便携式高光谱成像系统：基于高光谱分析技术的桉树叶片黄化识别

桉树（Eucalyptusspp.）是我国南方地区重要的用材林树种，可用于生产旋切板、纸浆等，为推动南方地区经济发展做出了重要贡献。因长期采取短轮伐期（5~7年）、高强度和粗放式的经营模式，桉树人工林地力衰退；近年来桉树黄化病频发，严重限制桉树人工林及其下游产业的发展。桉树黄化病是一种较特殊的生理性病害，表现为发病后植株失绿，长出黄色叶片，在无处理的情况下通常50~70天自动复绿，但在黄化期间，植株生长停滞，新叶抽出速度异常缓慢，当年生长量减少约20%~40%；在黄化病发生初期，增施有效态铁（Fe）、锰（Mn）肥及喷洒叶面肥可显著减少黄化病造成的经济损失。

高光谱与病虫害

高光谱（Hyperspectral）是近年来发展较迅速的一种光学分析技术，已被应用于木材性质研究和植物生理信息获取等方面。通过检测叶片、果实等器官中细胞或果肉组织内部结构对光不同程度的反射、散射，及植物叶片中水分、色素等的吸收作用，对植物光谱响应特征进行提取，并进行形式化、定量化表达，不仅可以研究植物病虫害侵染程度、侵染种类和侵染阶段，也有助于进一步研究光谱响应特性与病虫害间的关系，为深入研究病虫害光学遥感监测提供依据。

图1 黄化叶片（a）、未发病叶片（b）和正常叶片（c）

光谱反射率特征分析

不同叶片光谱反射曲线呈相同趋势，反射率差异明显；受病害影响叶片的原始光谱反射率大部分情况下高于正常叶片；对数变换后的变化规律与原始光谱反射率呈相反趋势（图2）。原始光谱反射率吸收峰主要有5个，分别在可见光区域（550nm）及近红外1180、1288、1630和2200nm处；在近红外波段800~1260、1400~1720和2000~2400nm，正常叶片的原始光谱反射率明显低于受病害影响叶片（图2a）。经对数变换后，黄化叶片、未发病叶片和正常叶片的光谱反射率差异减小，但峰形更尖锐，差异峰主要出现在640、1508和2000nm处，波谷出现在550和2280nm处（图2b）。这些差异可作为识别桉树叶片黄化的光谱特征波段。

图2不同叶片原始光谱反射率（a）与对数变换（b）

主成分分析

主成分得分图是通过主成分分析（PrincipalComponentAnalysis，PCA）将高维数据降维至二维或三维的一种可视化方法。图中，每个点表示1个样本，坐标轴对应主成分，坐标轴的标签为原始特征的名称或主成分的编号。主成分得分图上的散点分布可表征光谱间的相似性。对不同叶片的光谱数据进行主成分分析，第一主成分（PC1）和第主成分（PC2）分别包含42.9％和26.0％的方差信息，可代表原始光谱68.9%以上的主要信息（图3）。不同叶片的原始光谱有一定差异，未发生重叠，分布较分散；黄化叶片在1、2和4象限均有分布；未发病叶片在1、2、3和4象限均有分布；正常叶片主要分布在2、3和4象限；未表现聚类特征。PCA方法可以很大程度地压缩数据并尽可能保留有效信息，但难以通过光谱数据的主成分得分图对不同叶片进行有效分类。

图3 不同叶片光谱指标主成分得分图

结论

本研究选择桉树种植区域内出现黄化病的林分，采集黄化叶片、未发病叶片和正常叶片在350~2500nm的可见-近红外光谱数据，发现黄化叶片特征识别光谱主要有5个，分别在可见光区域（550nm）及近红外1180、1288、1630和2200nm处，受病害影响叶片的光谱吸收率明显降低。不同叶片光谱反射曲线呈相同趋势，反射率差异明显，差异较大的波段主要为近红外波段800~1260、1400~1720和2000~2400nm，在这些波段，受病害影响叶片的原始光谱反射率明显高于正常叶片；对数变换能在一定程度上减少光谱数据冗余量，突出差异。

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审核编辑 黄宇