基于近端高光谱传感器评估植物非生物胁迫的综述


发布时间:

2023-01-22

来源:

植物表型资讯

作者:

PhenoTrait

近年来,近端高光谱传感(传感器放置在植物上方10米以内,无论是在陆地平台上还是在受控环境中)在评估植物非生物胁迫中有广泛的应用,在这方面众多学者进行了尝试、取得了令人满意的进展但仍存在许多挑战。由于物理或化学原因(如营养缺乏、干旱、盐分、重金属、除草剂、极端温度等)引起的非生物胁迫往往比生物胁迫(受细菌、真菌、昆虫等传染性因素影响)对作物产量的损害更大。近端高光谱传感可以提供亚毫米空间分辨率的图像,可较好的用于深入研究植物生理,对植物状态进行全面的监测,也能够经济可靠地监测大尺度地理区域的时空变化。
 
高光谱传感器主要分为成像传感器和非成像传感器。非成像传感器采集平均反射率,采样区域由视野和距离决定,其重量轻且便于携带,但无法识别植物胁迫的早期迹象;成像传感器创建了具有两个空间维度和一个光谱维度的三维数据阵列,能对整株植物和单个子叶进行成像,以进行定量或定性分析,可反映非生物胁迫导致的植被健康变化。高光谱传感器具有较宽的电磁光谱范围(350-2500 nm),能够观察植物叶片色素(400-700 nm)、细胞组成(700-1300 nm)和水分含量(1300-2500 nm)的变化。反射率差异能够揭示植物的生理特征,可评估基因型对非生物胁迫的反应,分析过程一般包括四个步骤:(i)数据预处理,(ii)分割,(iii)变量提取, (iv)数据分析。已有研究表明,近端高光谱传感可用来识别植物营养状况、干旱状况、盐碱状况、重金属污染、除草剂的使用、温度胁迫以及其他环境胁迫。此外,近端高光谱传感还可与机载或星载成像传感器相结合在不同尺度下监测非生物胁迫对植物生理状态的影响,最大限度地提高测量的整体效率,这可能是检测和表征植物胁迫的理想方法。
 
 

图1 植物组织与入射光的相互作用及高光谱传感对非生物胁迫进行监测。(a) 典型叶片的横截面图以及光与叶片之间的相互作用,(b) 植物光谱敏感区响应各种胁迫的简要概述,(c) 特征光谱反射率曲线。

 

图2 各种近端高光谱传感器,用于在实验室和野外条件下监测植物的非生物胁迫

 

图3 (a) 2019-2022 (b) 2010-2022 年间使用近端高光谱遥感监测植物非生物胁迫领域的出版物数量分布

 

图4 检测氮含量的高光谱分析程序

 

图5 量化镉浓度的图像处理和数据分析过程图解

 

图6 玉米农场叶片含水量图开发框架。

 

来 源

Sanaeifar A, Yang C, de la Guardia M, et al. Proximal hyperspectral sensing of abiotic stresses in plants[J]. Science of The Total Environment, 2022: 160652.

 

编 辑

刘昕哲

 

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