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智慧城市網 品牌專欄】植物保護學是農學領域的一個重要分支，主要研究如何通過科學管理來預防和控制農作物的病害、蟲害、草害以及鼠害等問題，以確保全球糧食安全、提高農業生產效率、保護生態環境、維護人類健康、防止生物入侵、促進農業可持續發展以及提升農業科技水平。在實際應用中，植物保護學的這些原則和策略被轉化為一系列具體的防控案例。
案例一：葉綠素熒光測量技術+高光譜測量技術：植物病害識別和評估
南京農業大學的研究人員利用機器學習和多模態數據識別和監測小麥穗期的赤霉病(FHB)。研究團隊通過高光譜成像、葉綠素熒光成像和高通量表型平臺等技術，收集了小麥穗在赤霉病從無癥狀到有赤霉病癥狀期間的數據。并使用Boruta方法篩選出對疾病敏感的特征，并通過方差膨脹因子分析和ML-SFFS算法對這些特征進行融合，開發出一種識別小麥赤霉病和評估病情嚴重程度的方法。
研究發現，生化參數、光譜反射、葉綠素熒光參數等在小麥與病原體相互作用時表現出一致的變化。在無癥狀病害檢測中，最優特征組合為兩到三種，平均分類準確度達到87.04%，且隨著病情加重，準確度可提高至95%。這一研究為實時、非破壞性地監測小麥赤霉病提供了有效方法，對指導精準施藥和控制病害傳播具有重要意義。
左圖：麥穗葉綠素熒光成像結果和不同熒光參數；右圖上：高光譜反射光譜曲線；右圖下：使用的FluorCam葉綠素熒光
成像系統(成像面積35cm*35cm)
該類方案推薦：
左圖：FluorTron®光合表型分析系統(集高分辨率葉綠素熒光動態成像技術、葉綠素熒光光譜成像技術、葉綠素熒光成像與多功能高光譜成像于一體)；中圖：植物葉片熒光成像圖；右圖：不同熒光參數的光譜圖
案例二：葉綠素熒光技術：植物蟲害研究
Eugeniamyia dispar是一種特殊的癭蚊科昆蟲，以其在巴西發現并在 Eugenia uniflora(中文名紅果仔，屬桃金娘科)葉子上形成蟲癭而聞名。Rezende等人為了探究E. dispar產生的蟲癭如何影響宿主植物葉片結構和功能，以及蟲癭組織在光合作用方面的適應性，開展了一系列實驗。
研究中使用了葉綠素熒光成像系統讀非癭葉和成熟蟲癭的光合性能進行評估，獲得了包括Fv/Fm、(F’m-F’)/F’m、Fo、Fm、Rfd、NPQ等參數。
結果表明，癭組織除了在細胞結構上顯示出細胞肥大，淀粉、蛋白質和還原糖等主要分布在癭的幼蟲室周圍等變化，為幼蟲發育提供營養。癭組織仍保持了低水平的光合作用能力，但葉綠素數量和光合活性均低于非癭葉。
左圖：紅果仔枝條上的蟲癭和非癭葉；右圖：葉綠素熒光成像結果
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左：FluorTron®葉綠素熒光成像分析系統；中圖：新型FluorCam 1300植物葉綠素熒光與多光譜熒光成像系統；右圖：FluorCam開放式葉綠素熒光成像系統
3、高光譜技術：玉米田間雜草識別與預測
研究學者探究了基于近地光譜特征的玉米田間雜草識別方法。利用
地物光譜儀，收集了玉米、馬齒莧、野莧菜及香附植株冠層在350～2500 nm波段內的光譜信息。通過數據預處理和逐步判別模型，篩選特征波段，用于構建貝葉斯判別函數模型，以預測玉米田間雜草。
實驗結果表明，貝葉斯判別函數模型在玉米田間雜草識別上的正確率達到了85.8%，對玉米的識別精度達到了90.0%。研究還發現，在“紅邊”區域(680～780 nm)的反射率對玉米田間雜草識別較為重要。這些發現指出了高光譜技術在雜草識別方向上具有一定的應用價值。研究結果為田間雜草識別及光譜傳感器提供了參考，有助于提高精準施藥技術，減少化學除草劑的過量使用。
左圖：樣本光譜反射率曲線；中圖：不同特征波長判別結果；右圖：判別模型分類結果
該類方案推薦：
左圖：Specim IQ高光譜相機；中圖：Ecodrone無人機遙感；右圖：PhenoPlot植物表型成像分析系統
4、無人機遙感技術：鼠害監測
研究學者利用無人機影像發現并提取出鼠害信息，同時，結合氣象數據和地面調查數據，選取了歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)、坡向、氣溫、降水、土地利用等影響因子對若爾蓋縣的鼠害情況進行分析與探討，采用隨機森林模型模擬若爾蓋縣鼠害分布狀況，并分析其空間分布特征。
研究結果表明：利用隨機森林對鼠害進行模擬，準確率可達到81.8%，kappa系數為0.748，結果與地面調查數據較為一致，若爾蓋草原東南部地區鼠害影響范圍較小，往北則鼠害趨勢明顯加重，呈現多尺度密集分布的特點。
左圖：紅星鄉某樣地提取信息；中圖：模型預測混淆矩陣；右圖：鼠害模擬情況
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圖：Ecodrone無人機遙感技術
5、高光譜成像技術、葉綠素熒光技術：白菜苗化學防治
易科泰EcoTech®生態實驗室技術人員使用FluorTron®多功能高光譜成像系統進行了治療蚜蟲的靶向農藥檢測篩選實驗。該實驗以植物培養平臺培養的感染蚜蟲的“黃玫瑰”白菜為對象，選取其中的一片葉子正面噴灑1500倍液吡蟲啉溶液(RGB中畫紅圈)，其余部分不做處理(對照)，使用FluorTron®系統分別采集兩次UV-MCF紫外光激發生物熒光高光譜數據，噴藥前進行第一次數據采集，噴藥72h后進行第二次數據采集。
結果顯示，施藥后葉綠素熒光強度提高，比值指數降低，葉片上的紅色斑點顯著減少(斑點為蚜蟲危害造成)，說明施藥后葉片上的蚜蟲死亡，且未對植物造成不良影響。
左圖：RGB圖(紅圈部位為施藥葉片，其余為對照)；右圖：施藥組施藥前后熒光高光譜曲線圖
F450/F740熒光圖(左：施藥前 右：施藥三天后)
該類方案推薦：
圖：FluorTron多功能高光譜成像分析系統
北京易科泰生態技術公司提供植物保護研究全面技術方案：
l FluorTron®多功能高光譜成像分析系統
l FluorCam葉綠素熒光成像系統
l FluorTron®植物光合表型成像分析系統
l FluorCam多光譜熒光成像系統
l PhenoTron®植物表型成像分析系統
l PlantScreen表型成像分析系統
l Ecodrone®輕便型一體式多光譜-紅外熱成像無人機遙感系統
l Ecodrone®一體式高光譜-紅外熱成像-激光雷達無人機遙感系統
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