基于近距离成像高光谱的水稻叶瘟病早期探测机理与方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    41871259
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    D0113.遥感科学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Rice blast is the most devastating disease with frequent occurrences in all major rice production regions of China. The early detection of this disease with hyperspectral remote sensing is crucial for managing prevention practices and reducing yield loss. Previous studies focused on the spectral discrimination of disease levels after the emergence of visible symptoms, but did not pay much attention to the dynamics of spectral responses to the disease at the early stage. The mechanism and methods are scarce on the early detection of rice blast with imaging spectroscopy. To address these issues, we propose this project based on a greenhouse experiment with artificial inoculation of the fungal pathogen and plan to carry out systematic studies in five aspects with intensive analyses of hyperspectral imagery of rice leaves. The research contents include the leaf-level spectral responses to the disease and physiological foundation, the determination of disease sensitive spectral features from the central pixels of disease spots, the spatial and temporal variation in the spectral properties of visible and pre-visual spots, the influence of disease stress on the retrieval of biochemical parameters and the within-leaf radiative transfer process, and the discrimination of healthy and diseased leaves based on within-leaf anomaly ratios of biochemical and spectral parameters. The outcome of this project will be to establish a suite of theory and methodology for the early detection of rice leaf blast with close-range imaging spectroscopy data, and to build robust models for discriminating healthy and diseased leaves based on the fusion of within-leaf spectral and spatial information. By taking advantage of those leaf hyperspectral images, we expect to reveal the mechanism of the spectral responses to rice leaf blast at leaf and pixel scales and to make significant contributions to the theory and methods on the early detection of rice diseases. This project will provide important support to the dedicated effort on developing a robust and operational system for the remote and timely detection of rice diseases in the future.
稻瘟病是全国各水稻产区均有发生的最具毁灭性的病害,利用高光谱遥感技术实现病害的早期探测,对于适时防控和减少损失具有重大意义。当前研究对明显症状出现后病情等级的光谱识别关注较多,而对病害早期阶段的光谱响应特性研究不够深入,针对早期病害的成像高光谱探测机理和方法还非常缺乏。项目拟在温室开展叶瘟病菌人工接种试验,以叶片高光谱影像分析为核心,围绕叶瘟病胁迫下叶片水平光谱响应规律及其生理基础、基于中心像素的叶瘟病敏感光谱特征、叶内可见与潜在病斑光谱时空变化规律、生化参数反演及叶片辐射传输的响应特性、基于叶内生化与光谱异常率的感病叶片识别模型等五个方面开展研究。拟建立一套基于近距离成像高光谱平台的叶瘟病早期探测理论与技术,构建融合叶内光谱与空间信息的感病叶片识别模型。项目拟阐明水稻叶片对叶瘟病的光谱响应机理,在病害早期识别理论与方法上取得突破,为构建稳定高效的水稻病害监测系统提供重要技术支撑。

结项摘要

稻瘟病是威胁全球水稻生产的最具破坏性的真菌病害。现有的稻叶瘟发病信息主要通过田间调查来获取,该方法不仅费时费力,而且存在以点代面的代表性差等弊端,难以满足大范围稻瘟病高时效高精度监测的需求。国内外研究多集中在肉眼可见病斑出现之后的病情等级或者严重度估算,很少关注稻叶瘟侵染早期的光谱探测研究,并且缺乏对稻叶瘟高度敏感、可适用于叶片(个体)和冠层尺度(群体)的光谱指数。本项目针对这些问题,借助于先进的光谱分析和空间统计方法主要开展了以下研究:(1)基于近距离成像光谱的稻叶瘟潜在病斑识别;(2)构建基于近距离成像光谱的穗腐病病情严重度估算模型;(3)解析从单叶到冠层尺度稻叶瘟侵染引起的水稻光谱响应规律;(4)构建基于机器学习和特征选择的稻叶瘟早期监测模型;(5)创建适用于多尺度的稻叶瘟敏感光谱指数RIBI,并对多试验点冠层稻叶瘟病情指数进行估算;(6)构建基于RIBI影像热点分析的小农户田块稻叶瘟时空传播动态监测技术。.本研究基于多年温室和野外实验,分别从叶片、近地面冠层和卫星平台获取的多年多试验点实测数据,得到一系列重要成果如下:(1)改进了基于近距离叶片高光谱影像的辐射传输模型反演方法,解析了叶内病斑光谱特性的时空变异规律;(2)提出了穗腐病敏感光谱指数,构建了基于近距离成像光谱数据的穗腐病病情严重度监测方法;(3)构建了一套耦合机器学习与敏感光谱特征选择的分类方法,首次实现了稻叶瘟无症状期的感病叶片高精度识别;(4)创建了稻叶瘟敏感植被指数,显著提升了单叶感病叶片识别和冠层尺度稻叶瘟病情指数估算精度,并基于卫星影像植被指数热点分析,首次揭示了小农户田块稻叶瘟时空演变规律。本研究为基于近距离高光谱遥感的稻叶瘟智能监测系统奠定了基础,为多尺度稻瘟病高光谱监测提供重要理论支撑。项目执行期间发表SCI论文11篇(含RSE论文 4篇),申请发明专利1项,培养硕士与博士研究生5人。项目负责人获中国作物学会青年科技奖,入选农业农村部神农青年英才。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(3)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Laboratory shortwave infrared reflectance spectroscopy for estimating grain protein content in rice and wheat
实验室短波红外反射光谱法估算稻米和小麦的谷物蛋白质含量
  • DOI:
    10.1080/01431161.2021.1895450
  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
    International Journal of Remote Sensing
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Yan Y;Zhang X;Li D;Zheng H;Yao X;Zhu Y;Cao W;Cheng T
  • 通讯作者:
    Cheng T
Quantification of rice spikelet rot disease severity at organ scale with proximal imaging spectroscopy
利用近端成像光谱法在器官尺度上量化水稻小穗腐病的严重程度
  • DOI:
    10.1007/s11119-022-09987-z
  • 发表时间:
    2023-01
  • 期刊:
    Precision agriculture
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Xue B;Tian L;Wang Z;Wang X;Yao X;Zhu Y;Cao W;Cheng T
  • 通讯作者:
    Cheng T
An assessment of Planet satellite imagery for county-wide mapping of rice planting areas in Jiangsu Province, China with one-class classification approaches
采用一类分类方法对中国江苏省全县水稻种植区制图的 Planet 卫星图像进行评估
  • DOI:
    10.1080/01431161.2021.1964710
  • 发表时间:
    2021-10
  • 期刊:
    International Journal of Remote Sensing
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Zhang X;Yang G;Xu X;Yao X;Zheng H;Zhu Y;Cao W;Cheng T
  • 通讯作者:
    Cheng T
Assessing a soil-removed semi-empirical model for estimating leaf chlorophyll content
评估用于估计叶片叶绿素含量的去土半经验模型
  • DOI:
    10.1016/j.rse.2022.113284
  • 发表时间:
    2022-12
  • 期刊:
    Remote Sensing of Environment
  • 影响因子:
    13.5
  • 作者:
    Li D;Chen J M;Yu W;Zheng H;Yao X;Cao W;Wei D;Xiao C;Zhu Y;Cheng T
  • 通讯作者:
    Cheng T
DESTIN: A new method for delineating the boundaries of crop fields by fusing spatial and temporal information from WorldView and Planet satellite imagery
DESTIN:一种通过融合 WorldView 和 Planet 卫星图像的时空信息来描绘农田边界的新方法
  • DOI:
    10.1016/j.compag.2020.105787
  • 发表时间:
    2020-11-01
  • 期刊:
    COMPUTERS AND ELECTRONICS IN AGRICULTURE
  • 影响因子:
    8.3
  • 作者:
    Cheng, Tao;Ji, Xusheng;Cao, Weixing
  • 通讯作者:
    Cao, Weixing

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其他文献

压缩感知中高斯矩阵的优化研究
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    2018
  • 期刊:
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  • 作者:
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    巩强
高校护理专业女生童年期性虐待经历与自伤行为的相关性
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  • 发表时间:
    2020
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    --
  • 作者:
    屈薇娜;杨燕;陈俐如;肖子怡;李娜;安梦晴;蔡紫红;程涛;苏普玉
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    苏普玉
前列腺特异性膜抗原、α-甲基酰基辅酶A消旋酶在前列腺癌中的表达及其临床意义
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  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
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  • 作者:
    沈红;王芳;程涛;陈俊
  • 通讯作者:
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铜尾矿在高速公路软土地基换填上的应用研究
  • DOI:
    10.13393/j.cnki.issn.1672-948x.2018.05.007
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    三峡大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    朱千凡;郭永成;晏斌;肖洋;程涛
  • 通讯作者:
    程涛

其他文献

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基于小波分析的作物冠层结构与生理生化参数光谱响应分解研究
  • 批准号:
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相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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