温室棉二斑叶螨危害的遥感评价

摘要

这手稿描述了有效地检测到早季棉与二斑叶螨种群的不同密度人工侵染损伤多光谱光学传感器。

摘要

本研究的目的是评估地面多光谱光学传感器作为遥感工具，以评估双斑蜘蛛螨 （TSSM） Tetranychus urticae Koch 对温室种植棉花造成的叶面损伤。TSSM 是一种多食性害虫，发生在各种田间和园艺作物上。它经常成为具有破坏性的棉花早季害虫，而不是美国中南部的晚季无害害虫。 杀螨剂的评估对于维持和防止对目前可用的化学品和新开发的控制剂的疗效和耐药性非常重要。用于功效评估的蜘蛛螨计数既费力又耗时。 因此，主观视觉损伤评级通常用于评估蜘蛛螨的密度。 NDVI（归一化差值植被指数）是使用最广泛的统计数据，用于描述植被冠层的光谱反射特性，以评估蜘蛛螨侵扰引起的植物压力和健康状况。 结果表明，多光谱光学传感器是区分荨麻疹对早季棉花引起的不同程度的侵染的有效工具。这种遥感技术可以用来代替目视评级来评估杀虫剂处理。

引言

二斑叶螨， 二斑叶螨 （科赫）是许多领域和园艺植物^1,2的多食性和国际化的有害。它生活在植物^3，4的底部表面上的菌落里面织带。它已经从一个季节晚期到赛季初的害虫中期，美国南部在过去十年⁵进化而来的。 TSSM是棉的^第 5 ^个最具破坏性的害虫和在2011年^6，7引起的棉花和减少0.167％在美国产量57441包损失估计。它的生命周期短，高繁殖力和单倍体二倍体性别决定与消化和解毒外源性化学物质的能力相结合加剧了耐药性的发展，农药^8。目前，杀螨剂保持为邻NLY可靠的控制机制T.螨的抑制。因此，现场昆虫学家不断评估疗效现有和新开发的杀螨剂。

通过叶螨损害的估计通常是通过计分在因为在手动计数螨遇到的困难的主观尺度的损伤进行。一些进行二项式采样，其中感染的叶子的唯一的比例进行评分而不是每叶⁹叶螨的数目。叶变红索引标尺，其从点画和发红变化以植被的广泛发红，被用来作为在估计损害的标准。对棉花T.螨的空间分布图案符合一个集群分布图案^9。螨分布在棉花叶子由疏到大量聚集和现场条件下，依然如此。这种分布格局腠以其体积小，移动性和多产再现PLED使TSSM的枚举困难。为了定量地评价针对TSSM杀螨剂的效力需要用于螨密度的评估可靠的替代技术。

本研究的目的是通过使用光学传感器的多光谱由TSSM的不同密度损坏棉花植物中分离出来。我们的目的是确定地面光学传感器可以进行分类，并从那些由红蜘蛛损坏分开健康棉花植株。

方案

1.斑豆建立TSSM殖民地

1. 植物斑豆， 菜豆 ，在包含在温室的盆栽土的塑料托盘（56×28×5厘米^3）， 如图1。
2. 与根据处理和复制标记棍棒标签的托盘。
3. 设置和维持温室温度至90°F和70％相对湿度。
4. 如图2生长豆1-2枳叶阶段^10。
5. 通过去除感染的叶子收集与螨虫滋生自然植物棉叶螨。
6. 地方红蜘蛛出没棉叶斑豆视需要，直到托盘所有的植物都与众多TSSMs出没。

图1:在塑料种植斑豆托盘。斑豆种子种植在温室中的塑料托盘（56×28×5厘米^3）和每天浇水。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2:平托豆三出复叶。后子叶从土壤中出现所形成的第一片真叶是简单的单叶或叶。随后的叶子是枳叶细齿提示。 请点击此处查看该图的放大版本。

2.将TSSM到棉株

1. 生长非转Bt（未转基因）的棉花植物，以在塑料托盘4-5真叶阶段（56×28×5厘米），在温室中，如步骤1.3中指定并在图3中示出。
2. 在4-5真叶期转乘斑豆红蜘蛛殖民地到年轻的棉花植株。
   1. 转移群众3叶螨为轻度侵染的植物。注:在非常高的水平为患，红蜘蛛形成肿块或棉桃¹¹和被发现挂在叶尖， 如图4所示。
      1. 将含下TSSM群众斑豆尖叶一盘。
      2. 切的斑豆叶尖用剪刀，允许TSSM群众落入盘作为示于图5和6。
      3. 转动盘倒置在棉花植物和抽头TSSM群众到塑料托盘中生长的棉花植物， 如图7。注:每个托盘包含〜100个棉花植株。
      4. 随机分布3名TSSM群众的到棉花植株。
   2. 转移群众20对我来说二烯丙基侵染的植物。
      1. 将含下TSSM群众斑豆尖叶一盘。
      2. 用剪刀剪去斑豆叶的提示，让他们掉进锅里。
      3. 收集在底盘20名群众。
      4. 打开锅倒在棉花植株并且挖掘出TSSM群众在温室募集到约100棉花植株。
   3. 转移群众40为严重侵染的植物。
      1. 将含下TSSM群众斑豆尖叶一盘。
      2. 用剪刀剪去斑豆叶的提示，让他们掉进锅里。
      3. 收集在盘40块。
      4. 打开锅倒在棉厂，挖掘出TSSM群众到〜100棉花植株并且随机传播他们。

图3.用4-5片真叶阶段的棉花植株。钍Ë子叶从土壤中出现如叶状结构面向彼此相反对幼苗茎。顶端分生组织出现过子叶和形成第一片真叶。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4. TSSM群众挂在枳豆叶。 TSSM生活在殖民地，当人口达到高密度，它们形成肿块或铃状结构，在为分散叶尖聚集。 请点击此处查看该图的放大版本。

含有用剪刀TSSM质量图5.切割斑豆叶的提示。含TSSM群众枳豆叶技巧与剪刀为害棉花植株被拆除。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6.豆叶提示TSSM群众放在盘内。当试验植物中发现的与TSSM三叶豆叶提示足够多，他们被拆除，并放入油锅内。这些样品用于侵染处理的类别:轻，中，其中接收到的3,20和40质量TSSM的，分别重。 请点击此处查看该图的放大版本。

图7.关于泛倒挂。含枳豆叶技巧与TSSM将盘子天翻地覆棉花树冠侵扰测试工厂。 请点击此处查看该图的放大版本。

3.扫描TSSM被感染的棉株与多光谱光学传感器

1. 水平安装光学传感器到温室帧地板大约7英尺的如图8。设置扫描仪，并在36" 植物冠层之间的距离，使用一个木匠的水平，以确保传感器器水平。
2. 将棉花植株不受侵染托盘在轮式推车。
3. 激活传感器开关和慢慢推CA直到托盘完全通过传感器头， 如图8中的传感器下室温。关闭开关。退车。
4. 重复步骤3.3三次，总共3次重复。
5. 重复此过程棉花所有托盘。
6. 在第1天重复扫描，第5天，第6天，第7天，第9天，第10天，第12天，第13天以及第14天治疗后（DAT）。提供的NDVI（归一化植被指数）的扫描值^12。发送NDVI值和存储口袋PC，然后在文本格式下载到计算机上。
   注:NDVI由下列公式计算:NDVI =（NIR - RED）/（NIR + RED），其中红色和NIR是在红色和近红外在660和770的频谱的光谱反射率值（0-255）纳米，分别。

图8.亩用于定量测量与TSSM的变化的密度水平侵染的棉花植物的健康ltispectral光学传感器。与试验植物轮式手推车传感器头下缓慢遍历来获得光谱反射率值。 一个是传感器头; b为袖珍PC; c是电池舱和输入/输出端口; d为RS-232串行数据线和e是牛皮纸，以提供均匀的背景。 请点击此处查看该图的放大版本。

4.数据分析

1. 获得使用PROC手段程序¹³的最大NDVI值。计算值NDVI减少百分数使用0天作为参考值的观察的每一天。使用重复测量的PROC GLM程序分析数据 13。
   注:手段是利用邓肯的多范围检验在P = 0.05隔开。用相同的小写字母表示没有显著不同。
2. 如图9执行数据¹⁴的图形说明。

图9.减少百分数或治疗后NDVI相对变化到数天。 JMP软件用于图形地示出的变化百分比之间在NDVI相对于采样的天（DAT）的功能关系。 请点击此处查看该图的放大版本。

结果

该传感器发射红光和红外光该光反过来获取反射从植物冠层背面。该反射光作为可见光和电磁光谱的近红外波段的定量测量，并且数字记录为NDVI（归一化植被指数）读数。的NDVI值从0变化到0.99。在该NDVI读健康的植物冠层较高。健康植被吸收可见光和反射近红外光，不健康的植被反射更多的可见光和更少的近红外光。 NDVI用作代用品光合作用活性和该光谱性质是高度相关于光合有效辐射^{15，16，17，18。} NDVI的非常低的值（0.1或以下）对应于岩石的贫瘠区域或砂，而适中的值（0.2〜0.3）表示灌木，草地和高值（0.6〜0.8）表示温带和热带植物。在光谱的红色和近红外区域下白天照明获得的反射率的测量。

NDVI从以下方程计算:NDVI =（NIR - RED）/（NIR + RED），其中红色和NIR是在660和770处的光谱反射率值（0-255）在红和近红外光谱，分别。传感器记录的反射率值，每100毫秒。从由传感器每次采取NDVI值的阵列剔除最大NDVI读数在分析来最小化背景的反射率，并提供一致的可重复的数值。

的数据的方差分析表明，轻轻地之间观察到在NDVI降低百分比显著差异，米相比于未处理的对照edially和重度侵染的棉花植物（F = 436.4; P <0.0001; DF = 3，32）。这在测试期间观察天之间变化显著描述的植物活力的NDVI值（DF = 8，256 F = 1398.2; P <0.0001）。另外，在NDVI值减少百分数呈负相关，以在观察期间（DAT）的治疗方法，但很少倾向于从该图案偏离，并与DAT显著相互作用（F = 201.5; P <0.0001; DF = 24，256） 。对于没有DAT效果MANOVA测试标准是显著以及（威尔克的λ= 0.00913; F = 339.0; P <0.0001; DF = 8，25）。类似地，DAT和治疗之间的相互作用是显著（威尔克的λ= 0.00101; F = 29.8; P <0.0001; DF = 24，73）。

图9示出了如在观察期间通过NDVI值证明在植物活力百分比变化。正每在NDVI值百分比变化表示健康生长的植物，而负值表明植物的活力有所减少由于第一测量（ 即第0天）制成。在整个研究过程中的非受侵染的对照植物表现出增加的营养生长，而TSSM侵染的植物卫生随着时间的推移呈现下降。在表1所示的处理意味着分离显示，在治疗类别（轻，中，重）和对照之间在NDVI降低百分比没有可定义差异观察到直到第5天当侵染类从控制显著偏离并且此后这样压倒性保持。该数据证明，所述光学传感器可以代替劳动密集型人工取样的被有效地用于评估针对棉花杀螨剂治疗功效。

天处理（DAT）后
侵扰范畴	1	五	6	7	9	10	12	13	14
控制	1.18±0.33A	2.70±0.40A	4.0±0.36A	3.94±0.37a	3.68±0.53A	2.57±0.42A	2.96±0.47A	3.48±0.38A	3.08±0.22A
光	-0.13±0.13b	-0.71±0.29b	-0.65±0.28b	-2.02±0.47b	-5.68±0.72b	-11.17±0.94b	-15.73±1.76b	-19.54±1.68b	-24.9±1.90b
中	-1.83±0.42c	-7.06±0.63c	-9.61±0.53c	-10.39±0.57c	-17.06±0.80℃	-26.92±0.72c	-33.84±0.96c	-37.05±1.14c	-41.74±0.73c
重	-0.97±0.58bc	-11.76±0.29d	-13.83±0.86d	-15.20±0.63D	-25.0±1.0D	-34.63±0.54d	-39.07±0.94d	-42.68±0.62d	-46.71±0.63

表1:棉花植物后在最大NDVI减少百分数与不同集群或TSSM的质量的数目侵染。在温室中的塑料托盘中生长的棉花植物与三类叶螨密度的侵染。类光接收3块或簇TSSM的每盘，类别介质接收每盘20层的质量和类重型接收40名群众每托盘。手段是从控制根据邓肯的MULT分离IPLE范围测试（P = 0.05）。装置随后通过相同的小写字母不是在概率的5％的水平显著不同。

讨论

在该领域中进行以往，杀虫剂效力测试包括以不同速率施加，并与未经处理的支票的化学的几种治疗方法。用针对TSSM的龄和成虫阶段变化的毒性特征杀螨剂评估，以确定是否由它们引起的损害可以通过化学处理来减少。 TSSM收集样品并带到其中它们在显微镜下检查和TSSM的不同阶段进行计数并记录的实验室。采取宿主植物的足够样本以确定在每个治疗的损伤和具有统计学上可接受的精度区分它们是非常重要的。所需要的彼此区分处理的样本的数目取决于生物体的分布轮廓。在TSSM的高度片状分布导致了相当数量的样本地区之间的差异，许多工厂必须进行采样为了确保人口估计的重现性。然而，预算，人力，时间和统计精度是在采样技术，冲击的重要因素。它理应研究者以最佳地分配可用资源，用最少的成本，但与大多数的精度进行采样。

代替计数TSSM阶段昆虫学家视觉评分基于损坏的不同水平的无损伤的分的损坏。例如，一些研究人员提出二项抽样，其中感染的叶子只有比例进行评分，而不是每个叶片^9，19叶螨的数量。其他基于叶子变红索引标尺，其从点画和变红到植物冠层¹⁹的广泛变化变红棉花由TSSM估计的损害。这些方法是任意的，轶事和损伤的程度的个体感知偏置。造成TSSM损害的更强大和定量评估，需要评估和处理与统计精度分开。

基于地面的多光谱光学传感器似乎是一种改进的采样工具以定量测定由TSSM造成的损害和对治疗不是由许多研究人员采用的视觉损害评分系统更精确地分离。然而，研究人员已经报道了数据密集型光谱遥感提供了许多光谱特征来识别和比较多光谱遥感这是较少的数据密集的带有两个波长度^20，21检测的作物的应力和冠层的特性。使用高光谱仪，Reisig和戈弗雷发现NIR反射波长≈850纳米，在区分一个信息从频谱未侵染的棉花²²节肢动物侵染的。在这项研究中，我们已经表明，多光谱反射率值（NIR值为≈770纳米）仅使用两个光谱带能够鉴定和表征与TSSM的不同密度侵染的棉花植物。此外，我们先前报道，多光谱光学传感器不仅能有效分离出没TSSM的广泛不同密度类别棉花植物，但也显示，螺甲螨是比一半在温室早季棉控制TSSM阿维菌素更有效最低的标示率²³的速度。

多谱光传感器可以被安装在移动的研究平台和反射率值可以从植被檐处理区域没有人的主观性而获得。杀螨效力数据因此可以被没有太多的人力劳动获得。该NDVI数据可以轻松上传到计算机，并使用商业统计进行分析软件。 GPS接收器也可安装到所述移动平台来收集GPS为了产生场的损坏地图坐标。从植物冠层使用多光谱反射特征，所述多光谱光学传感器提供了鉴定和定量植物胁迫的快速和成本有效的手段。此外，该字段的一个大得多的区域可以在更短的时间内覆盖有植物冠层的空间分辨率更高的相对于传统的字段侦察。重要的是要记住的门槛损害水平TSSM棉花是从区域到美国区域变量是很重要的。例如，TSSM损伤将是干旱环境下更高如在加州相比中南部区域降雨量和高湿度经常为准^24。因此，为了TSSM损坏由于产量损失将是可变的，所以是损伤阈值。然而，来自密西西比州，阿肯色州和田纳西州的报告显示，阈值水平对棉花TSSM似乎是当植物的30〜50％侵染和人口正在积极增加^5。此外，田间生长的植物暴露于多种胁迫，包括水应力和节肢动物食草动物喂养和这些活动之间的相互作用可以显着减少工厂生产力和可能影响损伤阈值。该TSSM可降低气孔导度，光合作用和蒸腾速率棉花^25。在温室中生长的植物通过UV光照射的影响，它不影响显著气孔功能，光合作用和篷形态^26,27和很可能对植物胁迫的添加剂的效果。然而，TSSM能够避免UV辐射由具有访问栖植物冠层^{28，29 <}的下表面上保护免受太阳辐射/ ^SUP>，30，在那里它驻留。

目标篷和相对于目标的传感器的方位上述光学传感器的高度是显著受多光谱光学传感器³¹所获得的反射率值的重要因素。例如，当移动的研究平台通过一排农作物字段遍历诸如当棉篷打开时，传感器可能产生，这取决于传感器的取向不同的结果，或者平行于或者垂直于该行。它也可能是土壤和其它背景材料可极大地影响传感器读数，特别是当所述传感器被垂直于行方向。为了获得从传感器最大响应，传感器头应线被定向以与直接的行之上。虽然垂直定向的光束将行更容易拿起回地面土壤反射，这可以，是可以接受的，然而，当棉花篷与茂密的植被关闭。此外，运营商应当遵循的81-122厘米的操作高度范围制造商的建议和定向在线传感器头与所述目标，以获得最大信号的响应。重要的是要在使用前的传感器电池充电是很重要的，或者它应保持插入到避免故障排除。低电池电量可能会产生错误的读数。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
GreenSeeker	Trimble Ag. Division Westminster， CO	型号 505	红色 NDVI 传感器
斑豆	生产者合作社，布莱恩，德克萨斯州	不适用	自由选择项目
Deltapine 棉花种子	Brazos Bottom Crop Care，考德威尔，TX77836	不适用	436 RR;非 Bt 和RoundUp Ready
塑料托盘	BWI， Schulenberg， TX	FG1020NL7	56 cm x 28 cm
标签棒	Gempler's， Janesville， WI 53547	项目 # 151276	耐用的尖刺式花盆标记
4 轮花园手推车	Farm Tek， Dyersville， IA 52040	项目 # 108676	61 厘米 x 122 厘米