ASD FieldSpec 4地物光譜儀在評(píng)估森林病蟲害方面的應(yīng)用

“森林”這兩個(gè)字一共由5個(gè)“木”字組成，正如同大自然中無數(shù)樹木相互依存，彼此交織，形成了一個(gè)龐大而有機(jī)的生態(tài)系統(tǒng)。森林具有調(diào)節(jié)氣候、保持水源、防止土壤侵蝕等重要功能，森林是地球上最寶貴的財(cái)富之一。

然而，隨著人類社會(huì)的發(fā)展和氣候變化加劇，森林生態(tài)系統(tǒng)也在發(fā)生著變化。

科研人員一直在努力了解并改善這些變化，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，新的技術(shù)手段也帶來了更多地研究可能。今天推薦大家了解的是北京林業(yè)大學(xué)和北京師范大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)所做的研究。

 

森林生態(tài)系統(tǒng)是最基本的陸地生態(tài)系統(tǒng)組成部分之一，在調(diào)節(jié)氣候變化、提供物種棲息地、維持生物多樣性及減緩全球變暖等方面發(fā)揮著重要的作用。隨著人類活動(dòng)和氣候變化的加劇，生物和非生物森林干擾事件頻發(fā)。因此，有效監(jiān)測(cè)影響森林健康的生物和非生物因素對(duì)于理解森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及監(jiān)測(cè)全球變暖的影響至關(guān)重要。其中病蟲害是生物干擾事件中最主要的干擾因素之一。檢測(cè)早期病蟲害位置對(duì)于識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)林分及預(yù)防其大規(guī)模爆發(fā)和蔓延至關(guān)重要。然而，不同病蟲害在垂直結(jié)構(gòu)的不同位置破壞樹木。了解如何監(jiān)測(cè)和評(píng)估垂直冠層結(jié)構(gòu)上不同病蟲害的異質(zhì)脅迫對(duì)于提高森林質(zhì)量至關(guān)重要。傳統(tǒng)的田間調(diào)查方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以在區(qū)域尺度上監(jiān)測(cè)森林。近幾十年來，遙感技術(shù)的出現(xiàn)為森林病蟲害監(jiān)測(cè)提供了新的途徑和技術(shù)手段。隨著地基、機(jī)載、星載平臺(tái)等多源遙感技術(shù)的快速發(fā)展，使得高效、動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)不同時(shí)空尺度的森林病蟲害成為可能。
 

基于此，來自北京林業(yè)大學(xué)和北京師范大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在中國河北省懷來遙感站純?nèi)斯ぢ淙~闊葉林（40.35°N，115.78°E）進(jìn)行了田間測(cè)量（結(jié)構(gòu)信息、葉面積指數(shù)（LAI）、上中下垂直冠層高度5個(gè)不同位置收集葉片、樹皮和土壤反射率）、受損葉片分類（健康、輕度、中度和重度受損）、光譜分析（植物反射率和透射率，ASD FieldSpec®4 Hi-Res NG）、TLS激光掃描、3D森林場(chǎng)景重建、機(jī)載高光譜激光雷達(dá)和高光譜圖像模擬、高光譜點(diǎn)云表征脅迫水平、隨機(jī)森林（RF）模型構(gòu)建及分類模型準(zhǔn)確性評(píng)估（混淆矩陣和kappa系數(shù)）。主要目的是基于3D輻射傳輸模型（LESS）評(píng)估機(jī)載高光譜激光雷達(dá)（AHSL）在森林病蟲害脅迫監(jiān)測(cè)方面的潛力。具體來說，首先根據(jù)TLS數(shù)據(jù)和測(cè)量的受損葉片光譜重建虛擬3D森林場(chǎng)景，并在此基礎(chǔ)上定義不同冠層受損位置和不同脅迫水平的不同病蟲害干擾場(chǎng)景。然后，針對(duì)不同受損位置和脅迫水平的每種組合，使用LESS模擬AHSL點(diǎn)云和相應(yīng)的高光譜圖像（HI）。提取AHSL點(diǎn)云不同層的LiDAR點(diǎn)云并光柵化為3m空間分辨率的圖像，結(jié)合高光譜圖像，使用隨機(jī)森林預(yù)測(cè)病蟲害。
 

研究區(qū)域位置，林地照片及受損葉片示例
 

【結(jié)果】

受脅迫葉片和樹皮的光譜反射率
 

基于高光譜LiDAR評(píng)估不同受損位置不同脅迫水平分類模型的準(zhǔn)確度
 

基于高光譜圖像評(píng)估不同受損位置不同脅迫水平分類模型的準(zhǔn)確度
 

【結(jié)論】

結(jié)果表明，AHLS在森林病蟲害異質(zhì)垂直脅迫監(jiān)測(cè)方面具有巨大潛力。對(duì)整個(gè)冠層受損和冠層上部受損的監(jiān)測(cè)能力最優(yōu)，不同脅迫水平分類的總體精度和kappa系數(shù)分別為65.95%~89.45%和54.58%~85.92%。此外，在冠層中部（OA：77.56％，kappa：69.90％）和冠層下部（OA：65.95％，kappa：54.58％）也可以獲得良好的分類準(zhǔn)確度。作者還基于相同的脅迫場(chǎng)景模擬了HI數(shù)據(jù)，并與AHSL進(jìn)行了比較。在整個(gè)冠層受損的情況下，HI具有最好的分類準(zhǔn)確度（OA：57.02％，kappa：41.86％）。但上、中、下冠層受損的分類準(zhǔn)確度差異較小。研究結(jié)果表明，AHSL提供了結(jié)構(gòu)和光譜信息。與HI數(shù)據(jù)相比，AHSL能夠避免土壤、陰影及其他林下混雜因素的影響。脈沖穿透可以監(jiān)測(cè)森林中下部的病蟲害脅迫，但也需要考慮樹枝的影響。

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