一种松材线虫病的高光谱综合分析早期探测方法。在松材线虫病发病季节，定期采取松树针叶样本用保鲜袋密封带回，在暗室内在人工光源下用野外光谱辐射仪测定样本的光谱数据，计算红边位置、绿峰反射高度、红光吸收深度、红绿指数、水绿指数、分形维数，继而综合分析这些数值，得出探测结论。本发明专利技术的有益效果是：用接近连续的包括可见光、近红外、部分中红外的高光谱数据，从细微特征到整体特征探测松树因患病而改变的光谱特性，微观与宏观兼顾；综合应用各种特征指数，充分考虑特征间的联系。其中红绿指数、水绿指数为本发明专利技术首次提出，它们分别反映了植物的光合作用和含水率情况。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于遥感技术应用领域，具体是一种基于地面非成像高光谱数据综合分析的松材线虫病早期探测方法。
技术介绍
松材线虫病(burs即helenchus xylophilus)有松树"癌症"之喻，目前在我国的 江苏、安徽、浙江、广东、湖北等南方大部分省都有分布。松材线虫病的主要寄主包括马尾松 (P. massoniana)、云南丰公(P. yunnanensis)、思茅丰公(P. kesiya)、欧洲黑丰公(P. nigra)、火炬 松(P. taeda)、湿地松(P. elliottii)等80种松属植物和雪松(Cedrus deodara)、香脂冷松 (Abies balsamea)、黑云杉(Picea mariana)等27禾中非松属植物，而松揭天牛(Monochamus alternatus)是该病的主要传媒昆虫。该病自上个世纪八十年代传入我国以来，对松林及其 森林生态环境造成了极大的危害，同时使一些重要风景区面临严重威胁。目前已有技术对 发病初期的病害木进行抢救治疗，如挂瓶输液，因而对一些珍贵古树名木如黄山迎客松等， 如能在发病初期发现，及时采取措施，仍有挽救的可能，因此，对珍贵树木来说，早期探测意 义重大。 高光谱遥感在植物胁迫方面的研究具有很好的应用，可见光区的"蓝边"(蓝过渡 到绿)、绿峰、"黄边"(绿过渡到红)、红光低谷及红光过渡到近红外的"红边"，是描述植物 色素状态和健康状况的重要指示波段，实验证明，红边位置随叶绿素含量、叶面积指数、生 物量、年龄、植物的健康程度、季节而变化，当植物健康叶绿素含量高时，红边位置往长波方 向移动，当遭受病虫害时，红边位置向短波方向移动。因此目前多采用红边位置、绿峰高度、 红谷吸收深度等参数分析植物的健康状况。如图2所示，反映植物健康状况的另一个重要 因子是植物的含水率，中红外波段是研究植物含水率的重要波段。通常当植物得病后，蒸腾作用下降，含水率降低，反映在中红外波段上就是反射率增强。这些观点和反映出的现象已 为业界学者所公认。 现有植物病虫害高光谱探测方面的技术和研究存在下列不足一是仅使用少数几 个孤立波段的数据，对植物患病前后光谱特性改变的研究不够全面；二是孤立应用一些参 数或特征，对它们的相互联系考虑较少；三是对曲线形状的改变，缺乏一个整体衡量参数。
技术实现思路
针对现有技术的上述不足，本专利技术要解决的技术问题是提供一种松材线虫病的高 光谱综合分析早期探测方法。 解决上述技术问题的技术方案是按如下步骤进行 (1)松树针叶反射率连续测量 a、待探测松树确定侧重于具有较高价值、需要特别保护的珍贵松树作待探测对 象，总数在IO株以上； b、测定期与测定时间的确定地处北半球的我国选择每年4-10月松材线虫病发5病季节，采样时间9:00-11:00 ，每3天采样1次； c、样本采集每棵树采一位于树木中上部且阳光能照射到的末端枝，放入保鲜袋 密封，及时带回室内测定； d、光谱测定暗室内在人工光源下用便携式野外光谱辐射仪测定每个样本的高光 谱数据，将仪器设定为一个样本10次重复；要求光谱辐射仪的物理光谱分辨率10nm以上， 插值后输出光谱分辨率lnm，波长范围350-2000nm ; (2)光谱数据预处理利用仪器提供的软件将测定的数据转换为普通可读写格 式；求每个样本10次重复数据的算术平均数，作为该样本的光谱数据用于后面的计算； (3)计算红边位置RE :红边位置是670nm-780nm波长范围内光谱反射率拐点处的 波长，采用近似一阶导数法计算RE : ^nax(义)a max (， 。max、 化、 1 — RE = R' max—乂R'隨(入)) 式中A、R(A)、R' max(A)和i分别为波长、波长为A的光谱反射率、光谱反射 率一阶导数最大值和波长序号，RE二R' max—、R' ,(A))表示R' max(A)的反函数，即光谱反射率一阶导数最大值处的波长； (4)计算绿峰反射高度Hc :陽)//G=l —■5 式中RA、 RB和Rc分别为吸收特征起点、中心点和结束点处的光谱反射率，A A、入B 和A e分别为反射特征起点、中心点和结束点处的波长，其值分别为560nm、500nm和670nm ; (5)计算红光吸收深度HK :^=1尺■cZfl — 式中RB、 Rc和RD分别为吸收特征起点、中心点和结束点处的光谱反射率，A B、入c 和A D分别为反射特征起点、中心点和结束点处的波长，其值分别为670nm、560nm和760nm ; (6)计算红绿指数RG :先计算500nm-600nm波长范围内即绿光区域反射率最大值 GRmax和对应的波长G A max， 600nm-700nm波长范围内即红光区域反射率最小值RRmin和对应的波长IUmin: <^腿=maX WWmaX 义eG入R 1 (GR隨)眠=min岸)匪 ；ie[600,700〗、,R入min = R 1卿min)按下式计算红绿指数RG :y 7 —广/ AO"—-A义min - G义腿 (7)计算水绿指数WG :先计算1360nm-1570nm和1830nm_1960nm两个波长范围内 的反射率最小值WRminl、 WRmin2和对应的波长W A minl、 W A min2 :,mim、，U(义)义e W、inl = R—乂WRmim)「00331 附"9 = minL0033」 mm2 化、 乂 W、in2 = R—U 按下式计算水绿指数WG : ^7= 腿l網匪、/， 广—— (8)计算分形维数fd :采用方差法计算350nm-2000nm波长范围内反射光谱曲线的 分形维数 a、尺度r设定尺度范围{2，4，6，…，64}，取起始尺度r = 2 ; b、用以r为宽的矩形框首尾相接将光谱曲线覆盖起来，如图4所示。设第i个框 内光谱曲线的最大值与最小值之差为Hi，若尺度r很小，&值就逼近第i个框内曲线的长 度，则等价的测度数即方差V(r)的表达式为》A IX 「(。 = ^-= ^~L c、令r = r+2，若r > 64，按步骤(8)的d方法处理，否则按步骤(8)的b方法处 理； d、以ln(V(r))为因变量、ln(V(r))为自变量建立直线回归方程，由直线的斜率k 得到光谱曲线的分形维数.fd = 2-k ; (9)病害早期诊断据上述计算各数值，用纵横比较法进行诊断，纵向比较是将某树当前的数据和它以前的相应数据相比较，横向比较是将某树的数据和它树的同一时间相应数据相比较； 诊断依据如下 a、若红边位置蓝移，即RE值变小，则树木有患病可能； b、若绿峰反射高度降低，即He值变小，则树木有患病可能； C、若红光吸收深度降低，即HK值变大，则树木有患病可能； d、若红绿指数RG增大，则树木有患病可能； e、若水绿指数WG增大，则树木有患病可能； f 、若分形维数fd变小，则树木有患病可能； 综合上述6种情况，做出最后结论。 本专利技术具有下列有益效果一是用接近连续的包括可见光、近红外、部分中红外的 高光谱数据，从细微特征到整体特征探测松树因患病而改变的光谱特性，微观与宏观兼顾；7二是综合本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种松材线虫病的高光谱综合分析早期探测方法，其特征在于按如下步骤进行：（１）松树针叶反射率连续测量：ａ、待探测松树确定：侧重于具有较高价值、需要特别保护的珍贵松树作待探测对象，总数在１０株以上；ｂ、测定期与测定时间的确定：地处北半球的我国选择每年４－１０月松材线虫病发病季节，采样时间９：００－１１：００，每３天采样１次；ｃ、样本采集：每棵树采一位于树木中上部且阳光能照射到的末端枝，放入保鲜袋密封，及时带回室内测定；ｄ、光谱测定：暗室内在人工光源下用便携式野外光谱辐射仪测定每个↓［ｍｉｎ］）按下式计算红绿指数ＲＧ：ＲＧ＝（ＲＲ↓［ｍｉｎ］－ＧＲ↓［ｍａｘ］）／（Ｒλ↓［ｍｉｎ］－Ｇλ↓［ｍａｘ］）（７）计算水绿指数ＷＧ：先计算１３６０ｎｍ－１５７０ｎｍ和１８３０ｎｍ－１９６０ｎｍ两个波长范围内的反射率最小值ＷＲ↓［ｍｉｎ１］、ＷＲ↓［ｍｉｎ２］和对应的波长Ｗλ↓［ｍｉｎ１］、Ｗλ↓［ｍｉｎ２］：ＷＲ↓［ｍｉｎ１］＝＊Ｒ（λ）Ｗλ↓［ｍｉｎ１］＝Ｒ↑［－１］（ＷＲ↓［ｍｉｎ１］）ＷＲ↓［ｍｉｎ２］＝＊Ｒ（λ）Ｗλ↓［ｍｉｎ２］＝Ｒ↑［－１］（ＷＲ↓［ｍｉｎ２］）按下式计算水绿指数ＷＧ：ＷＧ＝（ＷＲ↓［ｍｉｎ１］＋ＷＲ↓［ｍｉｎ２］）／２－ＧＲ↓［ｍａｘ］／（Ｗλ↓［ｍｉｎ１］＋Ｗλ↓［ｍｉｎ２］）／２－Ｇλ↓［ｍａｘ］（８）计算分形维数ｆｄ：采用方差法计算３５０ｎｍ－２０００ｎｍ波长范围内反射光谱曲线的分形维数：ａ、尺度ｒ设定：尺度范围｛２，４，６，…，６４｝，取起始尺度ｒ＝２；ｂ、用以ｒ为宽的矩形框首尾相接将光谱曲线覆盖起来，如图４所示。设第ｉ个框内光谱曲线的最大值与最小值之差为Ｈ↓［ｉ］，若尺度ｒ很小，Ｈ↓［ｉ］值就逼近第ｉ个框内曲线的长度，则等价的测度数即方差Ｖ（ｒ）的表达式为Ｖ（ｒ）＝ΣｒＨ↓［ｉ］／ｒ↑［２］＝ΣＨ↓［ｉ］／ｒｃ、令ｒ＝ｒ＋２，若ｒ＞６４，按步骤（８）的ｄ方法处理，否则按步骤（８）的ｂ方法处理；ｄ、以ｌｎ（Ｖ（ｒ））为因变量、ｌｎ（Ｖ（ｒ））为自变量建立直线回归方程，由直线的斜率ｋ得到光谱曲线的分形维数ｆｄ＝２－ｋ；（９）病害早期诊断：据上述计算各数值，用纵横比较法进行诊断，纵向比较是将某树当前的数据和它以前的相应数据相比较，横向比较是将某树的数据和它树的同一时间相应数据相比较；诊断依据如下：ａ、若红边位置蓝移，即ＲＥ值变小，则树木有患病可能；ｂ、若绿峰反射高度降低，即Ｈ↓［Ｇ］值变小，则...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杜华强，王鑫，黄明祥，葛宏立，
申请(专利权)人：浙江林学院，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]
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