УДК 63238:633.1 ; 528.8.042.3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ СОДЕРЖАНИЯ ПИГМЕНТОВ В ПОСЕВАХ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ, ЗАРАЖЕННЫХ ГРИБКОВЫМИ БОЛЕЗНЯМИ ПО ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫМ ДАННЫМ

Бекмухамедов Н.Э.1, Карабкина Н.Н.1
1Институт космических исследований имени академика У.М.Султангазина

Аннотация
В работе проведен анализ состояния растений яровой пшеницы, зараженных грибковыми болезнями. С помощью вегетационных индексов разработанных для гиперспектральных данных, определены критерии развития грибковых болезней, на разных стадиях их развития. Выделены индексы способные определять ранние стадии развития грибковых болезней яровой пшеницы.

Ключевые слова: вегетационные индексы, грибковые болезни, яровая пшеница


DEFINING THE CONTENT OF PIGMENTS CHANGE IN SPRING WHEAT INFECTED BY FUNGAL DISEASES USING HYPERSPECTRAL DATA

Bekmuhamedov N.E.1, Karabkina N.N.1
1Academician U.M.Sultangazin Institute For Space Research

Abstract
The paper analyzes the condition of spring wheat plants infected with fungal diseases. The criteria of fungal diseases at different stages of their progressing were defined using vegetation indices developed for hyperspectral data. Indexes, capable for determining the early stages of fungal diseases of spring wheat were allocated.

Keywords: fungal diseases, spring wheat, vegetation indices


Рубрика: Общая рубрика

Библиографическая ссылка на статью:
Бекмухамедов Н.Э., Карабкина Н.Н. Определение изменений содержания пигментов в посевах яровой пшеницы, зараженных грибковыми болезнями по гиперспектральным данным // Сельское, лесное и водное хозяйство. 2013. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://agro.snauka.ru/2013/11/1205 (дата обращения: 20.11.2016).

Изучение растительности и их свойств по спектральным отражательным характеристикам находит широкое применение. Интерпретация спектров связана с определенными трудностями, так как имеют интегральную разницу яркости почв и растений. Спектральное отражение объекта может быть рассеянным из-за его внутренних структурных элементов и они выражаются коэффициентом яркости КСЯ rl = Вl0l; то есть коэффициент яркости для участка спектра с длиной волны l [1].

Коэффициент спектральной яркости растительности зависит от отражательных свойств растений, которые, в свою очередь, определяются пигментацией и оптическими свойствами листьев с поглощением хлорофиллом в интервале (0,64-0,68 мкм) и каротиноидами (в интервале 0,40-0,47 мкм). Эти показатели приводят к наличию в коэффициенте спектральной яркости характерных минимумов. В спектральном интервале 0,7-1,1 мкм, где пигментное поглощение незначительное, сильно возрастает коэффициент спектральной яркости листьев. На более длинных волнах доминирующую роль играет поглощение излучения воды, содержащейся в листьях. В диапазоне более 3 мкм лист поглощает практически 96-98% падающего излучения, что представляет возможность определить дефицит влаги в почве по увлажненности листьев [1].

Различия отражательных характеристик растительности в определенных зонах спектра послужили основой для распознавания их свойств с помощью различных вегетационных индексов.

В настоящее время многими авторами предложено более 160 различных вегетационных индексов (ВИ). Вегетационный индекс- это показатель, который рассчитывается в результате операций с разными спектральными диапазонами (каналами) данных дистанционного зондирования и непосредственно имеющий отношение к параметрам растительности. Эффективность ВИ определяется особенностями отражения. Расчет большей части вегетационных индексов базируется на двух наиболее стабильных участках кривой спектральной отражательной способности растений. На красную зону спектра (0,62 – 0,75 мкм) приходится максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом, а на ближнюю инфракрасную зону (0,75 – 1,3 мкм)- максимальное отражение энергии клеточной структурой листа. Высокая фотосинтетическая активность ведет к более низким значениям коэффициентов отражения в красной зоне спектра и большим значениям в ближней инфракрасной. Отношение этих двух показателей позволяет распознавать состояние растительности [2]. Увеличение спектральной яркости в полосах поглощения хлорофилла, один из показателей стресса растений, которое вызывается грибковыми болезнями растений.

В задачу исследований входило, с помощью вегетационных индексов, определить изменения, происходящие в зараженных растениях. Для решения этой задачи был проведен анализ вегетационных индексов, разработанных для узких спектральных данных. Выделены несколько индексов характеризующих стресс, изменение содержания хлорофилла и каротина в узких спектральных диапазонах.

Red Edge Normalized Difference Vegetation Index:

                        NDVI705 = (P750-P705)/ (P750+P705)                                                                (1)

Нормализованный вегетационный индекс NDVI705 является модификацией традиционного вегетационного индекса NDVI широкополосного доступа. Он предназначен для работы с очень высоким спектральным разрешением. В исследованиях приводятся спектральные данные, полученные с помощью гиперспектральных датчиков. Характер решаемых вопросов очень широк – это точное земледелие, мониторинг лесов, растительности и выявление стресса растений. Вегетационный индекс отличается от индекса NDVI полосами по краю красного спектра. NDVI705 характеризует растительность на краю красного спектра и чувствителен к небольшим изменениям, происходящим в растении. Значение этого индекса колеблется в диапазоне от -1 до 1. Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,2 до 0,9 [3,4].

Характер изменения значений индекса NDVI705 в зависимости от степени заражения болезнями посевов яровой пшеницы представлен на рисунке 1.

Рисунок 1- Характеристика значений вегетационного индекса NDVI705 посевов яровой пшеницы зараженной грибковыми болезнями

На начальной стадии развития грибковых болезней яровой пшеницы значения индекса находятся в пределах 0,35-0,45. Дальнейшее прогрессирование болезни приводит к снижению значений индекса. На максимальной стадии развития болезней значение индекса приближается к 0,2 и ниже, что указывает на полное отмирание растений. С помощью вегетационного индекса NDVI705 определение болезней растений яровой пшеницы на начальной и средних стадиях их развития, довольно сложно. Использование данного вегетационного индекса для раннего распознавания болезней яровой пшеницы должно быть продолжено.

Modified Red Edge Simple Ratio Index:

                        mSR705 = (P750-P445)/ (P705-P445)                                                                    (2)

Индекс mSR705 представляет собой модификацию традиционного индекса SR широкополосного доступа. Отличие индекса от традиционного SR в использовании края красного участка спектра. Спектр применения данного вегетационного индекса: точное земледелие, мониторинг лесов, мониторинг естественной растительности, распознавание стресса растений. Значение этого индекса находится в диапазоне от 0 до 30.Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 2 до 8 [5,6]. Изменение вегетационного индекса mSR705 на начальной стадии развития болезней колеблется в пределах 3,7-7,1 (рисунок 2). Для максимальной стадии развития болезней характерно резкое снижение значений индекса – менее 3,5. Характер снижения значений индекса для всех изучаемых болезней одинаков. Процесс протекания болезни яровой пшеницы, зараженной стеблевой ржавчиной, отличается от характера изменений других грибковых болезней.

Рисунок 2 – Характеристика значений вегетационного индекса mSR705 посевов яровой пшеницы зараженной грибковыми болезнями

Modified Red Edge Normalized Difference Vegetation Index;

                                               mNDVI705 = (P750-P705)/ (P750+P705-2P445)                            (3)

Вегетационный индекс mNDVI705 представляет собой модификацию от индекса NDVI705, но в расчете данного индекса принимает участие край синего участка спектра. Значение этого индекса находится в диапазоне от -1 до 1.Общий диапазон для зеленой растительности составляет от 0,2 до 0,7 [7,8]. Характер изменения значений индекса mNDVI705 болезней яровой пшеницы представлен на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Характеристика значений вегетационного индекса mNDVI705 посевов яровой пшеницы зараженной грибковыми болезнями

Анализ состояния растений яровой пшеницы, зараженных грибковыми болезнями, по данным значений индекса mNDVI705 наначальной стадии развития болезней особых изменений не отмечено. Значения индекса находятся в пределах 0,59-0,75. С увеличением степени поражения болезни происходят резкие изменения индекса. И во многом зависят от видов фитопатогена. На средней стадии поражения резкое снижение отмечено у септориозной пятнистости с 0,75 до 0,59 и дальнейшее понижение до 0,11. Уменьшение значений индекса до 0,1 для септориозной пятнистости и 0,27 для бурой ржавчины характеризует полную гибель растений. Увеличение значений индекса на средней стадии развития, для бурой ржавчины и пятнистости до 0,88 характерно для увеличение фотосинтетической активности в пораженных растениях. Характер увеличения значений индекса требует дальнейшего изучения процесса протекания болезней яровой пшеницы.

В исследованиях с помощью индексов      эффективности использования света была проведена оценка степени использования световой энергии на разных стадиях развития болезней посевов яровой пшеницы.

Индексы эффективности использования света Light Use Efficiency (2 индекса):

Photochemical Reflectance Index:

                                   PRI= (P531-P570)/(P531+P570)                                                             (4)

Structure Insensitive Pigment Index:

                                   SIPI=(P800-P445)/(P800-P680)                                                               (5)

Индексы этой группы отражают эффективность, с которой растительность способна использовать поступающий свет для фотосинтеза. Они хорошо коррелируют с эффективностью усвоения углерода и с активностью роста, а также тесно связаны с поглощением фотосинтетически активной радиации.

Фотохимический индекс отражения PRI разработан для измерения эффективности использования световой энергии растениями чувствительными к изменениям пигментов в листовой пластине. Изменение индекса свидетельствует о фотосинтетической активности растений и эффективности использования света. Он используется в исследованиях при стрессовых ситуациях у растений. Значения индекса находятся в диапазоне от -1 до 1 [9,10]. Общий диапазон для зеленой растительности от -0,2 до 0,2.

Изменение значений вегетационного индекса NDVI705 на максимальной стадии развития болезней посевов яровой пшеницы довольно хорошо коррелирует со значениями фотохимического индекса отражения PRI (рисунок 4). То есть значения индекса PRI взаимосвязаны с процессами снижения фотосинтеза в растениях при увеличении степени заражения растений. На средней стадии развития болезни корреляция немного хуже и во многом зависит от вида болезни. То есть растения уже ослаблены, но фотосинтетическая активность растений еще достаточно устойчива.

А

В

А) максимальная стадия развития болезней; В) средняя стадия развития болезней

Рисунок 4 – Зависимость фотохимического индекса отражения PRI от нормализованного вегетационного индекса NDVI705

Характер поглощения световой энергии, в зависимости от снижения содержания хлорофилла в растениях, измеренных с помощью вегетационных индексов mSR705, mNDVI705, дает такую же корреляцию, как и в опытах с вегетационным индексом NDVI705.

Индекс mSR705 характеризует растения на краю красного и синего участков спектра. Прямая зависимость индекса mSR705 от эффективности использования световой энергии PRI отмечена на максимальной и средней стадиях развития болезней во многом зависит от вида фитопатогена, характера протекания болезней (рисунок 5).

А

В

А) максимальная стадия развития болезней; В) средняя стадия развития болезней

Рисунок 5 – Зависимость фотохимического индекса отражения PRI от вегетационного индекса mSR705

Зависимость фотохимического индекса отражения PRI от вегетационного индекса mNDVI705 на начальной стадии развития болезней дает возможность выделить заражение, даже не отмеченное визуально (рисунок 6).

А

В

А) максимальная стадия развития болезней; В) начальная стадия развития болезней

Рисунок 6 – Зависимость фотохимического индекса отражения PRI от вегетационного индекса mNDVI705

Индекс SIPI разработан для измерения отражательной способности в узких спектральных диапазонах. Данный индекс позволяет определить изменение каротина и хлорофилла в растениях. Он определяет стрессы растений на ранних стадиях развития. Значение индекса находится в пределах от 0 до 2. Общий диапазон для зеленой растительности – от 0,8 до 1,8 [11,12].

Характер зависимости индекса SIPI от вегетационного индекса NDVI705 представлен на рисунке 7.

А

В

С

А) максимальная стадия развития болезней; В) средняя стадия развития болезней;

С) начальная стадия развития болезней

Рисунок 7 – Зависимость индекса отражения SIPI от вегетационного индекса NDVI705

Характер изменения индекса SIPI на начальной стадии развития болезней не достаточно полно характеризует изменение пигментов. То есть содержание пигментов в растении могут изменяться по-разному в зависимости от видов грибковых болезней. Средняя и максимальная стадии поражения растений яровой пшеницы грибковыми болезнями характеризует достаточно сильное снижений содержания хлорофилла и каротина. Анализ индекса отражения SIPI в зависимости от вегетационного индекса mNDVI705 , позволяет определить заражение на начальной стадии развития болезней (рисунок 8).

А

В

С

А) максимальная стадия развития болезней; В) средняя стадия развития болезней;

С) начальная стадия развития болезней

Рисунок 8 – Зависимость индекса отражения SIPI от вегетационного индекса mNDVI705

Анализ вегетационных индексов в зависимости от индексов отражения позволяет определить заражение на ранней стадии развития болезней. Выделен индекс mNDVI705 который в модификации с индексом отражения SIPI позволяет определить заражение на ранней стадии развития болезней. Изучение вегетационных индексов для определения ранней стадии развития грибковых болезней посевов яровой пшеницы должно быть продолжено в следующем году.


Библиографический список
  1. Выгодская Н.Н., Горшкова И.И., Теория и эксперимент в дистанционных исследованиях растительности.//Ленинград.//Гидрометиоиздат., 1987., с. 125.
  2. Кочубей С.М., Шадчина Т.М., Кобец Н.И., Спектральные свойства растений как основа методов дистанционной диагностики.//Киев. Наукова думка., 1990.,с. 134.
  3. Gitelson, A.A. and M.N. Merzlyak, 1994. Spectral Reflectance Changes Associated with Autumn Senescence of Aesculus Hippocastanum L. and Acer Platanoides L. Leaves. Spectral Features and Relation to Chlorophyll Estimation. Journal of Plant Physiology., рр 286‑292.
  4. Sims, D.A. and J.A. Gamon, 2002. Relationships Between Leaf Pigment Content and Spectral Reflectance Across a Wide Range of Species, Leaf Structures and Developmental Stages. Remote Sensing of Environment., рр.337-354.
  5. Sims, D.A. and J.A. Gamon, 2002. Relationships Between Leaf Pigment Content and Spectral Reflectance Across a Wide Range of Species, Leaf Structures and Developmental Stages. Remote Sensing of Environment., рр.337-354.
  6. Datt, B., 1999. A New Reflectance Index for Remote Sensing of Chlorophyll Content in Higher Plants: Tests Using Eucalyptus Leaves. Journal of Plant Physiology., рр.30-36.
  7. Datt, B., 1999. A New Reflectance Index for Remote Sensing of Chlorophyll Content in Higher Plants: Tests Using Eucalyptus Leaves. Journal of Plant Physiology., рр.30-36.
  8. Sims, D.A. and J.A. Gamon, 2002. Relationships Between Leaf Pigment Content and Spectral Reflectance Across a Wide Range of Species, Leaf Structures and Developmental Stages. Remote Sensing of Environment., рр.337-354.
  9. Gamon, J.A., J. Penuelas, and C.B. Field, 1992. A Narrow-Waveband Spectral Index That Tracks Diurnal Changes in Photosynthetic Efficiency. Remote Sensing of Environment., рр.35-44.
  10. Gamon, J.A., L. Serrano, and J.S. Surfus, 1997. The Photochemical Reflectance Index: An Optical Indicator of Photosynthetic Radiation Use Efficiency Across Species, Functional Types and Nutrient Levels. Oecologia., рр.492-501.
  11. Penuelas, J., F. Baret, and I. Filella, 1995. Semi-Empirical Indices to Assess Carotenoids/Chlorophyll-a Ratio from Leaf Spectral Reflectance. Photosynthetica., рр.221-230.
  12. Crippen, R. E. (1990) “Calculating the Vegetation Index Faster,” Remote Sensing of     Environment, vol 34., pp. 71-73.


Все статьи автора «Бекмухамедов Н.Э.»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: