刚竹毒蛾胁迫下毛竹叶绿素与叶光谱特征的关系及其变化

作     者：胡新宇 许章华 黄旭影 张艺伟 陈秋霞 王琳 刘辉 刘智才 HU Xin-yu;XU Zhang-hua;HUANG Xu-ying;ZHANG Yi-wei;CHEN Qiu-xia;WANG Lin;LIU Hui;LIU Zhi-cai

作者机构：福州大学环境与安全工程学院福建福州350108 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 空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室福建福州350108 福州中谷海创科技发展有限公司福建福州350108 福州大学先进制造学院福建泉州362200 福州大学信息与通信工程博士后科研流动站福建福州350108 福建农林大学公共管理学院福建福州350002 南京大学国际地球系统科学研究所江苏南京210023 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2022年第42卷第9期

页      面：2726-2739页

核心收录：

学科分类：07[理学] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(42071300,41501361) 福建省自然科学基金面上项目(2020J01504) 福建省自然科学基金面上项目(2016J01188)资助 中国博士后面上基金一等项目(2018M630728) 福建省资源环境监测与可持续经营利用重点实验室开放基金项目(ZD202102) 3S技术与资源优化利用福建省高校重点实验室开放课题(fafugeo201901) 晋江市福大科教园区发展中心科研项目(2019-JJFDKY-17) 中国科学院战略性先导科技专项(XDA23100202) 

主　　题：虫害胁迫 叶绿素含量 叶光谱特征 相关分析 机器学习 

摘      要：叶绿素是反映绿色植被健康状态的重要生理参数,虫害胁迫下叶绿素与叶光谱的变化机制较为复杂,深入剖析二者关系对于虫害检测有重要意义。以福建省南平市顺昌县为试验区,测定不同受害情景下毛竹叶叶绿素含量(SPAD)与叶光谱,采用Pearson相关法筛选叶光谱特征指标,建立叶SPAD的多元线性回归、岭回归、随机森林与XGBoost估测模型。通过比较光谱特征指标筛选结果及模型估测效果,分析刚竹毒蛾胁迫下毛竹叶绿素与叶光谱特征的关系及其变化。结果表明:(1)随着虫害程度上升,毛竹叶SPAD呈下降趋势;(2)较之于未受害状态,刚竹毒蛾胁迫下毛竹叶光谱特征发生明显变化,“绿峰和“红谷趋于消失,“红边斜率减小,近红外波长反射率降低;(3)基于全样本拟合叶SPAD的最优光谱特征指标为VOG_(2),R_(515)/R_(570),CI_(red),PRI与NDVI_(705),最佳估测模型为多元线性回归模型(R^(2)=0.7537,RMSE=3.0150);(4)基于不同受害程度样本拟合毛竹叶SPAD,最优光谱特征指标分别为健康:CI_(red),VOG_(2),ARVI,R_(515)/R_(570),DVI;轻度:RENDVI,RERVI,REDVI;中度:RENDVI,RERVI,REDVI;重度:VOG_(2),CI_(red),NDVI_(705),PRI;小年:PRI,NDVI_(705),VOG_(1),CI_(red)。最佳估测模型为多元线性回归模型,模型精度分别为健康(R^(2)=0.8823;RMSE=1.6388);轻度(R^(2)=0.1802;RMSE=3.3354);中度(R^(2)=0.3604;RMSE=3.8867);重度(R^(2)=0.4677;RMSE=2.6018);小年(R^(2)=0.7324;RMSE=2.3754)。由此发现,随着虫害等级上升,毛竹叶光谱特征指标也随之改变,关系模型估测精度呈现先急剧下降后缓慢抬升的态势,模型对健康与小年叶SPAD估测效果较好,对轻—中—重度危害叶SPAD估测效果较差;当毛竹叶SPAD与叶光谱特征的关系趋向紊乱时,预示可能有刚竹毒蛾危害发生。