基于光谱特征的SPOT-5影像马尾松毛虫虫害信息提取

第４０卷第５期　２０１２年５月　东北林业大学学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＮＯＲＴＨＥＡＳＴ　ＦＯＲＥＳＴＲＹ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖｏ１．４０　Ｎ０．５　

Ｍａｙ　２０１２　

基于光谱特征的ＳＰＯＴ一５影像马尾松毛虫虫害信息提取　亓兴兰　胡宗庆　刘　健　余坤勇　雷泽兴　（福建林业职业技术学院，南平，３５３０００）　（三明学院）　（福建农林大学）　（福建林业职业技术学院）　

摘要以福建沙县作为研究区，以单期ＳＰＯＴ一５多光谱影像为数据源，基于其光谱特征，构建归一化植被指　数（Ⅳｄ　；）、比值植被指数（Ｒ　）、绿度植被指数（ｃ　）、土壤调节植被指数（Ｓ。　ｉ）、红边参数等光谱指数作为光谱监测　指标，通过建立马尾松毛虫虫情级数模型并进行反演，进而提取虫害信息，其虫害信息提取的总精度为７０．７５％。　研究结果证明利用单时相遥感数据进行马尾松毛虫虫害监测是可行的。　关键词马尾松毛虫害信息；光谱特征；ＳＰＯＴ一５影像；地面调查　分类号ｓ７６３．４２：ｓ７７１．８　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｅｎｄｒｏｌｉｍｕｓ　ｐｕｎｃｔａｔｕ￥Ｄａｍａｇｅ　ｆｒｏｍ　ＳＰ０Ｔ－５　Ｉｍａｇｅ　Ｂａｓｅｄ　０１１　Ｓｏｅｃｔｒａｌ　Ｆｅａｔｕｒｅｓ／Ｑｉ　Ｘｉｎｇｌａｎ，Ｈｕ　Ｚｏｎｇｑｉｎｇ（Ｆｕｊｉａｎ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎａｎｐｉｎｇ　３５３０００，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）；Ｌｉｕ　Ｊｉａｎ（Ｓａｎ—　ｒｕｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）；Ｙｕ　Ｋｕｎｙｏｎｇ（Ｆｕｊｉａｎ　Ａｇｒｌｅｕｌｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）；Ｌｅｉ　Ｚｅｘｉｎｇ（Ｆｕｊｉａｎ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆　Ｔｌｅｃｈｒｉｌｅａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ）／／Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．一２０１２，４Ｏ（５）．一ｌ３１～１３３，１３６　Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｗａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｔｏ　ｅｘｔｒａｃｔ　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｅｎｄｒｏｌｉｍｍ　ｐｕｎｃｔａｔｔｔｓ　ｄａｍａｇｅ　ｔｏ　Ｐｉｎｕｓ　ｍａｓｓｏｎｉａ加ｉｎ　Ｓｈａｘｉａｎ　Ｃｏｕｎｔｙ　ｏｆ　ＦｕｉＪａｎ　Ｐｒｏｖｉａｃｅ．Ｂａｓｅｄ　Ｏｉｌ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎｄｅｘｅｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｖｅｇ－　ｅｔａｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘ，ｒａｔｉｏ　ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘ，ｇｒｅｅｎ　ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘ，ｓｏｉｌ—ａｄｊｕｓｔｅｄ　ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘ　ａｎｄ　ｒｅｄ　ｅｄｇｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｗｅｒｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｆｏｒ　ｓｅｒｉｅｓ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｉｎｓｅｃｔ　ｄａｍａｇｅ　ａｎｄ　ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ａ　ＳＰ０Ｔ－５　ｍｕｌｔｉ．ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｉｍａｇｅ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｉｎｓｅｃｔ　ｐｅｓｔ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｄｅｒｉｖｅｄ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｏｔａｌ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ＷＩｔＳ　７０．７５％．Ｔｈｅ　ｒｅ８ｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｉｓ　ｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅ　ｔｏ　ａｐｐｌｙ　ｒｅｍｏｔｅ￥ｅｎｓ．　ｉｎｇ　ｉｍａｇｅｓ　ｔｏ　ｄａｍａｇｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ＤＩ　ｐｕｎｃｔａｔｕｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｄｅｎｄｒｏｌｉｍｕｓ　ｐｕｎ，ｃｔａｔｔＬｓ　ｄａｍａｇｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ；Ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ；ＳＰ０Ｔ．５　ｉｍａｇｅｓ；Ｇｒｏｕｎｄ　ｓｕｒｖｅｙ　

马尾松毛虫（Ｄｅｎｄｒｏｌｉｍｕｓ　ｐｕｎｃｔａｔｕ．￣Ｗａｌｋｅｒ）是　马尾松（Ｐｉｎｕｓ　ｍａｓｓｏｒ￣ｉａｎａ　Ｌａｍｂ）的主要害虫，其危　害很大，被喻为“不冒烟的森林火灾”，其产生危害　主要在幼虫取食针叶的时期。危害初期，松树针叶　呈团状卷曲枯黄，逐渐树木有一定的失叶量，危害最　严重时，可以将叶食尽，状如火烧，可以暴发成灾。　所有这些症状都反映在树冠上的变化，如针叶缺失、　失叶、枯黄等，而这些树冠上的变化会引起光谱反射　率特别是近红外波段反射率的降低…，光谱反射率　的降低反映在遥感影像上即光谱值变化与结构异　常，因此，利用遥感影像的可见光通道和近红外通道　等敏感通道的线性组合和非线性组合来突出受虫害　侵袭的森林植被的变化，即构造一定的植被指数等　光谱特性指数，通过指数的变化或利用数学建模的　方法来进行健康植被与受害植被的区分，从而达到　监测松毛虫危害的目的是完全可行的。应用遥感技　术手段基于影像光谱特征来进行森林病虫害的监　测，国内外研究较多　，主要是基于多时相数据动　态监测森林病虫害，此方法具有理论上的成熟性与　一定的技术上的可行性，但却具有如下局限性：一是　１）国家自然科学基金资助项目（３Ｏ８７１９６５）；南平市科技攻关计　划资助项目（Ｎ２０１０Ｚ１９）。　第一作者简介：亓兴兰，女，１９８０年９月生，福建林业职业技术　学院，讲师。　通信作者：刘健，三明学院，教授。Ｅ—ｍａｉｌ：ｉ￣ｌｌｕｊｉａｎ＠１２６．Ｃｏｒｎ。　收稿日期：２０１１年９月１５日。　责任编辑：程红。　基于多时相数据来动态检测变化区域，这就需要不　同时相的数据具有一定的成像条件，而现实是很难　做到的。所以为了消除成像条件对变化监测的影　响，在进行比较变化之前，对遥感数据进行预处理，　比如进行相互配准、几何校正及辐射校正等，目的是　为了消除不同成像条件对影像的影响，但其实这种　影响往往难以完全消除，反而在消除的过程中引入　了新的误差，这样就容易使成像条件不同所造成的　差异湮没了森林因遭受病虫害而引起的各指标的差　异，从而影响变化区域的监测精度。二是有些病虫　害特别是马尾松毛虫虫害具有暴发性，而卫星影像　固有的周期性，使得获取合适的多时相数据具有一　定的限制性，由此研究利用单时相数据来监测虫害　就提上了日程。本研究以福建沙县为研究区，利用　单时相ＳＰＯＴ一５影像基于其光谱特征来监测马尾松　毛虫虫害信息，探讨基于单时相影像数据来进行横　向空间虫害信息提取的可行性，并验证其精度，为林　业生产实际提供一定的借鉴作用，具有良好的社会、　经济和生态效益，对区域社会、经济的和谐发展，具　有明显的促进作用。　

１研究区概况　沙县位于福建省中部偏北，闽江支流沙溪下游，　地处北纬２６。ｏ６　～２６。４１　，东经１１７。３２　～ｌｌ８。Ｏ６　。　全县总面积１　８１５．０９　ｋＨｌ２，辖６个镇、４个乡、２个街　１３２　东北林业大学学报　第４０卷　道和１个省级开发区，总人口２４．５５万人。沙县气　候温和，干湿分明，属亚热带季风气候，年平均气温　１９．６℃，年降水量１　６６２　ｍｍ。沙县土壤肥沃，资源　丰富，全县有耕地面积１．３万ｈｍ　，林地面积１４．８　万ｈｍ　，森林覆盖率达７５．９％，是国家南方重点林区　县。马尾松毛虫是该县的主要森林病虫害，呈周期　性发生　２材料与方法　数据来源：沙县２００４年１Ｏ月１１日ＳＰＯＴ一５多　光谱影像（分辨率１０　ｍ），沙县１：１００００地形图、沙　县地理信息系统（Ｖｉｅｗｇｉｓ）数据，包含沙县行政区划　图、沙县森林分布图、小班分布图、森林资源数据库　等，沙县２００３年森林资源调查数据库样地资料，沙　县近１０　ａ的《马尾松毛虫（越冬代、第１代、第２代）　重点调查汇总材料》，沙县２００４年马尾松毛虫害地　面调查数据，内容包括虫口密度、虫情级数、林分郁　闭度、坡度、坡向等。　影像预处理：首先以沙县１：１０　０００地形图为　参考，采用多项式纠正法进行几何校正，误差控制在　０．５６个像元，校正后图像投影坐标系统是Ｔｒａｎｓ—　ｖｅｒｓｅ　Ｍｅｒｃａｔｏｒ，参考椭球体是Ｋｒａｓｏｖｓｋｙ，地图单位为　ｍｅｔｅｒｓ。同时进行正射校正消除地形等阴影影响。　然后以沙县ｓｈｐ图层建立ＡＯＩ，利用ＥＲＤＡＳ的Ｓｕｂ—　ｓｅｔ功能实现影像的裁剪，获得研究区域的影像。　马尾松林专题信息提取：根据国土资源部所确　定的土地分类系统，依据研究需要及研究区土地利　用类型及森林植被情况，将土地利用类型分为林地　与非林地，林地又分为杉木、马尾松及阔叶树３大　类，进而获得研究所需要的马尾松林分图。对于马　尾松林专题信息的提取，具体根据分层分类思想，首　先根据归一化植被指数设定阈值，把林地与非林地　区分开来，然后通过ＥＲＤＡＳ的Ｍａｓｋ功能进行掩膜　处理，获取研究区林地遥感影像图，在林地遥感图　上，运用决策树分类方法Ｌ】　进行马尾松林分的信息　提取，提取精度达到９２．８９％，满足研究的精度要求。　马尾松毛虫危害程度级别划分：一般情况下松　林中都有松毛虫存在，只是虫口密度大小不同，森防　专业技术上对此专门作了规定，叫作“马尾松毛虫　发生指标”ｌ１４］。国家林业局２００６年８月３１日发　布、２００６年ｌ２月１日实施的《林业有害生物发生及　成灾标准》中的林业有害生物发生（危害）程度标准　为：依据虫情级数或虫口密度，马尾松毛虫危害分为　轻、中、重３个等级。根据上述标准及研究目的需　要、获取资料的可行性以及技术的可操作性，通过获　取的资料计算马尾松毛虫害的虫情级数，依据虫情　级数对马尾松毛虫的虫害程度级别进行划分，具体　为：虫情级数＜２为健康，２≤虫情级数＜４为轻度受　害，４≤虫情级数＜７为中度受害，虫情级数３７为重　度受害。　马尾松毛虫虫害光谱变化监测指标构建及获　取：根据前人研究成果及遥感监测森林病虫害原理，　植物遭受病虫害后，其光谱响应发生变化，在近红外　波段反射率下降　，针对研究区影像，根据地面外　业调查数据，随机选择健康与受害马尾松样地，对　ＳＰＯＴ一５影像进行光谱特征比较分析，发现其健康　马尾松与受害马尾松在２、３、４波段变化比较明显。　根据前人的研究成果，参照遥感监测森林病虫害的　主要光谱指标，本研究对于监测指标的选取就以　）（Ｓ２红光波段（０．６１—０．６８　ｌｘｍ），ＸＳ３近红外波段　（０．７８—０．８９　ｍ），ＸＳ４短波红外波段（１．５８～１．７５　ｌｘｍ）建立归一化植被指数（Ｊ７ｖ　）、比值植被指数　（Ｒ　）、绿度植被指数（Ｇ　ｉ）、土壤调节植被指数　（Ｓ　ｉ）、红边参数。各指数的计算与获取如下：归一　化植被指数Ｎ　＝（ＸＮＩＲ—　）／（　ｍ＋　）；比值植被　指数Ｒ　＝　ＮＩＲ／Ｘ　；对于绿度植被指数，采用Ｋ—Ｔ变　换后的绿度分量；土壤调节植被指数Ｓ　：（　Ｎｍ—　

Ｒ）／（ＸＮＩＲ　Ｒ＋　）（１＋　），Ｌ取值范围（０，１）；研究　采用倒置高斯模型曲线法提取红边参数，ｄ　＝（Ｒ卜，一