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

來源：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，特別對中國西北干旱地區(qū)的楊樹防護(hù)林造成了顯著破壞。由于干旱和 ALB 脅迫均會引起缺水癥狀，但其成因和治理方法截然不同，及時區(qū)分這兩種脅迫對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。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，避免過度擬合，提升分類精度，旨在：（1）評估無人機(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)對脅迫的響應(yīng)特征，篩選最敏感的檢測指標(biāo)，為干旱地區(qū)楊樹健康監(jiān)測和管理提供科學(xué)依據(jù)。

研究地塊位于中國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。本研究選取了兩個水分條件不同（灌溉和非灌溉）且樹齡相近的林場（圖1）。

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

樣地1（圖1a）：酒泉新城國有林場（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，樹齡為40–60年。研究樹種為甘肅楊、白楊和旱柳。樣地2（圖1b）：酒泉三河國有林場（39°23′N，99°04′E）。灌溉條件極差，無地表水，兩年未正常灌溉。林分健康林和黃萎病林，樹齡為40-60年。研究樹種與樣地1相同。兩個農(nóng)場都有健康林和黃萎病林的楊樹。兩個農(nóng)場都位于海拔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。兩個樣地均被甘肅楊覆蓋。我們在每個林場建立了兩個50×50米的樣地，共四個樣地。總共有四種類型的樣本樹：健康（H）、僅受黃萎病損害（A）、僅受干旱損害（D）和同時受黃萎病和干旱損害（AD）（圖2）。

圖 2. 本試驗中的四種楊樹。括號中顯示了每種楊樹樣本的縮寫。

亞洲長角甲蟲（ALB）是一種樹干蛀蟲，通過識別漏斗狀產(chǎn)卵坑、排便孔和圓形出口孔（圖 3）確定楊樹是否受損。若發(fā)現(xiàn)這些特征或樹冠稀疏（稀疏葉片、干枯枝條），則認(rèn)為楊樹受到 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)行四次測量取平均值，評估樹冠稀疏程度。調(diào)查了 325 棵楊樹：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)。