松材線蟲(chóng)病無(wú)人機(jī)高光譜監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀與展望

松材線蟲(chóng)病是一種由松材線蟲(chóng)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(guó)的南京山陵，被人們稱為松樹(shù)的癌癥。它與松墨天牛共寄生于松類(lèi)樹(shù)中，常出現(xiàn)在一年生嫩枝、二三年枝皮部。該蟲(chóng)害具有極大的破壞性，在無(wú)人為干擾情況下，染病樹(shù)株會(huì)快速死亡，從早期感染到晚期死亡，最快只需40d。松材線蟲(chóng)在我國(guó)的媒介昆蟲(chóng)至少8種，寄主感染的松樹(shù)至少17種，其中馬尾松、華山松、云南松、油松、紅松等都是中國(guó)重要生態(tài)區(qū)域造林栽培的主要樹(shù)種。無(wú)人機(jī)遙感在我國(guó)森林病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)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(wú)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(chóng)病無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

無(wú)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(cè)，森林病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)中大大提高了工作效率。傳感器類(lèi)型的選擇是實(shí)現(xiàn)松材線蟲(chóng)病害監(jiān)測(cè)的必要條件，在傳感器數(shù)據(jù)融合方法中，通過(guò)判別分析可以對(duì)病原體進(jìn)行早期檢測(cè)。為了監(jiān)測(cè)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(cè)研究中使用最頻繁，但它們的監(jiān)測(cè)尺度大多數(shù)只能滿足識(shí)別受害區(qū)域或枯死木。高光譜可以監(jiān)測(cè)到松木在感染松材線蟲(chóng)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(cè)。

2.松材線蟲(chóng)病監(jiān)測(cè)傳感器類(lèi)型的選擇

傳感器類(lèi)型的選擇是實(shí)現(xiàn)松材線蟲(chóng)病害監(jiān)測(cè)的必要條件，松木在受到松材線蟲(chóng)病侵害后，樹(shù)木體內(nèi)的生理參數(shù)會(huì)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(cè)選擇相應(yīng)傳感器可以提高監(jiān)測(cè)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(chóng)病的監(jiān)測(cè)效率更高。

3.無(wú)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(huì)直接影響到最后的分類(lèi)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(huì)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(yáng)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(zhǎng)范圍。太陽(yáng)光的光強(qiáng)度無(wú)法控制，通常情況下，云層會(huì)在不同程度上覆蓋太陽(yáng)，造成光強(qiáng)度的不確定性。在測(cè)量參考模板和樣品之間，光強(qiáng)度的變化會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的測(cè)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(huì)發(fā)生變化，入射光、植物和高光譜傳感器之間的角度對(duì)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(huì)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(cè)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(wú)風(fēng)或微風(fēng)，天氣晴朗無(wú)云或少云的情況下飛行，減少陰影的數(shù)據(jù)對(duì)光譜的干擾。

4.松材線蟲(chóng)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(cè)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(shí)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(zhǎng)、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(lèi)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(chóng)的感染狀。但是，通過(guò)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(cè)早期受害松木冠層針葉在松材線蟲(chóng)感染引起變色過(guò)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(zhǎng)狀態(tài)越好紅邊斜率越大就會(huì)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(zhǎng)和健康，在松材線蟲(chóng)病檢測(cè)方面也得到了廣泛研究。近紅外波段對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)很敏感，整個(gè)感染過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很大的變化，健康和早期之間變化很小，紅邊波段對(duì)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(guò)擬合現(xiàn)象，通常不會(huì)作為模型參數(shù)直接輸入。如表1所示，對(duì)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(duì)豐度和活動(dòng)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(chóng)在松樹(shù)木質(zhì)部活動(dòng)會(huì)影響管胞對(duì)水分的輸送，從而導(dǎo)致松樹(shù)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(duì)早期識(shí)別有最大的潛力。因此，水分指數(shù)(MIs)可以用來(lái)檢測(cè)松樹(shù)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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