Discriminant Analysis of the Damage Degree Caused by Pine Shoot Beetle to Yunnan Pine Using UAV-Based Hyperspectral Images

Due to the increased frequency and intensity of forest damage caused by diseases and pests, effective methods are needed to accurately monitor the damage degree. Unmanned aerial vehicle (UAV)-based hyperspectral imaging is an effective technique for forest health surveying and monitoring. In this study, a framework is proposed for identifying the severity of damage caused by Tomicus spp. (the pine shoot beetle, PSB) to Yunnan pine (Pinus yunnanensis Franch) using UAV-based hyperspectral images. Four sample plots were set up in Shilin, Yunnan Province, China. A total of 80 trees were investigated, and their hyperspectral data were recorded. The spectral data were subjected to a one-way ANOVA. Two sensitive bands and one sensitive parameter were selected using Pearson correlation analysis and stepwise discriminant analysis to establish a diagnostic model of the damage degree. A discriminant rule was established to identify the degree of damage based on the median value between different degrees of damage. The diagnostic model with R690 and R798 as variables had the highest accuracy (R2 = 0.854, RMSE = 0.427), and the test accuracy of the discriminant rule was 87.50%. The results are important for forest damage caused by the PSB.

Detection of Pine Shoot Beetle (PSB) Stress on Pine Forests at Individual Tree Level using UAV-Based Hyperspectral Imagery and Lidar

In recent years, the outbreak of the pine shoot beetle (PSB), Tomicus spp., has caused serious shoots damage and the death of millions of trees in Yunnan pine forests in southwestern China. It is urgent to develop a convincing approach to accurately assess the shoot damage ratio (SDR) for monitoring the PSB insects at an early stage. Unmanned airborne vehicles (UAV)-based sensors, including hyperspectral imaging (HI) and lidar, have very high spatial and spectral resolutions, which are very useful to detect forest health. However, very few studies have utilized HI and lidar data to estimate SDRs and compare the predictive power for mapping PSB damage at the individual tree level. Additionally, the data fusion of HI and lidar may improve the detection accuracy, but it has not been well studied. In this study, UAV-based HI and lidar data were fused to detect PSB. We systematically evaluated the potential of a hyperspectral approach (only-HI data), a lidar approach (only-lidar data), and a combined approach (HI plus lidar data) to characterize PSB damage of individual trees using the Random Forest (RF) algorithm, separately. The most innovative point is the proposed new method to extract the three dimensional (3D) shadow distribution of each tree crown based on a lidar point cloud and the 3D radiative transfer model RAPID. The results show that: (1) for the accuracy of estimating the SDR of individual trees, the lidar approach (R2 = 0.69, RMSE = 12.28%) performed better than hyperspectral approach (R2 = 0.67, RMSE = 15.87%), and in addition, it was useful to detect dead trees with an accuracy of 70%; (2) the combined approach has the highest accuracy (R2 = 0.83, RMSE = 9.93%) for mapping PSB damage degrees; and (3) when combining HI and lidar data to predict SDRs, two variables have the most contributions, which are the leaf chlorophyll content (Cab) derived from hyperspectral data and the return intensity of the top of shaded crown (Int_Shd_top) from lidar metrics. This study confirms the high possibility to accurately predict SDRs at individual tree level if combining HI and lidar data. The 3D radiative transfer model can determine the 3D crown shadows from lidar, which is a key information to combine HI and lidar. Therefore, our study provided a guidance to combine the advantages of hyperspectral and lidar data to accurately measure the health of individual trees, enabling us to prioritize areas for forest health promotion. This method may also be used for other 3D land surfaces, like urban areas.

ENTOMOLOGIZES FACTORY IN THE PROCESS OF SPREADING COMMON PINE ROOT SPONGE UNDER THE CONDITIONS OF SHIP TIMBER FORESTRY OF STATE ENTERPRISE “ZHYTOMYR FORESTRY”

The article studies the species varieties of forest insects in the centers of attack with determination of the tree stocking degree. The major insect species are represented by such samilies as bark beetlesipidae capricon betles – Cerambycidae. The artice considers the effect of insect on common pipe decaying in the location of pine fungus. It has been substantiated that the formalion of forest insect attack centers depend on the age of trees. Concentration of larger and lasser pine – shoot beetles dominates in the forest of 40 years of age. They intensify the effect of pine fungus with further weakening the trees. Following the results of investigation it has been determined that such insects as larger pine-shoot beetle lesser pine-shoot beetle, black pine Capricorn beetle, blue pine char cool beetle, Curkulio glandium are the synergist of Heterobasidion annosum finvader.Обгрунтовано значення ентомологічного фактора у розповсюдженні кореневої губки сосни звичайної, а також видового складу стовбурових шкідників в осередках Heterobasidion annosum з визначенням ступеня заселеності дерев. Основні види стовбурових шкідників представлені родинами: короїди – Іріdае, вусачі – Сеrambycidае, златки – Вuprestidае, довгоносики – Сulculionida).Предметом роботи є збудник кореневої губки сосни звичайної в умовах Корабельного лісництва державного підприємства «Житомирське лісове господарство». Метою роботи є вивчення впливу стовбурових шкідників на всихання сосни звичайної в осередках кореневої губки. Встановлено, що формування осередків стовбурових шкідників залежить від віку насаджень – осередки великого і малого соснового лубоїдів переважають в насадженнях до 40 років, що призводить до підсилення шкідливої дії кореневої губки. Основними методами проведення робіт є фітопатологічна експертиза соснових насаджень, а також проведення обстежень соснових деревостанів з визначенням характеру всихання в залежності від ступеня ураження як збудником кореневої губки сосни звичайної, так і розповсюдження збудника ентомологічним шляхом в соснових деревостанах.За результатами роботи встановлено, що формування осередків стовбурових шкідників залежить від віку насаджень – осередки великого і малого соснового лубоїдів переважають в насадженнях до 40 років, призводячи до підсилення шкідливої дії кореневої губки і значного ослаблення насадження в подальшому. В результаті проведених досліджень було виявлено, що великий сосновий лубоїд, малий сосновий лубоїд, чорний сосновий вусач, синя соснова златка, соснова жерднякова смолівка є синергітами збудника Heterobasidion annosum.Сферою застосування результатів є лісогосподарські підприємства різних форм власності з метою збереження та захисту лісових насаджень від збудника кореневої губки в умовах зони Полісся України.Висновки досліджень полягають в тому, що для повноцінного відновлення лісів, з лісогосподарської точки зору найбільш ефективнішим вирішенням проблеми є проведення рубок догляду, тоді, коли приріст починає сповільнюватися, отже вдається зберегти максимальний приріст дерев що залишаються, а від реалізації заготовленої при рубках догляду деревини отримати прибуток не чекаючи, поки вони будуть знищені шкідниками. В перспективі є сенс в подальших дослідженнях штучно створених насаджень які ще довгий час не зможуть функціонувати без систематичного і регулярного лісогосподарського та лісосанітарного догляду, причому слід чітко розуміти, що цьому повинен передувати досить тривалий період трансформації штучних лісових фітоценозів до природного стану. Тому важливим завданням лісівників в ДП „Житомирське ЛГ” у цьому напрямку є підтримання стабільного фітосанітарного стану насаджень і всебічна стимуляція природних саморегуляційних процесів в лісових екоценозах.

Electrophysiological and behavioral responses of Tomicus minor (Coleoptera: Scolytidae) to host volatiles

To screen for host volatiles that effectively attract the lesser pine shoot beetle, Tomicus minor (Coleoptera: Scolytidae), an important forest pest, water vapor distillation extraction and gas chromatography-mass spectrometry were combined to analyze volatiles emitted from uninfested and infested shoots of Pinus yunnanensis (Pinaceae). Electroantennography and Y-tube olfactometer behavioral tests were used to compare and analyze the responses of male and female beetles to each of selected eight compounds. The spectrometry results showed that monoterpenes are the primary chemicals emitted by P. yunnanensis. The electroantennogram responses of adult T. minor to six of the plant compounds peaked at 10 μg/μL; the exceptions were terpinolene and myrcene, which had maxima above 100 μg/μL. (+)-α-Pinene and β-phellandrene were strongly attractiveto the male and female adults.

Attraction ofTomicus yunnanensis(Coleoptera: Scolytidae) to Yunnan Pine Logs with and without Periderm or Phloem: An Effective Monitoring Bait

The Yunnan pine shoot beetle,Tomicus yunnanensisKirkendall and Faccoli (Coleoptera: Scolytinae) is an important pest of Yunnan pine (Pinus yunnanensisFranch) in China. Experiments with host log baits were done to develop a pest monitoring system using host tree kairomone. Five Yunnan pine logs (each 10–15 cm diam. × 30-cm long) in a trap-log bundle were treated by peeling periderm (outer bark) off to expose the phloem, and half of each log was covered with sticky adhesive to capture any attracted adult beetles. Significantly, more beetles were attracted and caught on the periderm-peeled logs (ca 30 beetles/m2log surface/day) than on untreated control logs with adhesive (ca 2.5/m2/day). No significant differences were observed between catches on logs taken from lower or upper halves of Yunnan pines.T. yunnanensisflies mostly during the afternoon according to trap catches throughout the day. Attraction to the periderm-peeled logs decreased considerably when they were peeled further to remove the phloem, indicating phloem volatiles play a role in selection of the host by the beetle. The readily-available log baits appear useful for monitoring pine shoot beetle populations in integrated pest management programs.