使用高光譜和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)區(qū)分楊樹(shù)林中的生物脅迫和非生物脅迫

來(lái)源：北京理加聯(lián)合科技有限公司 2025年05月06日 15:48

亞洲天牛（Anoplophora glabripennis, ALB）是一種嚴(yán)重威脅全球闊葉林的蛀木害蟲(chóng)，特別對(duì)中國(guó)西北干旱地區(qū)的楊樹(shù)防護(hù)林造成了顯著破壞。由于干旱和 ALB 脅迫均會(huì)引起缺水癥狀，但其成因和治理方法截然不同，及時(shí)區(qū)分這兩種脅迫對(duì)制定有效治理措施至關(guān)重要。高光譜成像（HSI）和激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)因其在植物脅迫檢測(cè)中的潛力而備受關(guān)注，HSI 提供精細(xì)的光譜信息，LiDAR 捕獲冠層三維結(jié)構(gòu)變化。然而，單一技術(shù)存在局限性，結(jié)合 HSI 和 LiDAR 數(shù)據(jù)能夠彌補(bǔ)不足，實(shí)現(xiàn)更精確的脅迫檢測(cè)。本研究采用偏最小二乘支持向量機(jī)（PLS-SVM）方法，有效降低數(shù)據(jù)維度，避免過(guò)度擬合，提升分類精度，旨在：（1）評(píng)估無(wú)人機(jī) HSI 和 LiDAR 數(shù)據(jù)區(qū)分 ALB 損傷、干旱脅迫及復(fù)合脅迫的能力；（2）探索兩種數(shù)據(jù)對(duì)脅迫的響應(yīng)特征，篩選最敏感的檢測(cè)指標(biāo)，為干旱地區(qū)楊樹(shù)健康監(jiān)測(cè)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

研究地塊位于中國(guó)西北部甘肅省酒泉市，屬戈壁地貌，氣候類型為大陸性干旱氣候，年均降水量為80毫米，但年均蒸發(fā)量達(dá)2000毫米。本研究選取了兩個(gè)水分條件不同（灌溉和非灌溉）且樹(shù)齡相近的林場(chǎng)（圖1）。

圖 1. 本研究的研究區(qū)域。（a）酒泉新城國(guó)有林場(chǎng)（水源充足）。（b）酒泉三河國(guó)有林場(chǎng)（缺水）。四個(gè)樣地標(biāo)記為藍(lán)色。

樣地1（圖1a）：酒泉新城國(guó)有林場(chǎng)（39°57′N，98°23′E）。農(nóng)田防風(fēng)林，灌溉良好，有地表水，包括健康林和黃萎病林，樹(shù)齡為40–60年。研究樹(shù)種為甘肅楊、白楊和旱柳。樣地2（圖1b）：酒泉三河國(guó)有林場(chǎng)（39°23′N，99°04′E）。灌溉條件極差，無(wú)地表水，兩年未正常灌溉。林分健康林和黃萎病林，樹(shù)齡為40-60年。研究樹(shù)種與樣地1相同。兩個(gè)農(nóng)場(chǎng)都有健康林和黃萎病林的楊樹(shù)。兩個(gè)農(nóng)場(chǎng)都位于海拔1480 m的平坦區(qū)域。土壤條件相同：棕色沙漠土，有機(jī)質(zhì)含量低，氮素含量低。兩個(gè)樣地均被甘肅楊覆蓋。我們?cè)诿總€(gè)林場(chǎng)建立了兩個(gè)50×50米的樣地，共四個(gè)樣地?？偣灿兴姆N類型的樣本樹(shù)：健康（H）、僅受黃萎病損害（A）、僅受干旱損害（D）和同時(shí)受黃萎病和干旱損害（AD）（圖2）。

圖 2. 本試驗(yàn)中的四種楊樹(shù)。括號(hào)中顯示了每種楊樹(shù)樣本的縮寫(xiě)。

亞洲長(zhǎng)角甲蟲(chóng)（ALB）是一種樹(shù)干蛀蟲(chóng)，通過(guò)識(shí)別漏斗狀產(chǎn)卵坑、排便孔和圓形出口孔（圖 3）確定楊樹(shù)是否受損。若發(fā)現(xiàn)這些特征或樹(shù)冠稀疏（稀疏葉片、干枯枝條），則認(rèn)為楊樹(shù)受到 ALB 損傷。

葉面積指數(shù) (LAI) 反映葉片密度及生物物理能力。采用 SmartLAI 應(yīng)用程序從不同方向進(jìn)行四次測(cè)量取平均值，評(píng)估樹(shù)冠稀疏程度。調(diào)查了 325 棵楊樹(shù)：健康（H）66 棵，受 ALB 脅迫（A）75 棵，受干旱脅迫（D）80 棵，受雙重脅迫（AD）104 棵，表 1 顯示不同條件下的 LAI 數(shù)據(jù)。

圖 3. 確定 ALB 損害的證據(jù)。(a) ALB 成蟲(chóng)在漏斗狀的產(chǎn)卵坑中挖溝。(b) ALB 幼蟲(chóng)排出的糞便。(c) ALB 成蟲(chóng)的圓形出口孔。

表 1. 四種脅迫條件下楊樹(shù)林葉面積指數(shù)。