基于主成分分析法的蜀柏毒蛾災害發(fā)生影響因子篩選研究

賈玉珍，張 鑫，周建華

(1.四川省林業(yè)科學研究院，四川 成都 610081；2.中江縣林業(yè)局，四川 中江 618100)

基于主成分分析法的蜀柏毒蛾災害發(fā)生影響因子篩選研究

賈玉珍1，張 鑫2，周建華1

(1.四川省林業(yè)科學研究院，四川 成都 610081；2.中江縣林業(yè)局，四川 中江 618100)

以中江縣蜀柏毒蛾發(fā)生區(qū)為研究對象，探討主成分分析方法在篩選影響因子中的作用。選取影響蜀柏毒蛾危害的12個生態(tài)因子，通過主成分篩選和優(yōu)化，劃分蜀柏毒蛾危害區(qū)域，并采用GIS進行直觀展示。研究得到3個主成分，分別代表立地因子、環(huán)境關系因子和林分因子，貢獻量分別為35.274%、20.544%、14.897%，累計貢獻率為70.715%，基本保留了12個生態(tài)因子的絕大部分信息。按主成分綜合得分值大小，采用自然斷點分類法將中江縣蜀柏毒蛾危害劃分為常發(fā)區(qū)、偶發(fā)區(qū)和安全區(qū)，與歷年發(fā)生趨勢一致。并用ArcGIS軟件以繼光鄉(xiāng)為例進行了展示。結果表明，主成分分析可以優(yōu)化蜀柏毒蛾危害綜合評價指標，GIS可直觀顯示危害程度。古店鄉(xiāng)、繼光鄉(xiāng)、回龍鄉(xiāng)等以蜀柏毒蛾常發(fā)區(qū)為主的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，應重點監(jiān)測。

主成分分析；蜀柏毒蛾；影響因子

蜀柏毒蛾(Parocneriaorienta(Chao，1978))是四川省柏木林區(qū)非常嚴重的一種森林蟲害，有效控制蜀柏毒蛾發(fā)生與危害是各縣乃至四川省森林防治長期以來努力的目標。蜀柏毒蛾種群是森林生態(tài)系統(tǒng)組成的一部分，其發(fā)生發(fā)展動態(tài)受到眾多因素的影響嚴重，如蜀柏毒蛾生物學特性[1]、氣候因素[2]、生態(tài)因子[3]等多方面，其中蜀柏毒蛾本身的生物學特性、氣候等因素難以人為改變，但是人們可以通過調整群落結構、生物多樣性、立地類型等生態(tài)因子。如果能確定影響蜀柏毒蛾危害的關鍵生態(tài)因子，將能更有針對性、更高效的控制蜀柏毒蛾的災害。

生態(tài)因素包含很多因子，各因子對蜀柏毒蛾災害的影響并不是孤立的存在，每個因子的影響程度也不相同，多因子之間還存在相關性，如何有效篩選影響蜀柏毒蛾災害主要因子是分析問題的關鍵。本研究以四川省中江縣柏木生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，通過主成分分析法優(yōu)化篩選蜀柏毒蛾危害的綜合評價指標，客觀描述柏木林蜀柏毒蛾危害分布特征，為制訂科學預防蜀柏毒蛾危害策略提供技術依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

中江縣位于四川盆地西北部，介于東經(jīng)104°26′15″～105°11′15″，北緯30°31′00″～31°17′30″之間，林地總面積為 60 275.65 hm2，其中柏木林面積為 51 574.15 hm2，占總林分的85.9%。中江縣柏木林面積比重大，加上林分組成單一，群落結構簡單，人類干擾嚴重，是四川省蜀柏毒蛾危害的常發(fā)縣。

1.2 數(shù)據(jù)來源

調查數(shù)據(jù)：結合中江縣林業(yè)有害生物普查和中江縣森林資源調查，在中江縣范圍內設置了柏木標準地小班32個，采用燈誘調查；設置有效踏查小班28個，采用線路調查方法。分別記錄各小班蜀柏毒蛾危害情況，同時記錄小班單株蟲口密度、郁閉度、平均樹高、平均胸徑、群落結構等因子。

基礎地理數(shù)據(jù)和資源數(shù)據(jù)：包括道路、居民地、行政區(qū)劃、小班分布等要素的資源矢量數(shù)據(jù)以及1∶1萬地形圖的數(shù)字等高線和遙感圖。

1.3 研究方法

(1)空間數(shù)據(jù)疊加提取：通過基礎地理數(shù)據(jù)和資源數(shù)據(jù)疊加分析，提取各小班坡度、坡向、海拔、坡位等數(shù)據(jù)，計算小班質心點與道路、水系、居民點的距離(最近距離值)[4]。

(2)數(shù)據(jù)分析方法：數(shù)據(jù)的量化計算中因變量Y為危害程度，自變量X項中包括坡度(X1)、坡向(X2)、海拔(X3)、坡位(X4)、林分郁閉度(X5)、平均樹高(X6)、平均胸徑(X7)、道路距離(X8)、水系距離(X9)、居民點距離(X10)、小班面積(X11)、群落結構(X12)。各質量指標均經(jīng)數(shù)量化轉換后輸入，轉換以各因子對蜀柏毒蛾發(fā)生程度的影響為依據(jù)，各指標轉換方式如下[5]：

蜀柏毒蛾危害程度(Y)：根據(jù)調查蟲口密度并結合歷年發(fā)生情況及森林生態(tài)系統(tǒng)條件，以小班為單位劃分常發(fā)區(qū)、偶發(fā)區(qū)、安全區(qū)3種類型。坡度(X1)：0～5°為平坡、6°～15°為緩坡、16°～25°為斜坡、>26°為陡坡，分別以1、2、3、4表示。坡向(X2)：陽坡、半陽坡、半陰坡、陰坡分別用l、2、3、4表示。海拔(X3)：300 m～400 m、401 m～500 m、501 m～600 m、601 m～700 m、>700 m分別以1、2、3、4、5表示。坡位(X4)：坡下、坡中、坡上分別用1、2、3表示。林分郁閉度(X5)：0～0.3、0.3～0.5、0.5～0.7、0.7～0.8、0.8～1，分別以l、2、3、4、5。公路距離(X8)：0～100 m、101 m～200 m、201 m～300 m、301 m～400 m、>400 m分別以1、2、3、4、5表示。居民點距離(X10)和水系距離(X9)劃分標準同“公路距離”標準。小班面積(X11)：0～1 hm2、1 hm2～2 hm2、2 hm2～3 hm2、>3 hm2分別以1、2、3、4表示。群落結構(X12)：分為簡單、中等、完整分別以1、2、3表示。

(3)統(tǒng)計學分析：

主成分分析：使用SPSS19.0分析，構建60個柏木小班蜀柏毒蛾危害相關因子原始數(shù)據(jù)矩陣，進行數(shù)據(jù)標準化處理，以消除量綱不同的影響；對數(shù)據(jù)進行KMO檢驗和Bartlett球形度檢驗，進行主成分分析，根據(jù)累計貢獻率確定主成分個數(shù)；計算特征向量矩陣；計算主成分得分矩陣；最后利用主成分函數(shù)計算各柏木小班的綜合得分。

蜀柏毒蛾危害可視化：利用G1S軟件將中江縣蜀柏毒蛾危害主成分綜合得分與中江縣森林資源數(shù)據(jù)結合，將柏木小班劃分出為3個等級并可視化，用不同的色階直觀展示出來。

2 結果與分析

2.1 主成分分析

KMO值與Bartlett球形度檢驗：KMO值為0.728，Bartlett球形度檢驗P<0.01，表明各變量間存在較強的相關性，數(shù)據(jù)適合做主成分分析。

通過對12個自變量進行主成分分析，各主成分的初始特征值、貢獻率及累計貢獻率具體值見表1。一般認為累計貢獻率以大于70%為宜，表1顯示前3個主成分累計貢獻率可達到70.715%，故選擇前3個主成分，相關矩陣的特征向量見表2。

表1解釋的總方差

Tab.1 Total Variance Explained

從表1、表2可以看出，按特征值r>l的方式能提取3個主成分，它們能解釋總方差的70.715%，基本上保留了原來指標的信息。旋轉后3個主成分的貢獻量分別為35.274%、20.544%、14.897%。

表2成份矩陣

Tab.2 Component Matrix

第1主成分對坡向、海拔、坡位有絕對值較大負荷系數(shù)，充分反映出林分的立地情況，可以歸為立地因子。海拔、坡向的不同可影響森林內的溫、濕度情況，坡向直接影響到小生境的溫度與濕度，以及樹種分布，所以也間接影響蜀柏毒蛾危害。一般陽坡蜀柏毒蛾發(fā)生高于陰坡，西坡高于東坡，特別是蟲源地和害蟲初發(fā)期比較明顯，這與陽坡陽光充足、氣溫高、蜀柏毒蛾發(fā)育快等原因有關。海拔對蜀柏毒蛾分布與發(fā)生也有較大影響。中江縣蜀柏毒蛾一般發(fā)生在海拔500 m以下的地區(qū)，該區(qū)域為柏木林分布零散，一般生長差、多為田間地頭的條形林帶、群落結構簡單，人畜活動頻繁，干擾強度大，多容易形成蜀柏毒蛾蟲源地。坡位靠下的區(qū)域，尤其是帶狀林地或者疏林地，能削弱坡向的影響，另外坡位靠上的小班，小生境更復雜，人為干擾較小，生物多樣性更豐富，可在一定程度上抑制蜀柏毒蛾發(fā)生[6,7]。

第2主成分對道路、水系距離、居民點距離有絕對值較大負荷系數(shù)，這些因素直接反映柏木與周圍地理因子之間相關性，因此歸為空間關聯(lián)因子。蜀柏毒蛾有很強趨光性，居民點燈光對蜀柏毒蛾有很強的引誘作用，道路提供了車燈和較容易的飛行通道等原因，因此蜀柏毒蛾蟲源地最初多發(fā)生在離居民點近、周圍有道路和水系的小班，然后向四周擴散[8]。

第3主成分對郁閉度、小班面積有絕對值較大負荷系數(shù)。該主成分反映了蜀柏毒蛾發(fā)生和柏木林分因子之間的關系，歸為林分因子。蜀柏毒蛾多發(fā)生在一些四旁、零星分布的柏木林帶上，此類小班面積小，斑塊分布零散，郁閉度小。而郁閉度大、面積大片分布的柏木林，生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定，因此不容易發(fā)生蜀柏毒蛾的危害。

2.2 綜合評價

經(jīng)計算，最后確定的因子載荷矩陣見表3，該矩陣與標準化后的原始數(shù)據(jù)結合用于計算各小班Zl、Z2、Z3主成分得分值。

表3成份得分系數(shù)矩陣

Tab.3 Component Score Coefficient Matrix

Z1、Z2、Z3主成分函數(shù)計算公式為：

Z1=0.14X1+0.15X2+0.223X3+0.075X4-0.013X5+0.0158X6+0.197X7-0.103X8-0.037X9-0.03X10+0.245X11+0.178X12

Z2=0.014X1+0.03X2-0.041X3+0.186X4-0.063X5-0.216X6-0.059X7+0.289X8+0.389X9+0.363X10+0.031X11+0.00912

Z3=0.022X1+0.152X2-0.074X3+0.132X4+0.583X5+0.184X6-0.008X7+0.259X8-0.234X9-0.057X10-0.479X11-0.025X12

通過以上3個主成分公式計算后，按公式Z= 0.4036Z1+0.178Z2+0.105Z3最終確定中江縣各柏木林小班的主成分綜合指標評價得分Z值，作為評價中江縣蜀柏毒蛾危害程度的客觀依據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計，中江縣柏木林小班主成分綜合指標評價得分Z值范圍為1.14至2.78。

2.3 蜀柏毒蛾危害的估算結果分布

用GIS軟件，選用自然斷點分類法(Natural Breaks)對全縣柏木林分布區(qū)域綜合指標評價得分劃分為3類，自然斷點分類法分類原則是減少同一級中的差異，增加級間差異，使分出的各類方差和最小。分別用黑、灰、白等不同的色階表示(圖1)。黑色代表蜀柏毒蛾常發(fā)區(qū)域，面積為 10 335.44 hm2，評價得分值范圍1.14～1.71；灰色代表蜀柏毒蛾偶發(fā)區(qū)域，面積為 23 207.83 hm2，評價得分值范圍為1.71～1.96；白色代表蜀柏毒蛾安全區(qū)域，面積為 17 954.54 hm2，評價得分值范圍為1.96～2.78。由于縣域范圍較大，本文中以繼光鄉(xiāng)為例，對蜀柏毒蛾危害綜合評分并進行展示。

圖1 蜀柏毒蛾危害綜合評分示意圖(以繼光鎮(zhèn)為例)Fig. 1 The comprehensive score of P.Orienta hazard

3 討論

本研究對中江縣縣域范圍內影響蜀柏毒蛾危害的相關因子數(shù)據(jù)進行了主成分分析，提取了3個主成分，綜合反映了立地因子、林分因子、空間關聯(lián)因子等方面的信息。研究結果表明，任何生態(tài)因子對蜀柏毒蛾危害的作用并不是孤立的，而是在相互作用的綜合狀態(tài)下發(fā)生的，3個主成分累計貢獻率70.71%，說明獲得的主成分基本保留了原來12個因子數(shù)據(jù)信息，有較好的代表性。通過主成分分析實現(xiàn)了將數(shù)據(jù)科學簡化的目的，進一步優(yōu)化了蜀柏毒蛾危害綜合評價指標。

根據(jù)3個主成分數(shù)值及各自貢獻率大小，通過進一步計算綜合主成分得分，以綜合得分值大小反映蜀柏毒蛾危害程度，實現(xiàn)了對蜀柏毒蛾危害程度的量化。最后用ArcGIS10按自然斷點分類法對蜀柏毒蛾危害綜合得分值進行分類，全縣分為常發(fā)區(qū)、偶發(fā)區(qū)和安全區(qū)3類，實現(xiàn)了對蜀柏毒蛾危害差異的科學分類。通過歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，蜀柏毒蛾危害常發(fā)區(qū)區(qū)劃與歷年發(fā)生趨勢一致，古店鄉(xiāng)、繼光鎮(zhèn)、回龍鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，蜀柏毒蛾常發(fā)區(qū)面積比例較高，蜀柏毒蛾爆發(fā)機率也較大。

本研究通過主成分分析與ArcGIS10結合，對中江縣蜀柏毒蛾危害程度進行了量化和分類，并直觀的顯示出來。在今后研究中應將GIS強大的空間分析功能和數(shù)據(jù)挖掘有效結合，研究蜀柏毒蛾不同尺度空間發(fā)展規(guī)律，及時預測預報其擴散和蔓延區(qū)域，為各級林業(yè)部門提供高效、準確的監(jiān)測系統(tǒng)。

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AStudyofPrincipalComponentAnalysisinComprehensiveIndicatorScreeningforParocneriaOrientaHazard

JIA Yu-zhen1ZHANG Xin2ZHOU Jian-hua1

(1.Sichuan Academy of Forestry,Chengdu 610081,Sichuan,China；2.Foresty Bureau of Zhongjiang County,Zhongjiang 618100,China)

The aim of this paper is to investigate the application of principal component analysis in impact factors ofParocneriaorientahazard in Zhongjiang County.A principal component analysis was performed by the data of 12 factors associating with the prediction ofP.Orientahazard.The degree ofP.Orientahazard in different regions was obtained and intuitively presented by GIS.The eigenvalues of 3 principal components were 35.274%、20.544%、14.897%,respectively.The accumulative contribution rate of the 3 major factors to total variation accounted for 70.715%,maintaining most of information of 12 characters.According to the comprehensive value of principal component,GIS Natural Breakpoint Method was used to divide the degree ofP.Orientahazard into frequently occurring region,occasionally occurring region and safe area.Results showed that principal component analysis could optimize the comprehensive indicators for the evaluation ofP.Orientahazard,and comprehensive score of Principal Component could quantify and intuitively show the degree ofP.Orientahazard in different regions．

Principal component analysis(PCA),Parocneriaorienta,Impact factor

2017-07-21

2017年基本科研業(yè)務費項目“基于ArcGIS縣級蜀柏毒蛾災害監(jiān)測預警系統(tǒng)研發(fā)”(JB2017-09)。

賈玉珍(1975-)，女，吉林省撫松縣人，副研究員，主要從事森林保護工作。

10.16779/j.cnki.1003-5508.2017.05.014

S763.3

A

1003-5508(2017)05-0058-05