Early detection of some insect pest infestations in potato and sugar beet using hyperspectral technique /
الكشف المبكر للإصابة ببعض الآفات الحشرية التى تصيب البطاطس وبنجر السكر بإستخدام تقنية البصمة الطيفية
by Amira Hassan Ahmed Moursey ; Supervisors Dr. Sayeda Sayed Ahmed, Dr. Mona Abdel-Rahman Awad, Dr. Magda Mohamed Khattab, Dr. Ibtisam Abdel-Moneim Hemeida.
- 204 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2025.
Bibliography: pages 176-204.
Potato and sugar beets are among the most important crops in Egypt, but these crops are infested by a wide range of insect pests such as Gryllotalpa gryllotalpa. As well as the potato tuber moth, Phthorimaea operculella, that causes significant economic losses in potato production. Therefore, this study aims to evaluate the percentages of damage and yield losses due to the infestation with G. gryllotalpa and Ph. operculella on potato plants and G. gryllotalpa on sugar beet plants. Also, this study concerns to use of remote sensing and spectral signature as a new approach in the diagnosis and detection of infestation with theses insect pests. To achieve that, artificial infestation levels by G. gryllotalpa were performed on potato and sugar beet fields to evaluate the impact of this destructive pest on potato and sugar beet production. While natural infestation was evaluated on Ph. operculella to study the damage in the potato crop. The ground-based spectroradiometers were addressed to differentiate between all infestation levels and determine the spectral band regions that can be used to discriminate between healthy plants and all infestation levels. To predict insect infestation, Spectral vegetation indices (SVIs) were calculated and correlated with infestation percentages of tested insects to achieve appropriate linear regression equations. The results showed that the damage caused by G. gryllotalpa to potato plants gradually increased with increased the level of infestation, reaching 39.17 % in the 2016 season and 37.31 % in the 2017 season at severe infestation level. In addition to, the infestation rate in potato tuber reached to 56.13 % and caused 21.95 % weight loss at the same level of infestation during 2016 season. Also, Ph. operculella attacked the potato plant on 7th week of plant age with low infestation rate and the infestation rate reached the highest values in 11th week at Qaha region (20 %) and in 10th week at El-Nubaria region (40 %). For sugar beet plants, G. gryllotalpa caused 45.13 and 56.02 % infestation rate in Qaha and Dimu farm at the highest level of infestation. For potato plant stress by G. gryllotalpa, visible bands (blue green, red) and invisible bands (SWIR1&SWIR2) discriminate between infestation levels in the tuber formation stage. Four indices (MSI, TACARI/OSAVI, VI and NDWI) can used for predicting the infestation with G. gryllotalpa in potato plants. The red and NIR regions were able to discriminate significantly between infestation levels with Ph. operculella in the tuber bulking stage of potato. However, the MACARI, TACARI, and TACARI/OSAVI indices can contribute the prediction of Ph. operculella. For sugar beet plant stress caused by G. gryllotalpa, visible bands were able to discriminate between infestation levels on the leaf developmental stage. Ten SVI indices (NDVI, VI, SAVI, CL-RE, OSAVI, TACARI/OSAVI, RVI, NDWI, GNDVI, and MSI) can be used to predict G. gryllotalpa infestation of sugar beet plants vegetative stages among Qaha and Dimu regions. Therefore, the hyperspectral remote sensing techniques could help for detection and prediction of G. gryllotalpa on potato and sugar beet plants as well as Ph. operculella on potato fields. تعد البطاطس وبنجر السكر من بين المحاصيل الأكثر أهمية في مصر، ولكن تتعرض هذه المحاصيل للإصابة بمجموعة واسعة من الآفات الحشرية، كالحفار Gryllotalpa gryllotalpa و فراشة درنات البطاطس Phthorimaea operculella مما يتسبب في أضرار بالغة تؤدي إلى انخفاض كبير في الإنتاجية. تهدف هذه الدراسة إلى تقدير الضرر والفقد في المحصول الناتج عن الإصابة بالحفار و فراشة درنات البطاطس على نباتات البطاطس وكذلك الضرر الذى يسببه الحفار على نباتات بنجر السكر. كما ركزت الدراسة علي إستخدام تقنية الإستشعار من بُعد والبصمة الطيفية للتنبؤ بالإصابة بهذه بالآفات الحشرية. ولتحقيق ذلك تم إستحداث مستويات مختلفة من الإصابة بالحفار (5 و 10 و 15 حشرة كاملة/ خط) علي نباتات البطاطس وبنجر السكر، بينما تم تقييم الإصابة الطبيعية لحشرة فراشة درنات البطاطس. تم إستخدام أجهزة الإستشعار الأرضية للتفرقة بين جميع مستويات الإصابة وتحديد النطاقات الطيفية المؤثرة للتفرقة بين النباتات السليمة ومستويات الإصابة المختلفة. كما تم حساب مؤشرات الغطاء النباتي (SVIs) وربطها بنسب الإصابة بالحشرات المختبرة عن طريق تحقيق معادلات الإنحدار الخطى وذلك للوصول لمعادلات للتنبؤ بالإصابة بهذه الحشرات. أظهرت النتائج أن نسبة إصابة نباتات البطاطس بالحفار يزداد تدريجيًا مع زيادة مستوى الإصابة، حيث وصل إلى 39.17٪ في موسم 2016 و 37.31٪ في موسم 2017 عند أعلى مستوى من العدوى. بالإضافة إلى ذلك، فقد وصل معدل الإصابة في درنات البطاطس إلى 56.13٪ وتسبب في فقد فى الوزن بنسبة 21.95٪ عند نفس مستوى العدوى خلال موسم 2016. وبالنسبة لفراشة درنات البطاطس، بدأت مهاجمة نبات البطاطس في الأسبوع السابع من عمر النبات بمعدل إصابة منخفض ووصل معدل الإصابة إلى أعلى قيمة في الأسبوع الحادي عشر في منطقة قها (20٪) وفي الأسبوع العاشر في منطقة النوبارية (40٪). بالنسبة لنباتات بنجر السكر، تسبب الحفار في معدل إصابة وصل إلى 45.13٪ و 56.02٪ في مزرعتى قها وديمو عند أعلى مستوى من العدوى الصناعية. بالنسبة لإجهاد نبات البطاطس نتيجة حشرة الحفار، إستطاعت النطاقات المرئية (الأزرق، الأخضر والأحمر) و النطاقات غير المرئية (SWIR-1, SWIR-2) التفرقة بين مستويات الإصابة المختلفة في مرحلة تكوين الدرنات tuber formation كما أظهرت أربع مؤشرات نباتية MSI)، TACARI/OSAVI، VI،NDWI) قدرة على التنبؤ بحشرة الحفار فى حقول البطاطس. بالنسبة لإجهاد نبات البطاطس نتيجة الإصابة بفراشة درنات البطاطس، كان نطاق الاشعة الحمراء والأشعة تحت الحمراء القريبة قادرة على التفرقة بين مستويات الإصابة المختلفة في مرحلة صب الدرنات tuber bulking ، كما ساهمت مؤشرات الغطاء النباتMACARI ، TACARI وTACARI/OSAVI في التنبؤ بفراشة درنات البطاطس. أما بالنسبة لإجهاد نبات بنجر السكر الناجم عن الإصابة بحشرة الحفار، كانت النطاقات المرئية فقط قادرة على التمييز بين مستويات الإصابة في مرحلة نمو الأوراق the leaf developmental stageو كانت عشرة مؤشرات نباتية NDVI)، VI، SAVI، CL-RE، OSAVI، TACARI/OSAVI، RVI، NDWI، GNDVI، وMSI ) قادرة على التنبؤ بإصابة الحفار علي المراحل الخضرية لنباتات بنجر السكر بمنطقتي قها وديمو. ولذلك تعد هذه النتائج مهمة في تطوير أساليب تنبؤ حديثة بالافات الحشرية المختبرة، حيث أثبتت تقنية الإستشعار من بعُد فائق المدى القدرة علي الكشف والتنبؤ بالحفار على نباتات البطاطس وبنجر السكر وفراشة الدرنات علي محصول البطاطس.