松材线虫危害下马尾松光谱特征与估测模型研究

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。