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1、松毛虫危害下马尾松林冠层光谱特征讨论深化挖掘寄主光谱响应机制是推进马尾松毛虫害遥感快速监测与预警的必要基础。将采集于福建省长汀县、南平市建阳区的46条马尾松林冠层光谱曲线数据设为规则组，利用单因素方差分析法实现不同危害等级可辨性波长的选择。研究表明，不同危害等级下的马尾松林冠层光谱数据呈现极显著差异(P001)，其中，中度重度危害的马尾松林冠层光谱可辨性在5165159899nm和7006870618nm位置上有显著差异(P005)，在7089281062nm位置上有极显著差异(P001)。为此，以51920nm，54072nm，75840nm和78588nm波段处光谱反射率为组合，以健康状态
2、下的马尾松林冠层光谱数据为标准样本，基于空间距离法、相关系数法及光谱角制图法分别建立松毛虫危害等级的定量化断定规则，并利用将乐县、南平市延平区、华安县的34条验证组光谱曲线数据对此规则进行验证。结果显示，空间距离法的断定效果远优于相关系数法与光谱角制图法;无松毛虫危害、轻度危害、中度危害以及重度危害的空间距离断定规则依次为:03553，03553，07425)，07425，09631)及09631，断定精度为8824%，准确率达9706%。关键词:马尾松毛虫害;光谱特征可辨性;单因素方差分析;空间距离法;相关系数法;光谱角制图法森林虫害是森林健康与生态安全的重要威胁。不同虫害对森林的危害部位亦
3、不一样，都会影响林木生长，使林木冠层与林相发生变化13，详细可表现为叶色变化、叶片物理构造变化、叶与植株变形、叶片上产生的残留物及叶绿素含量变化等，使受害林木在光谱、纹理等特征上发生明显变化45;而这也成为虫害遥感监测的重要根据。Ahern等6通过对遥感影像光谱特征的大量分析，获取了病虫危害下的森林面积及危害程度等信息;Bowers7基于高分辨率遥感影像，借助光谱分析与空间分析方法对香液冷杉林冠变化进行监测;武红敢等8利用TM与SPOT数据对马尾松毛虫害遥感监测进行了初步讨论，得到TM5/TM4和TM7/TM4(即短波红外/近红外)是监测森林病虫害有效参数的重要成果;云丽丽等9计算了7种植被指
4、数和TM4在松毛虫害发生后油松的光谱值，得出TM4，TM4/TM3，(TM4TM3)/(TM4+TM3)是监测松毛虫害的特征指数;Latifi等10利用多时相Landsat与SPOT数据，研究了欧洲云杉八齿小蠹的空间特征，建立了随机森林模型。马尾松毛虫(DendrolimuspunctatusWalker)为食叶性害虫，通过危害松针，使松林冠层特征发生变化，如松针呈被啃食状、叶片枯黄、枝干枯槁等，进而使马尾松林冠层产生光谱反射率差异和纹理构造异常等现象。20世纪90年代，吴继友等1112开展了松毛虫危害的光谱特征研究，分析了山东省招远市不同危害等级下的原始光谱与一阶微分光谱的变化规律，主要表现
5、为光谱红边蓝移及叶绿素反射峰红移等现象。近年，笔者曾以福建省南平市延平区实测的51条马尾松林冠层的高光谱数据为基础，对无危害、轻度危害、中度危害和重度危害等4个松毛虫危害等级的光谱反射率及一阶微分光谱特征进行分析，亦得到“绿峰红移、红边位置蓝移等类似规律，但在部分波长范围其变化较为复杂13。此外，前期研究发现了松毛虫不同危害等级下松林冠层的若干显著性差异波长，但定量化描绘仍有缺乏。基于此，本文进一步探索松毛虫危害下的马尾松林冠层光谱特征的可辨性，为继续推进松毛虫害遥感监测技术的提升与突破打好基础。1实验区大概情况选择福建省长汀县、南平市建阳区与延平区、将乐县、华安县为实验区。各县(区)在自然禀
6、赋上类似度较高，森林资源特别丰富，森林覆盖率均在75%左右，将乐县更是接近85%，居全省之首。人工林占绝对优势，纯林比重大，抵御病虫害等生态风险的能力缺乏，故长期以来森防检疫都是这些林区(县)的重要工作之一。2研究方法21松林冠层光谱测定松林冠层光谱测定采用合肥仪思特光电技术有限公司生产的ISI921VF256野外地物光谱辐射计，波长范围为可见光近红外的3801050nm，波段数为256个，光谱分辨率为4nm，视场角3;选择晴朗少云天气，测量平均精度设为3，每转换1个测位均对照白板予以校正。在光谱测定经过中，需要借助地形差及竹竿测得松林冠层光谱，部分条件缺乏区域通过采集离体样本现场测量，由此测
7、得松林冠层光谱数据。将松毛虫危害等级划分为无危害、轻度危害、中度危害及重度危害4个等级(图1)，其断定经过详见文献13。挑选得到80条光谱曲线数据用于本文研究，其中长汀县、南平市建阳区共46条，将乐县、南平市延平区、华安县共34条。前者用于可辨性波长的分析与定量化断定规则的建立，设为“规则组;后者则用于对断定规则的检验，设为“验证组。各实验区测点分布见图2，光谱测定时间见表1。22不同危害等级冠层光谱可辨性波长选择采用单因素方差分析(OnewayANOVA)比拟无危害、轻度危害、中度危害和重度危害等4个危害等级下马尾松林冠层光谱在各个波长处能否存在显著性差异。若P001，表明在该波长位置上不同
8、危害等级有极显著差异;若P005，表明有显著差异;若P005，表明无显著差异。单因素方差分析在SPSS170平台上实现。结合分析结果及应用要求，实现不同危害等级可辨性波长的有效选择。23不同危害等级定量化断定规则建立采用空间距离法、相关系数法和光谱角制图法对4个危害等级的光谱可辨性进行进一步分析，建立松毛虫不同危害等级定量化断定规则。1)空间距离法。该方法是常用的类似性度量方法，基于向量空间模型构建，即假如特征向量的特征个数为N，则将向量视为N维向量空间的一个点，通过计算向量之间的距离衡量二者的类似程度。理想的类似性度量方法应与人类视觉特性一致，假如视觉上类似，则距离较小，反之，距离较大。利用
9、各样本与不同危害等级下松林冠层光谱的空间距离、相关系数及光谱角余弦值可逐一获得样本的归属，由此断定样本的危害等级。考虑到定量化断定规则的简明性、可应用性，本文以未受松毛虫危害的健康松林为标准，计算其平均值建立“标准样本，分别计算无危害、轻度危害、中度危害、重度危害与“标准样本的空间距离、相关系数及光谱角余弦值，由此建立不同危害等级的定量化断定规则。3结果与分析31松毛虫危害下马尾松林冠层波长可辨性分析分别将规则组5条无危害、10条轻度危害、10条中度危害及21条重度危害的光谱数据进行均值计算。由于本文主要研究可见光及红边区域的光谱特征，同时考虑到与常用多光谱遥感影像蓝光、绿光、红光和近红外等标
10、准谱段的对应性，故只保留了810nm以内的数据。由此，绘制不同受害等级下的马尾松林冠层反射率曲线(图3)。松毛虫不同危害等级下的松林冠层光谱单因素方差分析结果见表2。分析表2发现，松毛虫不同危害等级间的马尾松林冠层光谱数据差异显著;无轻度危害、无中度危害、无重度危害、轻度中度危害、轻度重度危害、中度重度危害两两比拟显示，除中度重度危害外，各危害等级间的松林冠层反射率均有极显著差异(P001)，而中度重度危害在5165159899nm和7006870618nm位置上有显著差异(P005)，在7089281062nm位置上呈极显著差异(P001)，在其他波长范围则无显著差异(P005)。开展松毛虫
11、危害下的马尾松林冠层光谱特征可辨性研究旨在进一步挖掘松毛虫危害的光谱响应机制，并为实现该虫害的遥感快速、准确监测与预警打好基础。因而，在对地面实测光谱数据进行分析的同时需要考虑与遥感影像严密联合。ISI921VF256野外地物光谱辐射计测得的光谱数据含256个波段，对应于LandsatTM/ETM+，ALOSAVNI2及HJ1CCD等国内外多光谱影像数据的蓝光、绿光、红光及近红外波段。众多研究亦表明1417，由上述波段计算或反演而得的多个植被指数、叶面积指数等对松毛虫害的响应较为敏感，故综合考虑单因素方差分析结果及研究成果应用的便捷性，分别在蓝光、绿光、红光和近红外波段上选择差异最为显著的波长
12、，以此作为松毛虫危害下马尾松林冠层可辨性波长。在虫害遥感的相关研究中，有一被称为“红边的特殊波长，通常指绿色植物在680780nm的波长范围，它是植物光谱分析的重要特征1819，本文分析结果亦发现，该区域范围内各虫害等级下的松林冠层光谱差异普遍显著。分别选择51920nm，54072nm，75840nm和78588nm波段来建立松毛虫危害等级定量化断定规则。32松毛虫危害等级的定量化断定321基于空间距离法断定规则的建立以所选4个可辨性波长为组合，分别计算46组规则组样本与标准样本的空间距离，并利用求平均、标准差等方法确定无危害、轻度危害、中度危害、重度危害与标准样本的空间距离断定规则(表3)
13、，确保规则组样本自检精度最高。表3显示，重度危害与标准样本的空间距离09631，表明重度危害下与健康状态的松林冠层光谱特征相异性最大;其次为中度危害，其与标准样本的空间距离为07425，09631);再次为轻度危害，与标准样本的空间距离为03553，07425);无危害与标准样本的空间距离03553，即两者的松林冠层光谱特征相异性最小。也就是讲，随着松毛虫危害等级的上升，松林冠层光谱特征与健康状态的相异性逐步增大。322基于相关系数法断定规则的建立参照321节规则的建立方法，得到基于相关系数法的松毛虫危害等级断定规则(表4)。由表4可知，中度危害与标准样本的相关系数最大，无危害次之，再次为重度
14、危害，轻度危害最小。与空间距离法显示的规律不同，相关系数并不随着松毛虫危害等级的上升而同向增大或反向减小。中度危害下的松林冠层光谱与健康松林的相关性最大，讲明二者反射率间更接近于比例变换;轻度危害下的松林冠层光谱与标准样本的相关性最小，表明松林初受松毛虫危害后，其冠层特征发生相对剧烈的变化，不同波长上的反射率和吸收率紊乱。总体上看，不同危害等级下的松林冠层光谱特征相关性均较大，表明受松毛虫危害下的松林冠层仍保留植被的基本光谱特征，比方在550nm附近位置，受危害的松林冠层反射率仍较两侧高，“绿峰仍然存在，呈现被“拉平的特征并渐趋消失13;此外，高相关性亦为断定规则的建立增加了难度。323基于光
15、谱角制图法断定规则的建立同理，建立基于光谱角制图法的松毛虫危害等级断定规则(表5)。从表5中能够看出，光谱角余弦断定规则及其规律与基于相关系数法所得到的结果类似，中度危害与标准样本的光谱角余弦值最大，即二者光谱夹角最小，光谱曲线的类似性最高;无危害次之，再次为重度危害，轻度危害最小，表明轻度危害下的松林冠层光谱与健康松林冠层光谱夹角最大，两者类似性最低。324定量化断定规则的验证与比拟利用验证组中的34组样本，分别根据空间距离断定规则、相关系数断定规则及光谱角余弦断定规则实现样本松毛虫危害等级的断定，计算并比拟3种定量化断定规则下的断定精度与准确率(表6)。断定精度为断定正确的样本数与总样本数
16、的比值。准确率的计算方法为:若断定的危害等级与实际等级完全一致，计1;无危害与有危害之间相互混淆，计0;在轻度危害、中度危害与重度危害3个有危害等级间，若相差1级为基本符合，计75%;若相差2级，计50%20;以其平均值作为松毛虫危害等级断定的准确率。由表6可看出，基于空间距离法的断定精度最高，达8824%;基于相关系数法的断定精度次之，为5882%;基于光谱角制图法的断定精度最低，为5588%。3种判别规则的断定精度顺序为:空间距离断定规则相关系数断定规则光谱角余弦断定规则。比拟准确率可知，3种定量化断定规则的准确率依次为9706%，7647%和7941%，准确率顺序为:空间距离断定规则光谱
17、角余弦断定规则相关系数断定规则。由此可见，空间距离断定规则对松毛虫不同危害等级下的马尾松林冠层光谱的断定效果最佳，相关系数与光谱角余弦的断定效果差异不大，但从断定精度和准确率方面都远劣于空间距离法。马尾松林冠层光谱是松毛虫危害的重要响应特征，深化挖掘其响应机制是推进该虫害遥感快速监测与准确预警的基础。不同危害等级下的马尾松林冠层光谱数据呈现极显著差异(P001)，中度重度危害的光谱可辨性相对较低，仅在5165159899nm，7006870618nm位置上有显著差异(P005)，在7089281062nm位置上有极显著差异(P001)，其他波长范围则无显著差异(P005)。以51920nm，54072nm，75840nm和78588nm位置上的反射率数据为基础，分别基于空间距离法、相关系数法及光谱角制图法建立松毛虫危害等级的定量化断定规则，空间距离断定规则的断定效果最佳，断定精度为8824%，准确率达9706%。本研究的缺乏之处在于仅考虑了单个波段的光谱特征，因而将来可更深化地开展光谱组合特征的可辨性问题研究。