松葉光譜反射率的特性參數與含水量關系分析＊

宋清亮 ，向 榮，秦 林 ，3，袁 莉 ，田 恒，朱鵬博，劉 偉，楊 雯，屈妍希，周佳維

（1.長江師范學院 電子信息工程學院，重慶 408100；2.長江師范學院 化學化工學院，重慶 408100；3.長江師范學院 三峽庫區環境監測與災害防治工程研究中心，重慶 408100）

1 概述

松材線蟲引起的松材萎蔫病被稱為松樹的癌癥，它是一種毀滅性的病害，具有傳播途徑多、發病部位隱蔽、發病速度快、潛伏時間長和治理難度大等特點[1]。松樹一旦被松材線蟲侵害，最明顯的特征是松葉會在一定時間內大量失水，最終導致松樹死亡。在松樹發病早期，松樹葉的含水量會發生變化，因此，準確檢測松樹葉的含水量，對于研究松材線蟲病蟲害的防御和早期監測有重要的意義[2]。

高光譜技術是發展非常迅速的一種遙感技術，葉片含水量不同，葉片的光譜反射率及其特征參數值也不同。利用高光譜成像技術，確定含水量與光譜特征參數之間的相關性，對于快速監測松樹病蟲害的發病情況和范圍有重要意義[3]。

目前，對于松樹病蟲害光譜數據的研究并不多，王震等人通過對光譜數據的一階微分進行分析，研究了綠光區、紅光區和近紅外反射光譜的變化特征，結果顯示總體上呈現出較好的光譜變化規律[4-9]。

本文將以重慶市涪陵區永勝林場冒合寨管護區的松樹為研究對象，在林場中尋找不同受害程度的松樹進行光譜反射率的測量，分析不同受害程度松樹的紅谷的吸收深度（D）、比值葉綠素指數（PSSR）、歸一化比值葉綠素指數（PSND）、綠峰的反射峰高度深度（H）、Dr（紅邊位置，紅邊內的一階導數最大值）、SDr(紅邊內一階微分的總和）等參數和葉片的含水量數據，并分析其相關性，從而為高光譜遙感技術研究松材線蟲的入侵檢測提供有力的實驗依據。

2 數據采集及分析方法

2.1 葉片的采樣

本文研究光譜的特征參數與葉片含水量之間的關系，從研究區內選取受病蟲害帶程度不一的典型松樹并摘取其松葉。以松樹葉子顏色為指標，將松樹的病害程度分為4個等級：①等級一，健康的樹勢生長旺盛，針葉呈墨綠色；②等級二，輕度受害的松葉開始變黃，樹脂分泌停止，生長減慢；③等級三，中度受害大部分針葉變為黃褐色，萎蔫，樹木生長明顯很弱；④等級四，重度受害，病樹干枯，針葉全部變為紅褐色，但不脫落。每棵樹按照4個方位采集4個樣本，并記錄該樹的經度、緯度和海拔高度，將采集到的樹葉用實驗袋密封編號，裝入保溫箱[5]。

2.2 測量方法

2．2．1 光譜測量

在此次數據采集過程中，用到的主要儀器是型號為OFS110的地物光譜測量儀，在實驗室進行相關操作，先進行白定標和暗定標，之后采集每個葉片的光譜反射率數據。每個樣本光譜采集重復5次，然后去除異常值再取平均值，每棵樹的4個樣本的數據再次取平均，得到這棵樹的光譜反射率。圖1為不同受害程度的松樹葉照片，圖2為其對應的光譜反射率曲線。

圖1 不同受害程度松樹葉照片

圖2 不同受害程度光譜反射率曲線

2．2．2 水分含量的測量方法

含水量測量步驟：①用蒸餾水洗凈松針表面污漬，用吸水紙將表面水分吸干。②稱取0.5 g左右（精確到0.000 1 g）的松針，記錄鮮重Wf。③將稱取鮮重的松針放入盛有蒸餾水的燒杯中浸泡3 h。④浸泡完畢后，取出松針用吸水紙吸干表面水分，然后稱量其質量，獲得飽和鮮重Wt。⑤將燒杯洗凈放入恒溫鼓風干燥箱，在105℃下烘1.5 h，然后取出燒杯放入干燥器里冷卻至室溫后稱其質量。此操作重復至燒杯質量不變為至。⑥將稱取飽和鮮重后的松針放入已經恒重的燒杯中，然后將其放入恒溫鼓風干燥箱中，先在120℃下殺青20 min，然后將溫度調到105℃烘1.3 h。⑦烘干完畢后，取出燒杯放入干燥器中冷卻至室溫然后稱取質量。此次稱取的質量減去燒杯恒重，得到的質量即為松針干重Wd。⑧根據公式求出松針含水量，同時，將采集到的松樹葉子由受病害程度無、受病害程度輕、受病害程度中和死亡進行編號，測量其含水量，得到病害程度與含水量的線性關系圖。如圖3所示，橫軸代表受病蟲害程度，數值越大，受害越嚴重。從圖3中可以看出，隨著松樹葉子受病蟲害程度的逐漸增強，其含水量降低，并呈較好的相關性。

2.3 光譜特征參數的收納

為了研究葉片含水量與光譜數據之間的聯系，本文選取了以下23種特征參數[5]，具體如表1所示。

圖3 水平均含水量

3 結果與分析

對23個高光譜特征參數進行計算分析，結合實驗測量出相應的含水量，獲得各種參數與含水量之間的關系曲線。結果顯示，Dr、D、H、PSSR、PSND、SDr這6個光譜特性參數與含水量的相關性比較高，具體如圖4所示。圖4中的橫坐標代表由健康漸序死亡的松樹葉片相應的含水量，縱坐標是代表其對應光譜特征參數的值。從圖4中可以看出，紅遍位置Dr隨著含水量的增多而增多，并且呈現較好的二次函數關系；特征參數紅谷的吸收深度（D）、綠峰的反射峰高度深度（H）與含水量呈現較好的拋物線關系；特征參數比值葉綠素指數（PSSR）與含水量之間呈現較好的二次函數關系；歸一化比值葉綠素指數（PSND）隨著含水量的增多而增多，呈現較好的線性關系。對于特殊的光譜特征參數，由紅邊內一階微分的總和（SDr）可以明顯看出，當松樹病蟲害程度輕或者健康狀態時，其特征參數小于等于零；當松樹處于嚴重病蟲害程度或死亡狀態時，其特征參數的值大于零。

4 結論

隨著松樹受松材線病蟲感染程度的不同，即隨著病害程度的增大，其光譜特征參數指標Dr、D、H、PSSR、PSND相應減小，含水量也相應減少，并與松樹受害程度呈較好的相關性。對于SDr，當松樹病蟲害程度輕或者處于健康狀態時，其值小于等于零；當松樹處于嚴重病蟲害程度或處于死亡狀態時，其值大于零。其中，PSND與含水量呈現較好的線性關系。由此，在利用無人機高光譜遙感技術檢測松材線蟲時，計算高光譜參數指標可以判斷松樹受病害的程度，從而為進一步控制病蟲害采取何種處理手段提供依據。

表1 高光譜參數的定義及其描述

圖4 高光譜特征參數與含水量相關性圖

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