植物保護(hù)學(xué)是農(nóng)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，主要研究如何通過(guò)科學(xué)管理來(lái)預(yù)防和控制農(nóng)作物的病害、蟲(chóng)害、草害以及鼠害等問(wèn)題，以確保全 球糧食安全、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、維護(hù)人類健康、防止生物入侵、促進(jìn)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(shí)際應(yīng)用中，植物保護(hù)學(xué)的這些原則和策略被轉(zhuǎn)化為一系列具體的防控案例。

案例一：葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量技術(shù)+高光譜測(cè)量技術(shù)：植物病害識(shí)別和評(píng)估

       南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員利用機(jī)器學(xué)習(xí)和多模態(tài)數(shù)據(jù)識(shí)別和監(jiān)測(cè)小麥穗期的赤霉?。‵HB）。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)高光譜成像、葉綠素?zé)晒獬上?/b>和高通量表型平臺(tái)等技術(shù)，收集了小麥穗在赤霉病從無(wú)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(duì)疾病敏感的特征，并通過(guò)方差膨脹因子分析和ML-SFFS算法對(duì)這些特征進(jìn)行融合，開(kāi)發(fā)出一種識(shí)別小麥赤霉病和評(píng)估病情嚴(yán)重程度的方法。

       研究發(fā)現(xiàn)，生化參數(shù)、光譜反射、葉綠素?zé)晒鈪?shù)等在小麥與病原體相互作用時(shí)表現(xiàn)出一致的變化。在無(wú)癥狀病害檢測(cè)中，最優(yōu)特征組合為兩到三種，平均分類準(zhǔn)確度達(dá)到87.04%，且隨著病情加重，準(zhǔn)確度可提高至95%。這一研究為實(shí)時(shí)、非破壞性地監(jiān)測(cè)小麥赤霉病提供了有效方法，對(duì)指導(dǎo)精準(zhǔn)施藥和控制病害傳播具有重要意義。

左圖：麥穗葉綠素?zé)晒獬上窠Y(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?zé)晒獬上裣到y(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?zé)晒鈩?dòng)態(tài)成像技術(shù)、葉綠素?zé)晒夤庾V成像技術(shù)、葉綠素?zé)晒獬上衽c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

案例二：葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)：植物蟲(chóng)害研究

       Eugeniamyia dispar是一種特殊的癭蚊科昆蟲(chóng)，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(chóng)癭而聞 名。Rezende等人為了探究E. dispar產(chǎn)生的蟲(chóng)癭如何影響宿主植物葉片結(jié)構(gòu)和功能，以及蟲(chóng)癭組織在光合作用方面的適應(yīng)性，開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)。

       研究中使用了葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)讀非癭葉和成熟蟲(chóng)癭的光合性能進(jìn)行評(píng)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(xì)胞結(jié)構(gòu)上顯示出細(xì)胞肥大，淀粉、蛋白質(zhì)和還原糖等主要分布在癭的幼蟲(chóng)室周?chē)茸兓?，為幼蟲(chóng)發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)。癭組織仍保持了低水平的光合作用能力，但葉綠素?cái)?shù)量和光合活性均低于非癭葉。

左圖：紅果仔枝條上的蟲(chóng)癭和非癭葉；右圖：葉綠素?zé)晒獬上窠Y(jié)果

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左：FluorTron?葉綠素?zé)晒獬上穹治鱿到y(tǒng)；中圖：新型FluorCam 1300植物葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光成像系統(tǒng)；右圖：FluorCam開(kāi)放式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)

3、高光譜技術(shù)：玉米田間雜草識(shí)別與預(yù)測(cè)

       研究學(xué)者探究了基于近地光譜特征的玉米田間雜草識(shí)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(guò)數(shù)據(jù)預(yù)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(yù)測(cè)玉米田間雜草。

       實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，貝葉斯判別函數(shù)模型在玉米田間雜草識(shí)別上的正確率達(dá)到了85.8%，對(duì)玉米的識(shí)別精度達(dá)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(duì)玉米田間雜草識(shí)別較為重要。這些發(fā)現(xiàn)指出了高光譜技術(shù)在雜草識(shí)別方向上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。研究結(jié)果為田間雜草識(shí)別及光譜傳感器提供了參考，有助于提高精準(zhǔn)施藥技術(shù)，減少化學(xué)除草劑的過(guò)量使用。

左圖：樣本光譜反射率曲線；中圖：不同特征波長(zhǎng)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(jī)；中圖：Ecodrone無(wú)人機(jī)遙感；右圖：PhenoPlot植物表型成像分析系統(tǒng)

4、無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)：鼠害監(jiān)測(cè)

       研究學(xué)者利用無(wú)人機(jī)影像發(fā)現(xiàn)并提取出鼠害信息，同時(shí)，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(duì)若爾蓋縣的鼠害情況進(jìn)行分析與探討，采用隨機(jī)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(jī)森林對(duì)鼠害進(jìn)行模擬，準(zhǔn)確率可達(dá)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(shì)明顯加重，呈現(xiàn)多尺度密集分布的特點(diǎn)。

左圖：紅星鄉(xiāng)某樣地提取信息；中圖：模型預(yù)測(cè)混淆矩陣；右圖：鼠害模擬情況

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圖：Ecodrone無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)

5、高光譜成像技術(shù)、葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)：白菜苗化學(xué)防治

       易科泰EcoTech?生態(tài)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員使用FluorTron?多功能高光譜成像系統(tǒng)進(jìn)行了治療蚜蟲(chóng)的靶向農(nóng)藥檢測(cè)篩選實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)以植物培養(yǎng)平臺(tái)培養(yǎng)的感染蚜蟲(chóng)的“黃玫瑰”白菜為對(duì)象，選取其中的一片葉子正面噴灑1500倍液吡蟲(chóng)啉溶液（RGB中畫(huà)紅圈），其余部分不做處理（對(duì)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(jìn)行第一次數(shù)據(jù)采集，噴藥72h后進(jìn)行第二次數(shù)據(jù)采集。

        結(jié)果顯示，施藥后葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度提高，比值指數(shù)降低，葉片上的紅色斑點(diǎn)顯著減少（斑點(diǎn)為蚜蟲(chóng)危害造成），說(shuō)明施藥后葉片上的蚜蟲(chóng)死亡，且未對(duì)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(duì)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(shù)公司提供植物保護(hù)研究全面技術(shù)方案：

·  FluorTron?多功能高光譜成像分析系統(tǒng)

·  FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)

·  FluorTron?植物光合表型成像分析系統(tǒng)

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·  PhenoTron?植物表型成像分析系統(tǒng)

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·  Ecodrone?輕便型一體式多光譜-紅外熱成像無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)

·  Ecodrone?一體式高光譜-紅外熱成像-激光雷達(dá)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)