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  植物保護學是農(nóng)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(nóng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、保護生態(tài)環(huán)境、維護人類健康、防止生物入侵、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及提升農(nóng)業(yè)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(zhuǎn)化為一系列具體的防控案例。

1、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(nóng)業(yè)大學的研究人員利用機器學習和多模態(tài)數(shù)據(jù)識別和監(jiān)測小麥穗期的赤霉?。‵HB）。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(shù)據(jù)。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(fā)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(fā)現(xiàn)，生化參數(shù)、光譜反射、葉綠素熒光參數(shù)等在小麥與病原體相互作用時表現(xiàn)出一致的變化。在無癥狀病害檢測中，最優(yōu)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(jiān)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(jié)果和不同熒光參數(shù)；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(tǒng)（成像面積35cm*35cm）

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左圖：FluorTron^®光合表型分析系統(tǒng)（集高分辨率葉綠素熒光動態(tài)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(shù)的光譜圖

2、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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生的蟲癭如何影響宿主植物葉片結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(shù)。

  結(jié)果表明，癭組織除了在細胞結(jié)構(gòu)上顯示出細胞肥大，淀粉、蛋白質(zhì)和還原糖等主要分布在癭的幼蟲室周圍等變化，為幼蟲發(fā)育提供營養(yǎng)。癭組織仍保持了低水平的光合作用能力，但葉綠素數(shù)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(jié)果

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左：FluorTron^®葉綠素熒光成像分析系統(tǒng)；中圖：新型FluorCam 1300植物葉綠素熒光與多光譜熒光成像系統(tǒng)；右圖：FluorCam開放式葉綠素熒光成像系統(tǒng)

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(nèi)的光譜信息。通過數(shù)據(jù)預處理和逐步判別模型，篩選特征波段，用于構(gòu)建貝葉斯判別函數(shù)模型，以預測玉米田間雜草。

  實驗結(jié)果表明，貝葉斯判別函數(shù)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(fā)現(xiàn)，在“紅邊”區(qū)域（680～780 nm）的反射率對玉米田間雜草識別較為重要。這些發(fā)現(xiàn)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(jié)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(jié)果；右圖：判別模型分類結(jié)果

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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(tǒng)

4、無人機遙感技術：鼠害監(jiān)測

  研究學者利用無人機影像發(fā)現(xiàn)并提取出鼠害信息，同時，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和地面調(diào)查數(shù)據(jù)，選取了歸一化植被指數(shù)(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(jié)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(shù)為0.748，結(jié)果與地面調(diào)查數(shù)據(jù)較為一致，若爾蓋草原東南部地區(qū)鼠害影響范圍較小，往北則鼠害趨勢明顯加重，呈現(xiàn)多尺度密集分布的特點。

左圖：紅星鄉(xiāng)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(tài)實驗室技術人員使用FluorTron^®多功能高光譜成像系統(tǒng)進行了治療蚜蟲的靶向農(nóng)藥檢測篩選實驗。該實驗以植物培養(yǎng)平臺培養(yǎng)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(tǒng)分別采集兩次UV-MCF紫外光激發(fā)生物熒光高光譜數(shù)據(jù)，噴藥前進行第一次數(shù)據(jù)采集，噴藥72h后進行第二次數(shù)據(jù)采集。

  結(jié)果顯示，施藥后葉綠素熒光強度提高，比值指數(shù)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）

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圖：FluorTron多功能高光譜成像分析系統(tǒng)

北京易科泰生態(tài)技術公司提供植物保護研究全面技術方案：

• FluorTron^®多功能高光譜成像分析系統(tǒng)
• FluorCam葉綠素熒光成像系統(tǒng)
• FluorTron^®植物光合表型成像分析系統(tǒng)
• FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)
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• Ecodrone^®輕便型一體式多光譜-紅外熱成像無人機遙感系統(tǒng)
• Ecodrone^®一體式高光譜-紅外熱成像-激光雷達無人機遙感系統(tǒng)