松材线虫危害下马尾松光谱特征与估测模型研究

摘要：

松材线虫病又叫松树枯萎病, 是由于松材线虫寄生在松树上引起的毁灭性死亡病害, 其发病速度快、传播迅速、防治难度大.如何识别松材线虫害并对其程度进行估测, 对我国森林资源及生态环境保护具有重要意义.研究表明, 马尾松叶绿素、水含量会随着虫害程度的加深逐渐减少, 不同虫害程度的马尾松光谱反射率呈现较大差异, 因此光谱分析技术在虫害程度估测方面具有独特优势.针对不同虫害程度的马尾松样本, 研究了其光谱特征参数的变化规律, 以实测光谱特征参数为自变量, 样本虫害程度量化值为因变量, 利用线性回归方程构建了虫害程度估测模型.该研究在光谱特征指标选择和估测模型方法上作了有价值的探索, 对评估松材线虫病害有一定的指导意义, 可为相关研究及当地精准农业提供科学支持和应用参考.首先针对不同虫害程度的马尾松样本, 研究其在绿光、红光及近红外波段内的光谱反射率变化规律, 构建指示样本虫害程度的六个光谱特征参数:绿峰反射率 (RGP) 、绿峰位置 (GPP) 、红谷反射率 (FRB) 、红谷位置 (RBP) 、红边斜率 (RES) 、红边位置 (REP), 分析光谱特征参数与虫害程度的相关性.然后构建虫害程度估测模型, 其步骤可描述为: (1) 计算健康、轻度、中度、重度四种不同虫害程度下的样本光谱特征参数RGP, FRB和RES; (2) 量化健康、轻度、中度、重度四种样本虫害程度值; (3) 以实测光谱特征参数为自变量, 样本虫害程度量化值为因变量, 利用线性回归方程构建虫害程度估测模型.实验中选取重庆市涪陵区永胜林场、冒合寨工区的马尾松林为研究对象, 随机选取健康、染病、完全枯死的马尾松植株进行监测.数据采集过程中使用ASD野外光谱分析仪FieldSepc4, 采集波段范围为从可见光400 nm到近红外波段1 100 nm处, 分辨率为1 nm.共采集了70条马尾松植株的有效光谱数据, 根据不同虫害程度, 将其划分为健康、轻度、中度、重度和枯死五种类型, 并利用Matlab软件进行处理分析, 得到其光谱反射率曲线.选择涵盖绿光区 (510～580 nm) 、红光区 (620～680 nm) 和近红外区 (680～780 nm) 三个波段, 计算各个波段的光谱特征参数, 构建虫害程度估测模型.实验结果表明: (1) 针对枯死样本, 其"绿峰"和"红谷"特征消失, 红边陡峭上升趋势被拉平.其他几种类型样本光谱特征参数RGP, FRB和RES与虫害程度呈负相关, 虫害程度越深, 其光谱特征参数值越小, 即健康 (RGP)＞轻度 (RGP)＞中度 (RGP)＞重度 (RGP), 健康 (FRB)＞轻度 (FRB)＞中度 (FRB)＞重度 (FRB), 健康 (RES)＞轻度 (RES)＞中度 (RES)＞重度 (RES). (2) 随着虫害程度加深, 光谱特征参数GPP向长波方向移动, 即存在"红移"现象, 而光谱特征参数RBP和REP向短波方向移动, 即存在"蓝移"现象. (3) 与一元线性估测模型相比, 二元线性估测模型具有较大的相关系数R2, 较小的估计误差E以及残差.实验中对两棵马尾松样本虫害程度进行估测, 二元线性估测模型的结果为PD=2.990 7和PD=3.679, 与实际情况相符.在后续研究中将对1 100～2 500 nm波段特征进行相关性分析.

关键词：松材线虫、光谱反射率、光谱特征参数、虫害程度、估测模型

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分类号：TP3(计算技术、计算机技术)

资助基金：国家自然科学基金项目61601060;国家大学生创新创业训练计划项目201610647067,201710647003;涪陵区科技计划项目FLKJ2015ABB1099;重庆市教委科学技术研究项目KJ15012014,KJ1601208

在线出版日期：2019-06-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共8页

页码：865-872