段有最顯著的吸收谷，附著蚜蟲和破壞后的葉片次之，蚜蟲也有相似光譜。正常葉片在近紅外波段反射率值最高，受破壞葉片和有蚜蟲的葉片次之，說明正常葉片內(nèi)部細胞結(jié)構(gòu)正常，形成多次反射，所以反射值最高。蚜蟲反射率隨波段增加而逐漸升高，但低于遭受蟲害前后葉片的反射率值。

　　正常葉片和受蚜蟲破壞葉片的反射率在450~500nm，560~680nm，750~900nm波段有明顯差異，可作為判斷遭受蚜蟲脅迫的識別波段。有蚜蟲的葉片和受蚜蟲破壞后的葉片反射率相差不大，可以把二者統(tǒng)稱為作物遭受蟲害的脅迫狀態(tài)。在450~700nm波段，蚜蟲反射率都最高，但還表現(xiàn)為550nm反射峰，680nm的吸收谷，說明葉片或多或少都有一定的貢獻;可是在700~780nm的紅邊位置，明顯和綠色植物光譜特征有別，所以也可以把紅邊作為判斷蚜蟲病害的特征區(qū)域。

　　四、討論

　　農(nóng)作物的自然生長是一種動態(tài)的過程，影響其生長發(fā)育的脅迫是多樣與復(fù)雜的，我們首先去除其他影響因素從單葉尺度著手研究，目的是尋找影響其變化的敏感波段，然后構(gòu)建養(yǎng)分診斷、病蟲害預(yù)警預(yù)測模型，進而在大田尺度進行驗證，才能真正用于精準農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理。

　　作物遭受脅迫影響時，會表現(xiàn)出不同的光譜響應(yīng)，而捕捉敏感的光譜差異是利用遙感研究的基礎(chǔ)。在圖譜合一的數(shù)據(jù)立方體上，既獲得了點狀的病斑、蚜蟲光譜信息，又提取了受其感染后的面狀葉片信息，點面結(jié)合，更詳盡的解釋葉片遭受脅迫后的光譜變化特征。這是成像光譜儀近地應(yīng)用的優(yōu)勢。