刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片光谱特征波长研究
黄旭影1, 许章华1,2,3,4,*, 林璐1, 刘健3, 钟兆全5, 周华康6
1. 福州大学环境与资源学院, 福建 福州 350116
2. 福州大学信息与通信工程博士后科研流动站, 福建 福州 350116
3. 福建省资源环境监测与可持续经营利用重点实验室, 福建 三明 365004
4. 空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室, 福建 福州 350002
5. 福建省顺昌县国有林场, 福建 南平 353200
6. 福建省南平市延平区林业局, 福建 南平 363000
*通讯联系人 e-mail: fafuxzh@163.com

作者简介: 黄旭影, 1993年生, 福州大学环境与资源学院硕士研究生 e-mail: 332153458@qq.com

摘要

旨在获取刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片光谱特征波长, 以助于该虫害的有效、 准确识别。 将于福建省顺昌县实测的105条高光谱数据随机划分为实验组(71条)和验证组(34条)。 基于实验组数据, 利用单因素方差分析获取健康、 轻度危害、 中度危害、 重度危害等虫害等级间具有极显著差异的波长; 结合常用遥感卫星的波段设置对上述波长进行筛选, 采用欧式距离、 相关系数及光谱角匹配等3种方法判定其虫害判别能力, 获取特征波长, 并引入验证组样本对其予以验证。 结果表明: (1)受害叶片的光谱反射率明显低于健康叶片, 虫害等级越高, 其反射率越低; (2)受害叶片的光谱特征变化较大, 随着虫害等级的上升, 其光谱曲线中的“绿峰”及“红谷”趋于消失, “红边”斜率逐渐减小; (3)确定原始光谱703.43~898.56 nm及一阶微分光谱497.68~540.72, 554.53~585.25和596.24~618.23 nm为刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片光谱特征波长, 其对该虫害具有较强的判别能力。 该研究从叶片尺度剖析了寄主对刚竹毒蛾的响应机理, 是“地-天”耦合的理论基础, 可为虫害遥感监测技术体系的建立提供重要依据。

关键词: 刚竹毒蛾; 毛竹叶片; 特征波长; 光谱微分; 虫害判别能力; 顺昌县
中图分类号:TP79 文献标识码:A
Spectral Characteristic Wavelengths of Moso Bamboo Leaves Damaged by Pantana Phyllostachysae Chao
HUANG Xu-ying1, XU Zhang-hua1,2,3,4,*, LIN Lu1, LIU Jian3, ZHONG Zhao-quan5, ZHOU Hua-kang6
1. College of Environment and Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China
2. Postdoctoral Research Station of Information and Communication Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China
3. Fujian Provincial Key Laboratory of Resources and Environment Monitoring & Sustainable Management and Utilization, Sanming 365004, China;
4. Key Lab of Spatial Data Mining & Information Sharing, Ministry of Education, Fuzhou 350002, China;
5. State-owned Forest Farm of Shunchang County, Nanping 353200, China
6. Yanping District Forestry Bureau of Nanping, Nanping 353000, China
Abstract

The paper aims to obtain the characteristic wavelengths of moso bamboo leaves damaged by Pantana phyllostachysae chao, with which the pest can be identified effectively and accurately. 105 hyperspectral data collected in Shunchang County, Fujian Province were randomly divided into two groups, i.e. the experimental group (71) and verificantion group (34). Selecting wavelengths which were highly significant differences between different pest levels group by One-way ANOVA. The wavelengths were screened by combining the wave band of the commonly used remote sensing satellite. The ability to discriminate between the pests of the selected wavelengths was analyzed by the Euclidean distance method, spectral angle mapping method and correlation coefficient method. According to the analysis results, the characteristic wavelengths were obtained and verified. The results showed that: (1) the spectral reflectance of moso bamboo leaves damaged by P. phyllostachysae were significantly lower than that of healthy leaves, and the higher the pest level is, the lower the reflectance will be; (2) with the increase in pest level, the spectral reflectance curves’ “green peak” and “red balley” of Pinus massoniana gradually disappeared, and the red edge was leveled; (3) the characteristic wavelengths of 703.43~898.56 nm (original spectrum) and 497.68~540.72, 554.53~585.25, 596.24~618.23 nm (first derivative spectrum) were determined, which had good response ability at different pest levels. Our findings will not only provide the theoretical guidliances for “ground-space” coupling, but also provide important basis for establishing the system of pest remote sensing monitoring technology.

Key words: Pantana phyllostachysae Chao; Moso bamboo leaves; Characteristic wavelengths; Derivative spectrum; Shunchang County
引 言

我国是全球竹林分布最广的国家, 竹种数量、 竹林面积、 竹产品产量等均居世界首位。 在诸多竹种中, 毛竹占绝对优势, 对竹林经济、 社会与生态效益起关键作用。 刚竹毒蛾、 毛竹叶螨、 竹蝗、 枯梢病等病虫害是毛竹林面临的主要威胁, 其多呈由点及面扩散特征, 一旦蔓延, 防治困难, 给国家与林农带来极大的经济损失。 随着林业科技的进步尤其是林业遥感技术水平的不断提升, 以及生态文明战略的不断推进, 森林虫害遥感研究重新成为热点[1, 2, 3]

刚竹毒蛾是毛竹最主要的食叶害虫, 受害毛竹竹体瘦小, 竹节内积水, 产笋量急剧下降, 大发生时将竹叶食尽, 致竹林成片枯死, 状如火烧[4, 5]。 现有研究表明[6, 7], 温度、 湿度是刚竹毒蛾大发生的重要诱因, 冬季极端最低温的强度及持续时间同越冬代的发生程度存在密切关系, 若为暖冬, 低温持续时间短, 则越冬代发生严重, 反之则轻, 故温暖、 湿润的环境有利于该虫害的发生, 而低海拔、 “ 倒春寒” 等区域则不利于其发生; 天敌寄生量与刚竹毒蛾虫口密度间存在显著正相关关系, 若虫口密度高、 天敌少, 该虫则可能大暴发。 以上研究对于刚竹毒蛾危害下的毛竹表征及虫害发生诱因的总结提供了重要参考, 但多局限于寄主外部形态与内部生理现象以及虫害发生机制的阐述及分析, 缺乏更深层次的总结。

光谱是光学遥感的基本信息, 光谱变化、 不同健康状态下寄主光谱的可辨性是虫害遥感的理论基础, 从地面实测非成像高光谱数据出发, 挖掘虫害响应特征, 是“ 地-天” 耦合与虫害遥感监测、 预警技术体系构建的必然途径。 刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片被食成缺刻, 导致竹体光合作用受阻, 其冠层光谱特征随之发生变化, 故总结不同虫害等级毛竹叶片的光谱变化机理是开展刚竹毒蛾危害检测研究的重要支点。 高光谱数据波段多、 波段宽度窄等特点为虫害解译提供了诸多信息, 但其存在数据量大、 冗余度高等问题, 故挖掘对虫害响应敏感的光谱波长是开展寄主光谱变化机理研究的重要内容[8, 9, 10]

本文基于实测健康及刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片高光谱数据, 通过分析不同虫害等级间的光谱特征差异, 确定特征波长, 以期为该虫害的遥感监测提供参考。

1 试验区概况

试验区位于福建省南平市顺昌县, 地理坐标为117° 29'— 118° 14'E, 26° 38'— 27° 121'N。 该县土地总面积约1 985 km2, 以山地、 丘陵地貌为主; 常年受中亚热带海洋性季风气候影响, 年平均气温18.9 ℃, 无霜期约305 d, 雨日约164 d, 年均降水量1 600~1 800 mm, 日照1 740.7 h。 区域内植被类型多, 森林资源丰富。 截至2015年底, 该县植被覆盖率近95%, 森林覆盖率达79.75%, 其中毛竹林面积约3.21万hm2, 占林地总面积的21.8%, 被誉为“ 中国竹子之乡” 。 有关数据显示, 近10年来, 顺昌县各类林业有害生物年发生面积近3.33万hm2, 防治面积3.13万hm2以上, 其中主要林业害虫包括马尾松毛虫、 刚竹毒蛾、 竹蝗等, 尽管已采取针对性措施控制虫害蔓延, 但时隔数年仍会发生大暴发, 而刚竹毒蛾等食叶害虫甚至出现年年大发生的趋势。

2 实验部分
2.1 光谱数据获取

于2016年6月25日— 7月5日在顺昌县内选择17个毛竹林小班, 利用合肥仪思特光电技术有限公司生产的ISI921VF-256野外地物光谱辐射计测定毛竹叶片光谱数据。 该设备波长范围为380~1 050 nm, 计256个波段, 光谱分辨率为4 nm, 视场角为3° 。 受测小班包括健康小班与刚竹毒蛾危害点, 测定时段处于刚竹毒蛾越冬代幼虫末期与第一代幼虫初期之间。

为保证光谱数据的准确性, 每当测量位置发生变化时进行一次标准白板校正; 每片竹叶分别测定近叶尖处、 叶中、 近叶基处3个部位, 每个部位取连续测定3次的平均值, 将3个部位的平均光谱数据作为该叶片光谱值, 并汇入数据库。 刚竹毒蛾多产卵于竹叶背面或竹竿上, 幼虫出壳后噬食叶片, 致竹体水分缺失, 光合作用能力下降, 未被取食的竹叶及新生叶片则因养分缺失, 病斑严重, 故本文参照《植物病理学》[11], 以病斑个数、 大小及叶片缺刻程度为计量标准, 其与虫害等级对应关系为: (1)健康, 叶片无缺刻且无病斑; (2)轻度危害, 叶片无明显缺刻, 病斑小且少; (3)中度危害, 叶片有明显缺刻, 病斑小且多或大且少; (4)重度危害, 叶片缺刻严重, 病斑大且多。 选择毛竹叶片高光谱数据105条, 并随机划分为两组, 其中71条作为实验组样本(健康19条、 轻度危害16条、 中度危害19条, 重度危害17条), 用于确定特征波长, 其余34条为验证组(健康9条、 轻度危害8条、 中度危害8条, 重度危害9条), 对结果予以检验。 本文是刚竹毒蛾危害遥感响应机理研究的基础工作, 需要考虑与常用光学遥感影像的对接, 同时考虑光谱设备的设计, 保留900 nm以内的光谱数据。

2.2 光谱处理方法

利用ISI921VF-256野外地物光谱辐射计配套软件对光谱数据进行处理, 基于目标对象与白板光谱, 计算竹叶的光谱反射率。 采用光谱微分法, 计算一阶微分及二阶微分光谱值。 前人研究表明[12, 13], 经过微分处理的光谱数据能够有效放大光谱曲线中的细微变化, 进而提供更为丰富的光谱信息。 一阶微分光谱可更好地表示原始光谱数据的变化率和极值点, 而二阶微分则突出了光谱曲线中切线斜率的变化速度。 计算公式为

FDRλi=dRdλ=Rλi+1-RλiΔλ(1)SDRλi=ddλdRdλ=Rλi+2-2Rλi+1+Rλi(Δλ)2(2)

式中: FD Rλi为波段i和波段i+1之间的一阶微分光谱值; SD Rλi为波段i和波段i+1之间的二阶微分光谱值; λ i为第i波段的波长值; Rλi+2, Rλi+1Rλi分别代表λ i+2, λ i+1λ i波段处的原始光谱反射率; Δ λ 代表波段λ i+1λ i之间的波长差值。

2.3 光谱特征响应波长确定方法

2.3.1 光谱数据分析及波长筛选规则

采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)对光谱数据进行分析, 该方法是指不考虑个体间的差异, 仅涉及一个处理因素, 通过分析试验结果, 检验因素对数值型因变量是否存在显著性影响的方法。 单因素方差分析法的核心在于计算SSA(组间离差平方和)和SSE(组内离差平方和), 其分别反映了控制变量和随机变量引起的离差; 随后计算总的变异平方和SST, 并进行F检验; 最后根据检验结果确定p值, 作出统计推断, p< 0.05表示不同水平下的控制变量其所属总体均值具有显著性差异, p< 0.01则表明差异达到极显著水平。 SSA, SSE, SST及F的计算公式为

SSA=i=1kni(x̅i-x̅)2(3)SSE=i=1kj=1ni(xij-x̅i)2(4)SST=SSA+SSE(5)F=SSA/(k-1)SSE/(n-k)(6)

式中: k为水平数; ni为第i个水平下的样本容量, 在此通过SPSS 22.0平台运行单因素方差分析。

结合研究需要, 建立筛选规则: (1)遥感影像易受大气散射、 太阳光照条件变化、 地形等多种因素的影响, 光谱信息易受干扰, 影响虫害识别, 筛选差异达到极显著水平(p< 0.01)的波长; (2)为尽量保证4个虫害等级各波长的可辨性, 对其(健康-轻度危害、 健康-中度危害、 健康-重度危害、 轻度危害-中度危害、 轻度危害-重度危害、 中度危害-重度危害)进行两两分析, 若有4组(或以上)差异达极显著水平(p< 0.01), 则记录该波长; (3)较之ISI921VF-256光谱仪, 常用多光谱及高光谱遥感影像的光谱分辨率相对较低, 若所选波长范围过窄, 与遥感卫星波段的对应性较差, 考虑到“ 地-天” 不同尺度的耦合问题, 参考常用多光谱遥感卫星(Landsat, WorldView-2/3, RapidEye)及高光谱遥感卫星(EO-1 Hyperion)的波段设置, 对小于10 nm的波长予以剔除。

2.3.2 虫害判别能力分析方法

通过判断不同地物光谱间的相似度以确定其匹配程度已成为高光谱数据分类的主要方法[14, 15, 16]。 采用欧氏距离、 相关系数及光谱角匹配等三种方法判定波长的虫害判别能力。

(1)欧式距离法: 是一种常用的相似性度量方法, 代表在m维空间中两点之间的真实距离(或者向量的自然长度), 通过二者之间的距离衡量其相似程度。 计算公式为

Dij=i=1, j=1n(Xi-Xj)2(7)

式中: Dij为样本之间的欧式距离; XiXj为第ij个样本的光谱反射率(i, j=1, 2, …, n); n为样本数。

(2)相关系数法: 该系数可用以反映不同变量之间的相关密切程度, 系数越大表明二者的相似度越高。 计算公式为

rXY=i=1n(Xi-X̅)(Yi-Y̅)i=1n(Xi-X̅)2i=1n(Yi-Y̅)2(8)

式中: rXY为相关系数, XiYi为所取样本在第i波段处的光谱反射率(i=1, 2, 3, …, n), X̅Y̅为样本数据平均值; n为样本数。

(3)光谱角匹配法: 将光谱数据视为多维空间的向量, 据此计算试验光谱与参考光谱之间的向量夹角, 夹角越大(光谱角余弦值越低), 二者之间的相似度便越低, 反之亦然。 计算公式为

cosα=XY|X|Y|=i=1n(XiYi)i=1nXi2i=1nYi2(9)

式中: α 为光谱向量夹角, 取值范围为[0, π /2]; cosα 为光谱角余弦值, 取值范围为[0, 1]; XiYi为向量在第i波段处的光谱反射率(i=1, 2, 3, …, n); n为样本数。

3 结果与讨论
3.1 毛竹叶片光谱单因素方差分析

3.1.1 原始光谱分析

基于实验组数据, 绘制各虫害等级叶片的光谱反射率曲线(图1)。 可以看出, 健康叶片的光谱曲线在绿光波段处呈现一个反射小高峰, 至红光波段处出现反射率低谷, 而在可见光波段至近红外波段间光谱反射率陡增, 直至近红外波段处达到最高峰, 这与绿色植被理论光谱特征一致。

图1 各虫害等级毛竹叶片原始光谱反射率曲线Fig.1 Reflectance curves of moso bamboo leaves in different pest levels

受刚竹毒蛾危害后, 毛竹叶片光谱特征发生了较大变化。 随着虫害等级的上升, 反射率不断降低, 具体表现为: (1)在可见光范围内, 光谱曲线中的“ 绿峰” 及“ 红谷” 是反映寄主健康程度的重要指标, 刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片养分含量缺失, 其叶片光谱曲线中的“ 绿峰” 及“ 红谷” 有逐渐消失的趋势; (2)“ 红边” (680~780 nm)常作为虫害遥感的重要指示波段[17, 18], 可以看出, 受害叶片的“ 红边” 斜率明显减小, 且随着虫害等级的上升, 减小的趋势越发明显; (3)在近红外波段处, 植物的光谱特性主要受叶片内部构造影响, 健康植物叶片的叶肉海棉组织结构中存在许多空腔, 反射面较大, 故反射率较高, 当受害虫啃食时, 叶片细胞组织结构被破坏, 其反射率便随之降低, 虫害等级越高, 下降幅度也越大。 利用单因素方差分析对原始光谱进行筛选, 获取差异达极显著水平(p< 0.01)的波长(图2), 可以看出, 各虫害等级叶片间的光谱差异较为显著, 其中具有极显著差异的波长多集中于近红外波段附近。

图2 各虫害等级毛竹叶片原始光谱单因素方差分析Fig.2 One-way ANOVA of original spectra of different pest levels

3.1.2 一阶微分光谱分析

对原始光谱进行一阶微分处理(图3)。 可以看出: (1)各虫害等级间的光谱差异被放大, 具有极显著差异的波长数量大大增加; (2)总体而言, 受害叶片一阶微分光谱随着虫害等级的上升而降低, 表明受害叶片的光谱曲线在各波长位置上的斜率减小, 已逐渐失去了健康植被光谱的基本特征; (3)各虫害等级叶片的光谱曲线在“ 绿峰” 及“ 红谷” 处的变化率差异相对较大。 同理获取一阶微分光谱中差异达极显著(p< 0.01)的波长(图4)。

图3 各虫害等级毛竹叶片一阶级分光谱反射率曲线Fig.3 Reflectance first derivative curves of moso bamboo leaves in different pest levels

图4 各虫害等级毛竹叶片一阶微分光谱单因素方差分析Fig.4 One-way ANOVA of first derivative spectra of different pest levels

3.1.3 二阶微分光谱分析

绘制二阶微分光谱反射率曲线(图5)。 可以发现: (1)各虫害等级间的光谱差异进一步扩大, 差异达显著或极显著水平的波长数量有所增加; (2)由于二阶微分反映的是光谱曲线中切线斜率的变化速度, 故各虫害等级间具有极显著差异的波长范围较窄(均小于10 nm); (3)“ 红边” 及近红外波段处的差异相对更大。 据此获取具有极显著差异(p< 0.01)的波长(图6)。

图5 各虫害等级毛竹叶片二阶微分光谱反射率曲线Fig.5 Reflectance second derivative curves of moso bamboo leaves in different pest levels

图6 各虫害等级毛竹叶片二阶微分光谱单因素方差分析Fig.6 One-way ANOVA of second derivative spectra of different pest levels

3.1.4 波长筛选

依据2.3.1建立的规则对以上波长进行筛选(表1), 并合并相邻波长, 可以看出, 经筛选后的波长主要涵盖绿光波段、 “ 红边” 及近红外波段。

表1 波长筛选结果 Table 1 Screening of characteristic wavelengths
3.2 虫害判别能力分析

3.2.1 基于欧式距离法的差异波长虫害判别能力分析

以健康叶片为准, 分别计算其与轻度危害、 中度危害、 重度危害叶片光谱间的欧式距离, 距离越大, 光谱差异也越大。 绘制欧式距离散点图(图7), 可以看出, 随着虫害等级的上升, 健康叶片与受害叶片间所选波长的欧式距离均呈增大特征。 为更清晰比较各虫害等级与健康等级间的差异, 计算欧式距离均值, 由表2可知, 在原始光谱的703.43~898.56 nm处, 健康-重度危害间距离最大, 健康-中度危害次之, 再次为健康-轻度危害, 而健康-健康的距离最小, 表明随着虫害等级的上升, 受害叶片和健康叶片在“ 红边” 和近红外波段处的反射率差异逐渐增大; 在一阶微分光谱的497.68~540.72, 554.53~585.25, 596.24~618.23及692.43~717.17 nm处所显示的规律与原始光谱一致, 表明在绿光波段及“ 红边” 位置上, 受害叶片和健康叶片间的光谱曲线变化率差异随虫害等级的上升而增大。

图7 欧氏距离法判别结果微点图Fig.7 Scatter plot of Euclidean distance between healthy and different pest levels
(a): Original: 703.43~898.56 nm; (b): First derivative: 497.68~540.72 nm; (c): First derivative: 554.53~585.25 nm; (d): First derivative: 596.24~618.23 nm; (e): First derivative: 692.43~717.17 nm

表2 欧氏距离法判别结果 Table 2 Analysis of pest characteristic wavelengths with Euclidean distance method

3.2.2 基于相关系数法的差异波长虫害判别能力分析

基于相关系数法对所选波长进行虫害判别能力分析。 由图8可知, 在原始光谱的703.43~898.56 nm处, 随着虫害等级的上升, 健康叶片与受害叶片的相关性呈现下降的趋势; 经一阶微分后, 各虫害等级叶片和健康叶片的相关性下降, 甚至出现了负相关, 表明受害毛竹叶片在不同波长处的反射率趋于紊乱, 其光谱特征发生了较大变化。 经均值处理后发现(表3), 在原始光谱的703.43~898.56 nm处, 随着刚竹毒蛾危害程度的上升, 健康与各虫害等级间的相关系数减小; 经一阶微分后, 在497.68~540.72, 554.53~585.25及596.24~618.23 nm处, 健康-健康的相关系数最大, 其次为健康-轻度危害, 再次为健康-中度危害, 健康-重度最低, 表明受害叶片与健康叶片的光谱特征(切线斜率、 曲线变化量等)在上述波长处的差异性随虫害等级的上升而增大。 692.43~717.17 nm处的判别结果出现异常, 表现为健康-健康相关系数最大, 健康-中度危害次之, 再次为健康-重度危害, 健康-轻度间相关性最小。

图8 相关系数法判别结果散点图Fig.8 Scatter plot of correlation coefficient in spectral sample with different healthy level
(a): Original: 703.43~898.56 nm; (b): First derivative: 497.68~540.72 nm; (c): First derivative: 554.53~585.25 nm; (d): First derivative: 596.24~618.23 nm; (e): First derivative: 692.43~717.17 nm

3.2.3 基于光谱角匹配法的差异波长虫害判别能力分析

计算健康叶片和各虫害等级叶片的光谱角余弦值。 由图9可知, 随着虫害等级的上升, 受害叶片与健康叶片在703.43~898.56 nm处的光谱角余弦值呈下降趋势; 经一阶微分后, 各虫害等级叶片在所选波长处的光谱差异被放大, 在596.24~618.23 nm处, 健康— 重度危害组中若干叶片间的光谱角余弦值达到负数(光谱角为钝角)。 进行均值处理后, 得到与相关系数法类似的结果(表4), 在原始光谱的703.43~898.56 nm及一阶微分光谱的497.68~540.72, 554.53~585.25和596.24~618.23 nm处, 健康-重度危害间的光谱角余弦值最小, 即二者的光谱夹角最大, 相似性最小, 健康-中度危害次之, 再次为健康-轻度危害, 健康-健康间最小, 表明随着虫害等级的上升, 受害叶片与健康叶片间的光谱差异逐渐增大。 在一阶微分光谱的692.43~717.17 nm处同样出现异常结果, 表现为健康-轻度危害的差异最大, 健康-重度危害次之, 再次为健康-中度危害, 健康-健康间的光谱角余弦值最小。

表3 相关系数法判别结果 Table 3 Analysis of pest characteristic wavelengths with correlation coefficient method

图9 光谱角匹配法判别结果散点图Fig.9 Scatter plot of spectral angle cosine value in spectral sample with different healthy level
(a): Original: 703.43~898.56 nm; (b): First derivative: 497.68~540.72 nm; (c): First derivative: 554.53~585.25 nm; (d): First derivative: 596.24~618.23 nm; (e): First derivative: 692.43~717.17 nm

表4 光谱角匹配法判别结果 Table 4 Analysis of pest characteristic wavelengths with spectral angle mapping method
3.3 刚竹毒蛾危害下毛竹叶片特征波长的确定

综合上述分析可知, 各虫害等级叶片在原始光谱的703.43~898.56 nm及一阶微分光谱的497.68~540.72, 554.53~585.25和596.24~618.23 nm处差异显著, 且随着虫害等级的上升, 其与健康叶片的差异逐渐增大; 在一阶微分光谱692.43~717.17 nm处的特征与前者有所不同, 虽然其在欧式距离法的判别结果良好, 但相关系数、 光谱角匹配法结果则显示, 健康叶片与受害叶片在该波长处的差异并未随虫害等级的上升而增大, 故予以剔除, 由此确定刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片特征波长为: 原始光谱的703.43~898.56 nm及一阶微分光谱的497.68~540.72, 554.53~585.25和596.24~618.23 nm。

3.4 特征波长验证

利用验证组中的34条光谱数据, 分别用欧氏距离、 相关系数及光谱角匹配法等三种方法对3.3中的结果予以验证。 若所选特征波长通过2种(或以上)判别方法的检验, 则将其确定为特征波长。 表5显示, 一阶微分光谱的三个特征波长(合并后)均通过了检验; 在原始光谱的703.43~898.56 nm位置上, 相关系数判别结果出现异常, 但其在欧式距离及光谱角匹配法的判别结果中表现良好。 依据特征波长确定规则, 认为原始光谱的703.43~898.56 nm及一阶微分光谱的497.68~540.72, 554.53~585.25和596.24~618.23 nm均具备良好的虫害判别能力。

表5 特征波长验证结果 Table 5 Test of characteristic wavelengths

受母株年龄、 土壤、 地形、 个体差异等因素影响, 即使是相同的虫害状态, 叶片的含水量、 叶绿素、 含氮量等各项理化参数亦各不相同, 由此导致光谱特征差异[19, 20, 21], 本文光谱数据亦显示, 同等级的毛竹叶片的光谱差异也可能较大。 此外, 部分被刚竹毒蛾幼虫取食的叶片由于距离受害时间较近, 各养分指标尚未发生较大的变化, 其未被取食部分的光谱特征可能近似于健康叶片, 从研究结果中亦可看出, 若干受害叶片和健康叶片间的光谱差异较小。 由此可见, 在划分虫害等级时, 若能实时获取其叶绿素含量、 含氮量等营养指标, 通过设定相应权重进行综合考虑, 效果可能会更好。

遥感成像易受多种因素的干扰, 若选取的特征波长范围过窄, 则基于地面总结的规律可能在遥感影像中有所偏差, 考虑到“ 地-天” 不同尺度的对应效果, 结合各遥感卫星波段参数设置选取了4个特征波长, 为虫害遥感监测提供了理论支持。

4 结 论

(1)随着虫害等级的上升, 毛竹叶片的光谱反射率随之下降, 整体上表现为: 健康> 轻度危害> 中度危害> 重度危害; (2)由于结构受损、 养分缺失, 受害毛竹叶片的光谱特征发生变化, 其光谱曲线中的“ 绿峰” 和“ 红谷” 渐趋消失, “ 红边” 斜率下降, 且虫害等级越高, 该趋势越明显; (3)利用单因素方差分析获取各虫害等级间具有极显著差异的波长, 对其进行筛选后利用欧式距离、 相关系数和光谱角匹配等三种方法分析各波长的虫害判别能力, 确定原始光谱的703.43~898.56 nm及一阶微分光谱的497.68~540.72, 554.53~585.25和596.24~618.23 nm为刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片光谱特征波长, 其具备较强的虫害判别能力。

The authors have declared that no competing interests exist.

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