松材線蟲病無人機(jī)高光譜監(jiān)測現(xiàn)狀與展望

松材線蟲病是一種由松材線蟲引起的毀滅性森林疾病，1982年由原產(chǎn)地北美洲入侵到我國的南京山陵，被人們稱為松樹的癌癥。它與松墨天牛共寄生于松類樹中，常出現(xiàn)在一年生嫩枝、二三年枝皮部。該蟲害具有極大的破壞性，在無人為干擾情況下，染病樹株會快速死亡，從早期感染到晚期死亡，最快只需40d。松材線蟲在我國的媒介昆蟲至少8種，寄主感染的松樹至少17種，其中馬尾松、華山松、云南松、油松、紅松等都是中國重要生態(tài)區(qū)域造林栽培的主要樹種。無人機(jī)遙感在我國森林病蟲害監(jiān)測中使用最頻繁，具有低耗材、地面分辨率高和數(shù)據(jù)收集更精確的優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)遙感具有數(shù)據(jù)采集靈活、空間分辨率高等特點(diǎn)。

1.松材線蟲病無人機(jī)遙感監(jiān)測研究現(xiàn)狀

無人機(jī)遙感技術(shù)減少了固有的空間和時(shí)間限制，可實(shí)現(xiàn)大尺度野外監(jiān)測，森林病蟲害的監(jiān)測中大大提高了工作效率。傳感器類型的選擇是實(shí)現(xiàn)松材線蟲病害監(jiān)測的必要條件，在傳感器數(shù)據(jù)融合方法中，通過判別分析可以對病原體進(jìn)行早期檢測。為了監(jiān)測到植物病害，遙感技術(shù)分為RGB攝像機(jī)、多光譜成像、高光譜成像、非成像高光譜、熱成像和熒光成像方法。在眾多傳感器中RGB攝像機(jī)和多光譜成像價(jià)格便宜，在監(jiān)測研究中使用最頻繁，但它們的監(jiān)測尺度大多數(shù)只能滿足識別受害區(qū)域或枯死木。高光譜可以監(jiān)測到松木在感染松材線蟲病后的體內(nèi)生化含量的微妙變化，可以做到更精準(zhǔn)的監(jiān)測。

2.松材線蟲病監(jiān)測傳感器類型的選擇

傳感器類型的選擇是實(shí)現(xiàn)松材線蟲病害監(jiān)測的必要條件，松木在受到松材線蟲病侵害后，樹木體內(nèi)的生理參數(shù)會發(fā)生相應(yīng)的變化，基于這些生理參數(shù)的變化的監(jiān)測選擇相應(yīng)傳感器可以提高監(jiān)測效果。在當(dāng)前的研究中高光譜和多光譜都是研究熱點(diǎn)。多光譜由多個(gè)光譜段組成，可以定量反演差異較大的生化含量值。高光譜是一條連續(xù)而完整的光譜曲線，在不同的病害階段中高光譜波段的差異表現(xiàn)的更細(xì)微，提取到的光譜變化特征信息更豐富，定量反演的生化含量精度更高，從而使松材線蟲病的監(jiān)測效率更高。

3.無人機(jī)遙感高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用

該研究的技術(shù)難點(diǎn)可分野外光譜數(shù)據(jù)的采集與處理、敏感參數(shù)的選擇、模型的應(yīng)用三個(gè)階段，每一個(gè)階段的處理結(jié)果都會直接影響到最后的分類精度。

3.1野外光譜數(shù)據(jù)的采集與處理

野外光譜圖像采集會受到很多因素的影響，其中最重要的因素是光照強(qiáng)度。太陽光是光譜成像的一個(gè)很好的光源，并且涵蓋了廣泛的波長范圍。太陽光的光強(qiáng)度無法控制，通常情況下，云層會在不同程度上覆蓋太陽，造成光強(qiáng)度的不確定性。在測量參考模板和樣品之間，光強(qiáng)度的變化會導(dǎo)致不準(zhǔn)確的測量。光強(qiáng)度受到影響，入射光線的角度在每個(gè)時(shí)刻都會發(fā)生變化，入射光、植物和高光譜傳感器之間的角度對樣本植物的光譜圖像采集有一定影響。這種不準(zhǔn)確的信息在后續(xù)的信息處理中會逐漸放大，從而難以獲得真實(shí)信息。因此，原始光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理仍是當(dāng)前技術(shù)難點(diǎn)。在野外進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)與地面樣本數(shù)據(jù)采集的時(shí)間保持同步，減小在時(shí)間差上導(dǎo)致樣本數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)的不匹配，監(jiān)測區(qū)的飛行應(yīng)在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)采集。需在正午無風(fēng)或微風(fēng)，天氣晴朗無云或少云的情況下飛行，減少陰影的數(shù)據(jù)對光譜的干擾。

4.松材線蟲病高光譜數(shù)據(jù)敏感參數(shù)的選擇

高光譜數(shù)據(jù)可以捕捉物體微妙的信息，形成一條完整而連續(xù)的光譜曲線，能監(jiān)測到葉子色素、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和含水量之間細(xì)微的變化。病害敏感波段綠光區(qū)(510~580nm)、紅邊(680~760nm)、近紅外(780~1000nm)、短波紅外(1400~1420nm)和(1925~1965nm)，可根據(jù)這些波段之間的計(jì)算形成新的參數(shù)指標(biāo)用于早期受害松木的識別。紅外波段的反射光譜曲線可能指示病害的早期階段，近紅外內(nèi)的最大一階微分、紅邊內(nèi)一階微分總和與藍(lán)邊一階微分總和比值可以指示病害的發(fā)生，葉綠素含量隨著受害程度的增加而降低，受害最嚴(yán)重的階段葉綠素含量為零，紅邊位置、紅邊波長、綠峰高度和紅帶吸收深度均與葉綠素含量密切相關(guān)，葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和水分含量，在感病早期和中期、中期和晚期之間都顯示出統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。因此，紅邊參數(shù)(REPs)、植被指數(shù)(VIs)、水分指數(shù)(MIs)、綜合指數(shù)和生理參數(shù)(葉綠素、含水率)，可以反映松材線蟲的感染狀。但是，通過波段計(jì)算和導(dǎo)數(shù)處理能將這些細(xì)微的差異放大，用于檢測早期受害松木冠層針葉在松材線蟲感染引起變色過程中光譜和生理特征變化。

紅邊參數(shù)是紅邊邊緣的變化參數(shù)，是植物光譜曲線最明顯的主要特征。植被反射率在近紅外波段接近紅光交界處的變化最快，植被生長狀態(tài)越好紅邊斜率越大就會出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。作為植物脅迫的指標(biāo)，它通常用于研究植物的生長和健康，在松材線蟲病檢測方面也得到了廣泛研究。近紅外波段對細(xì)胞結(jié)構(gòu)很敏感，整個(gè)感染過程中會出現(xiàn)很大的變化，健康和早期之間變化很小，紅邊波段對階段感染靈敏性比近紅外波段好。原始波段數(shù)據(jù)量大容易造成模型過擬合現(xiàn)象，通常不會作為模型參數(shù)直接輸入。如表1所示，對不同敏感區(qū)的波段進(jìn)行函數(shù)計(jì)算和導(dǎo)數(shù)處理可以加大不同感病階段的差異性。

植被指數(shù)(VIs)是不同遙感光譜帶的組合，可以視為綠色植被相對豐度和活動的標(biāo)志，被廣泛應(yīng)用于提取植物生化特征的敏感估計(jì)值。高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用的敏感植被指數(shù)如表2所示。

松材線蟲在松樹木質(zhì)部活動會影響管胞對水分的輸送，從而導(dǎo)致松樹失水萎蔫，松針含水量隨著感染程度的加重而減少，并且在健康和早期之間有明顯的差異，所以與水分相關(guān)的光譜吸收參數(shù)對早期識別有最大的潛力。因此，水分指數(shù)(MIs)可以用來檢測松樹是否感染病害。高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用的敏感水分指數(shù)表3所示。

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