基于森林病蟲(chóng)害特征變化MODIS遙感影像變化機(jī)理研究

1、論文題目： 基于森林病蟲(chóng)害特征變化MODIS遙感影像變化機(jī)理研究 黃慶輝目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc199918249 摘要 PAGEREF _Toc199918249 h 1 HYPERLINK l _Toc199918250 Abstract PAGEREF _Toc199918250 h 1 HYPERLINK l _Toc199918251 引言 PAGEREF _Toc199918251 h 2 HYPERLINK l _Toc199918252 1研究區(qū)概況 PAGEREF _Toc199918252 h 3 HYPERLINK l _T

2、oc199918253 2研究方案 PAGEREF _Toc199918253 h 3 HYPERLINK l _Toc199918254 2.1研究?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc199918254 h 3 HYPERLINK l _Toc199918255 2.2技術(shù)路線 PAGEREF _Toc199918255 h 3 HYPERLINK l _Toc199918256 3資料收集及數(shù)據(jù)預(yù)處理 PAGEREF _Toc199918256 h 5 HYPERLINK l _Toc199918257 3.1資料收集 PAGEREF _Toc199918257 h 5 HYPERLINK l

3、_Toc199918258 3.2 MODIS遙感影像圖預(yù)處理 PAGEREF _Toc199918258 h 5 HYPERLINK l _Toc199918259 3.2.1去重影 PAGEREF _Toc199918259 h 5 HYPERLINK l _Toc199918260 3.2.2 圖像配準(zhǔn) PAGEREF _Toc199918260 h 7 HYPERLINK l _Toc199918261 3.2.3裁剪研究區(qū)域 PAGEREF _Toc199918261 h 7 HYPERLINK l _Toc199918262 3.3樣地?cái)?shù)據(jù)提取 PAGEREF _Toc199918

4、262 h 7 HYPERLINK l _Toc199918263 4研究原理與方法 PAGEREF _Toc199918263 h 8 HYPERLINK l _Toc199918264 4.1 原理 PAGEREF _Toc199918264 h 8 HYPERLINK l _Toc199918265 4.2 研究方法 PAGEREF _Toc199918265 h 8 HYPERLINK l _Toc199918266 4.2.1方法選擇 PAGEREF _Toc199918266 h 8 HYPERLINK l _Toc199918267 4.2.2因子數(shù)量化 PAGEREF _Toc

5、199918267 h 8 HYPERLINK l _Toc199918268 5 結(jié)果與分析 PAGEREF _Toc199918268 h 9 HYPERLINK l _Toc199918269 5.1因子篩選分析 PAGEREF _Toc199918269 h 9 HYPERLINK l _Toc199918270 5.2數(shù)量化得分表的編制 PAGEREF _Toc199918270 h 12 HYPERLINK l _Toc199918271 5.3 MODIS遙感相關(guān)系數(shù)分析 PAGEREF _Toc199918271 h 15 HYPERLINK l _Toc199918272 6

6、結(jié)論與討論 PAGEREF _Toc199918272 h 16 HYPERLINK l _Toc199918273 6.1結(jié)論 PAGEREF _Toc199918273 h 16 HYPERLINK l _Toc199918274 6.2討論 PAGEREF _Toc199918274 h 17 HYPERLINK l _Toc199918275 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc199918275 h 17 HYPERLINK l _Toc199918276 致謝 PAGEREF _Toc199918276 h 20摘要: 本文以三明市馬尾松毛蟲(chóng)病害為例，研究MODIS遙感影像信息隨森林

7、病蟲(chóng)害特征變化的機(jī)理。運(yùn)用數(shù)量化理論方法，通過(guò)對(duì)MODIS遙感影像信息與不確定性立地因子的篩選，編制相應(yīng)的得分表；分析在一定的立地因子條件下，MODIS遙感影像信息與馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化的關(guān)系。結(jié)果表明： eq oac(,1)馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化對(duì)MODIS遙感影像光譜第二波段變化不明顯，MODIS遙感影像光譜第一波段、NDVI、TNDVI、SQRT、RI/R變化很明顯。 eq oac(,2)馬尾松毛蟲(chóng)病害的程度變化與MODIS遙感影像第一波段信息值呈正相關(guān)的關(guān)系，馬尾松毛蟲(chóng)病害的程度變化與MODIS遙感影像TNDVI、NDVI、SQRT、RI/R信息值呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。 eq oac(,3

8、)MODIS遙感影像NDVI、TNDVI信息可用于森林病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵詞：馬尾松毛蟲(chóng)病害 遙感 MODIS L1b data 數(shù)量化理論Abstract: Keywords: Horses tail pine needle plague Remote sensing Moderate-resolution imaging spectroradiometer（MODIS） Mathematical quantification theory引言馬尾松毛蟲(chóng)( Dendrolimus punctat us Walker) 是我國(guó)、也是福建省最主要的歷史性森林害蟲(chóng)。在福建省成災(zāi)頻率高,每34年暴發(fā)成

9、災(zāi)一次1。最嚴(yán)重的是1984年,發(fā)生面積達(dá)17.17萬(wàn)ha,自20世紀(jì)90年代實(shí)施目標(biāo)管理以來(lái),發(fā)生面積雖呈下降趨勢(shì),但年均發(fā)生面積仍高達(dá)5.32萬(wàn)ha,因松毛蟲(chóng)危害年均減少木材生長(zhǎng)量約8萬(wàn)平方米 ,造成直接損失達(dá)3200萬(wàn)元以上。因此,隨著造林綠化工程實(shí)施以后所營(yíng)造的大面積馬尾松純林已進(jìn)入了松毛蟲(chóng)危害高峰期,發(fā)生面積仍居高不下,有效地控制該蟲(chóng)的危害,對(duì)保護(hù)森林資源安全,促進(jìn)林產(chǎn)工業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。 馬尾松毛蟲(chóng)個(gè)體較小，不能從衛(wèi)星遙感和常規(guī)遙感圖像上直接識(shí)別，但馬尾松毛蟲(chóng)對(duì)森林進(jìn)行破壞，造成森林大面積的失葉現(xiàn)象在遙感影像上可以體現(xiàn)為植被指數(shù)的變化。發(fā)達(dá)國(guó)家自20世紀(jì)7O年代開(kāi)始利用衛(wèi)星

10、遙感圖像監(jiān)測(cè)森林病蟲(chóng)害，在大的空間尺度上，遙感數(shù)據(jù)被廣泛有效地用于檢測(cè)森林病蟲(chóng)害所引起的失葉現(xiàn)象。目前，在森林病蟲(chóng)害的遙感監(jiān)測(cè)方面的所利用的遙感數(shù)據(jù)主要有Landsat TM,MSS和SPOT HRV等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和多種航空遙感數(shù)據(jù)1-5。加拿大1988年進(jìn)行了衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)花旗松卷葉蛾蟲(chóng)害的發(fā)生動(dòng)態(tài)。國(guó)家在“八五”期間設(shè)立了科技攻關(guān)項(xiàng)目“松毛蟲(chóng)早期災(zāi)害點(diǎn)遙感監(jiān)測(cè)研究”專題，來(lái)深入研究和探討陸地資源衛(wèi)星TM資料監(jiān)測(cè)松毛蟲(chóng)的可行性和技術(shù)方法，取得了滿意的效果6。1988-1990年，中科院的池天河、戴昌達(dá)等在安徽應(yīng)用TM圖像進(jìn)行了越冬代松毛蟲(chóng)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究。武紅敢、楊存建等也對(duì)松毛蟲(chóng)災(zāi)害的TM

11、影像監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入研究4。目前廣泛使用的陸地資源衛(wèi)星TM遙感數(shù)據(jù),雖然分辨率比較高,但是其時(shí)效性不強(qiáng),遙感資料的獲取周期較長(zhǎng),不利于對(duì)森林病蟲(chóng)害的早發(fā)現(xiàn),早防治,容易錯(cuò)過(guò)對(duì)病蟲(chóng)害的早期控制時(shí)期,而且TM資料的成本較高,不能在某些中小森林病蟲(chóng)害檢測(cè)站廣泛推廣使用。鑒于森林病蟲(chóng)害檢測(cè)中大部分基于高分辨率的遙感數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用的不足，我們提出了利用MODIS遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行森林病蟲(chóng)害檢測(cè)的思路和方法。MODIS遙感技術(shù)是新興的一種遙感監(jiān)測(cè)手段 ，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）MODIS 數(shù)據(jù)的接收與應(yīng)用是完全免費(fèi)的。2）其接收過(guò)程中基本上無(wú)重大干擾, 只要凈空條件有保證就可以收到較好的衛(wèi)星圖像。3）MODIS數(shù)

12、據(jù)具有250m分辨率的CH1 和CH2可見(jiàn)光通道, 可以提供地面的清晰圖像。4）MODIS數(shù)據(jù)多達(dá)36個(gè)通道的多通道性，在使用中有更多的選擇。5）具有較高的時(shí)間分辨率，一天可以獲得四景MODIS遙感影像圖。MODIS遙感影像圖能對(duì)森林病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)，能減少人力、物力和財(cái)力，同時(shí)迅速、全面、客觀地反映病蟲(chóng)害的發(fā)生發(fā)展動(dòng)態(tài)。研究森林病蟲(chóng)害的特征變化與不同時(shí)候的森林病蟲(chóng)害特征的MODIS遙感影像與地形因子的相互影響的關(guān)系，對(duì)監(jiān)測(cè)森林病蟲(chóng)害全新的方法進(jìn)一步驗(yàn)證，提高M(jìn)ODIS遙感影像方法對(duì)森林病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)度。從而達(dá)到減少人力、物力和財(cái)力，同時(shí)迅速、全面、客觀地反映病蟲(chóng)害的發(fā)生發(fā)展動(dòng)態(tài)，能及時(shí)地，有針對(duì)性

13、地采取防治措施，是非常有必要的2-4，7-11。MODIS遙感數(shù)據(jù)可較準(zhǔn)確地反映出馬尾松毛蟲(chóng)危害范圍和程度，并在監(jiān)測(cè)速度、監(jiān)測(cè)范圍及成本上都優(yōu)越于過(guò)去傳統(tǒng)的調(diào)查方法。1研究區(qū)概況三明市位于福建省中西北部，地理坐標(biāo)為北緯25292707，東經(jīng)1162211839。平均年氣溫在18.819.6，平均年降雨量1760毫米。以丘陵為主的山地。三明市松毛蟲(chóng)每年發(fā)生34代，且松毛蟲(chóng)有遷徙的習(xí)性，一般是年發(fā)生世代多的馬尾松毛蟲(chóng)間隔時(shí)間短，約34年爆發(fā)一次。同時(shí)松毛蟲(chóng)發(fā)生區(qū)一般可劃分為常災(zāi)區(qū)、偶災(zāi)區(qū)、無(wú)災(zāi)區(qū)。常災(zāi)區(qū)多分布于大面積純林地帶。馬尾松毛蟲(chóng)成災(zāi)，多在海拔500米以下的低山丘陵地區(qū)，樹(shù)齡10年左右，郁閉

14、度小且干燥易大發(fā)生12。根據(jù)松毛蟲(chóng)生物學(xué)特性，研究區(qū)內(nèi)的立地條件比較有利于松毛蟲(chóng)的發(fā)生。2研究方案2.1研究?jī)?nèi)容通過(guò)RS技術(shù)，以MODIS250ML1B遙感影像圖與馬尾松毛蟲(chóng)病蟲(chóng)害地面調(diào)查數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)量化理論的方法。結(jié)合立地因子來(lái)研究馬尾松毛蟲(chóng)病蟲(chóng)害的特征變化與MODIS遙感影像的直接與間接的光譜信息機(jī)理變化。討論哪些立地因子會(huì)影響馬尾松毛蟲(chóng)的發(fā)生，哪些MODIS遙感影像信息會(huì)隨馬尾松病蟲(chóng)害特征變化而發(fā)生變化，對(duì)確定的會(huì)對(duì)馬尾松病蟲(chóng)害影響的立地因子與MODIS遙感影像信息進(jìn)行分析，并探討它們之間的關(guān)系。2.2技術(shù)路線MODIS遙感影像原始圖研究區(qū)shp圖層三明市DEM預(yù)處理arcview提取E

15、ARDS8.7提取研究區(qū)MODIS遙感影像圖馬尾松林分分布 圖林分郁閉度 圖林分齡級(jí)圖林分年齡圖坡度圖坡向圖海拔圖坡位圖EARDS8.7提取EARDS8.7建模提取樣地立地因子圖EARDS8.7建立模型對(duì)立地因子劃分等級(jí)ARDS8.7建立模型對(duì)立地因子劃分等級(jí)立地因子等級(jí)劃分圖 等級(jí)劃分圖EARDS8.7建模提取提取樣地各類信息DPS對(duì)不確定性立地因子篩選DPS對(duì)相關(guān)因子分析得到MODIS遙感影像信息隨馬尾松病害特征的變化而變化的機(jī)理3資料收集及數(shù)據(jù)預(yù)處理3.1資料收集2003三明市林業(yè)局小班森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)（以Shp圖層格式提供），三明市DEM，三明市各縣市shp圖層，遙感影像為2003年1

16、0月29號(hào)MODIS 250m L1B13-16產(chǎn)品遙感影像圖。圖1 研究區(qū)馬尾松林分分布圖Figure 1 research area masson pine Judeich distribution map3.2 MODIS遙感影像圖預(yù)處理3.2.1去重影MODIS圖像在其掃描線寬度方向由掃描條帶組成，條帶寬度為10（1000米分辨率）、20（500米分辨率）和40個(gè)象素（250米分辨率），所以地球的球面特性會(huì)導(dǎo)致掃描帶兩端產(chǎn)生數(shù)據(jù)的重疊現(xiàn)象，將掃描帶組成遙感圖像后即形成所謂的“蝴蝶結(jié)”效應(yīng)（bowtie現(xiàn)象）。MOD IS 數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)輻射校正后生成的L 1B 產(chǎn)品存在著獨(dú)特的重疊現(xiàn)象, 俗

17、稱“雙眼皮”現(xiàn)象(bow - t ie effect) , 使得MOD IS 的邊緣數(shù)據(jù)無(wú)法使用, 影響了數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用。象素尺寸隨掃描角的變化規(guī)律如圖2所示。這種象素尺寸的幾何形變?cè)斐蓛蓚€(gè)現(xiàn)象，一是邊沿象素對(duì)象區(qū)域的重疊現(xiàn)象，而且越靠近邊沿，象素重疊現(xiàn)象越嚴(yán)重；二是沿掃描方向圖象的壓縮失真。如圖3所示，Bowtie現(xiàn)象在星下點(diǎn)處不存在，隨著掃描角度的變大bowtie現(xiàn)象逐漸加重，在邊緣處達(dá)到最大值。Bowtie現(xiàn)象如果不預(yù)先處理，則MODIS數(shù)據(jù)就難以直接使用。 圖2MODIS數(shù)據(jù)的“蝴蝶結(jié)”效應(yīng)隨掃 圖3MODIS數(shù)據(jù)的“蝴蝶結(jié)”效應(yīng)像元描角變化規(guī)律 隨掃描角變化規(guī)律Fig 2 MODIS

18、 data “butterfly knot” effect Fig 3 MODIS data “butterfly knot” effectalong with scanning angular variation rule element along with scanning angular variation ruleBowtie處理算法主要有“星歷表法”和“非星歷表法”兩種。由于無(wú)法獲得衛(wèi)星的星歷表與一些參數(shù)，所以無(wú)法運(yùn)用星歷表法，因此用非星歷表法，主要是運(yùn)用俄羅斯的modis tools模塊在envi軟件的環(huán)境下運(yùn)行。處理效果見(jiàn)圖-5。 圖 4 MODIS數(shù)據(jù)的未去除“蝴蝶結(jié)”效應(yīng)圖

19、 圖 5 MODIS數(shù)據(jù)的去除“蝴蝶結(jié)”效應(yīng)的效果圖Fig 5 MODIS data have not removed “the Fig 5 MODIS data elimination “butterflybutterfly knot” the effect chart knot” effect effect chart3.2.2 圖像配準(zhǔn)Modis遙感影像圖的配準(zhǔn)，本次主要是運(yùn)用EARDS 8.7軟件，采用精校正，運(yùn)用1：20萬(wàn)福建地形圖進(jìn)行點(diǎn)對(duì)圖校正，在地形圖里讀取明顯地物的經(jīng)緯度，運(yùn)用EARDS 8.7的Coordinate Calculator模塊將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為krasovsky坐標(biāo)

20、，同時(shí)運(yùn)用閩江流域TM影像圖做參考。采用多項(xiàng)式變換（Polynomial）圖像校正，選擇3次方。最少控制點(diǎn)數(shù)計(jì)算公式為(（t+1）*(t+2)/2,式中t為次方數(shù)，即采用10個(gè)控制點(diǎn)。本次配準(zhǔn)總誤差控制在0.5以下。20012008年modis遙感影像配準(zhǔn)的精度效果較好，可用于本論文的研究。同時(shí)由于本人無(wú)法對(duì)大氣校正和太陽(yáng)高度角的校正，但大氣和太陽(yáng)高度角對(duì)modis遙感影像的ndvi影像較小，在modis遙感影像區(qū)域天氣晴朗時(shí)可以忽略大氣的影像。本次論文使用的modis遙感影像圖質(zhì)量是較好的，在研究區(qū)域都是無(wú)云晴天。3.2.3裁剪研究區(qū)域用三明市各縣市shp圖層生成對(duì)應(yīng)區(qū)域的AOI，運(yùn)用EAD

21、RS8.7剪切的模塊剪切三明市預(yù)處理好的MODIS遙感影像圖。對(duì)研究區(qū)MODIS遙感影像圖進(jìn)行歸一化處理，主要有NDVI=(B2-B1)/(B2+B1), IR/R=(B2/B1), SQRT(IR/R)=SQRT(B2/B1), TNDVI=SQRT(B2-B1)/(B2+B1)+0.5),處理出這些相對(duì)應(yīng)的圖14，22-27。3.3樣地?cái)?shù)據(jù)提取采用EARDS 8.7產(chǎn)生隨機(jī)點(diǎn)的方法獲取樣地坐標(biāo)，配合shp圖層，生成樣地信息，隨機(jī)生成樣地?cái)?shù)為520個(gè)，用樣地坐標(biāo)在EARDS 8.7里讀取樣地的MODIS遙感影像信息值。主要有以下幾種，第一波段光譜反射值B1，第二波段光譜反射值B2，植被指數(shù)包

22、括以下幾類：NDVI=(B2-B1)/(B2+B1), IR/R=(B2/B1), SQRT(IR/R)=SQRT(B2/B1), TNDVI=SQRT(B2-B1)/(B2+B1)+0.5) 24，25，27。B1：MODIS第1波段，為紅光波段的地表反射率。B2：MODIS第2波段，為近紅外光波段的地表反射率?？臻g分辨率均為250米14，15。4研究原理與方法4.1 原理現(xiàn)代遙感技術(shù)，主要是以地物光譜特性研究為基礎(chǔ)15，16。物質(zhì)的光譜特性即地物對(duì)電磁波響應(yīng)特性，是遙感的理論基礎(chǔ)。電磁能入射到地物時(shí)，對(duì)入射能量產(chǎn)生不同程度的反射、透射、吸收、散射和發(fā)射。電磁能與物體的相互作用是有選擇的，決

23、定于物體的表面性質(zhì)和內(nèi)部的原子、分子結(jié)構(gòu)。不同的物質(zhì)反射、發(fā)射電磁波的能量隨波長(zhǎng)而變，既有質(zhì)的差異，又有量的變化。這種變化規(guī)律，就是地物的波譜特性15。對(duì)綠色植物而言，當(dāng)陽(yáng)光照射到葉上時(shí)，藍(lán)光、紅光被葉綠素吸收，進(jìn)行光合作用。綠光的一部分穿透葉片被地面吸收，但大部分被反射回空間。對(duì)不可見(jiàn)的近紅外光，葉的反射最強(qiáng)，這是植物免遭紅外線熱效應(yīng)灼傷的一種保護(hù)作用22-24。植物的這種光譜特性，因其種類、生長(zhǎng)階段、葉形結(jié)構(gòu)、葉綠素含量、細(xì)胞含水量及健康狀況(是否受病蟲(chóng)危害等)而異22-26。由于森林病蟲(chóng)害的發(fā)生、發(fā)展是有規(guī)律的，所出現(xiàn)的征象是可以直接或間接在遙感圖像上判讀的，故可利用MODIS遙感影像第

24、一波段與第二波段信息與各種植被指數(shù)信息來(lái)研究與森林病害變化的機(jī)理22，25，26。就是基于同一區(qū)域不同年份的同一時(shí)相影像間存在著光譜特征差異的原理來(lái)識(shí)別松林被害程度的工作，其本質(zhì)就是對(duì)影像系列時(shí)域效果進(jìn)行量化14。4.2 研究方法4.2.1數(shù)量化理論I數(shù)量化理論I研究的目的是進(jìn)行預(yù)測(cè)及尋找說(shuō)明變量(自變量)，分別對(duì)基準(zhǔn)變量(因變量)的影響程度，其中要求基準(zhǔn)變量是定量變量，說(shuō)明變量可以是定量的，也可以是定性的，將定量數(shù)據(jù)按其取值范圍并結(jié)合實(shí)際情況合理地分為若干組，每1組作為1個(gè)類28-31。定性數(shù)據(jù)的每1個(gè)水平作為1個(gè)類。這樣引入符號(hào)，定義這樣將原始數(shù)據(jù)均化為0和1表示的數(shù)量化數(shù)據(jù)，而得出預(yù)測(cè)模

25、型： 根據(jù)馬尾松毛蟲(chóng)病蟲(chóng)害地面調(diào)查數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)量化理論的方法，結(jié)合立地因子來(lái)研究馬尾松毛蟲(chóng)病蟲(chóng)害的特征變化與MODIS遙感影像的直接與間接的光譜信息機(jī)理變化。同時(shí)將立地因子劃為數(shù)量化的自變量因子，MODIS遙感影像提取的信息劃為協(xié)變量因子，馬尾松毛蟲(chóng)病害程度劃作為因變量因子。4.2.2因子選擇及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定本研究根據(jù)馬尾松毛蟲(chóng)的生物學(xué)特性與馬尾松生物學(xué)特性將坡向、海拔、齡級(jí)、坡位、坡度、年齡、郁閉度作為影響馬尾松毛蟲(chóng)病害的不確定性立地因子（由于是立地因子為不確定性因子所以在選擇立地因子時(shí)只要對(duì)馬尾松病蟲(chóng)害有影響的因子都要考慮到），馬尾松毛蟲(chóng)病害程度為定量因子11，28-31。坡向、坡度、坡位

26、與郁閉度的劃分標(biāo)準(zhǔn)是以我國(guó)的二類調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)劃分的。海拔與年齡是根據(jù)馬尾松在福建不同海拔的生長(zhǎng)特性與馬尾松毛蟲(chóng)的生物學(xué)特性的標(biāo)準(zhǔn)劃分的。齡級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)是以森林經(jīng)理學(xué)的經(jīng)營(yíng)等級(jí)與馬尾松毛蟲(chóng)的生物學(xué)特性的標(biāo)準(zhǔn)劃分的。4.2.3反應(yīng)表的構(gòu)建表1 各立地因子項(xiàng)目及類目劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard division of item and category for each site factor因子(Xi)分類劃級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Xij)12345類級(jí)數(shù)坡 向(X1)陰坡陽(yáng)坡2海 拔(X2)500m以下500800m8001200m1200m以上4齡 級(jí)(X3)幼齡林中齡林近成熟林過(guò)熟林4坡 度(

27、X4) 1516252635364545以上5坡 位(X5) 脊上中下山谷與平地5年 齡(X6)110102020以上3郁閉度(X7)00.20.30.40.50.70.80.104病害程度(X8)無(wú)輕中重45 結(jié)果與分析5.1因子篩選分析遙感影像的信息要受到地面多種信息的影響，在研究森林病蟲(chóng)害特征變化與MODIS遙感影像變化的機(jī)理，就要考慮那些立地因子也會(huì)影響那類MODIS遙感影像信息，這就要通過(guò)因子的篩選的求最優(yōu)模型子集法來(lái)確定相關(guān)的因子28，32。篩選的原則為以馬尾松毛蟲(chóng)病害程度為因變量因子，各類MODIS遙感影像信息為協(xié)變量，立地因子為自變量因子，若它們之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)愈大，說(shuō)明對(duì)馬尾

28、松毛蟲(chóng)病害程度的預(yù)估愈好，否則反之。但是復(fù)相關(guān)系數(shù)大小與項(xiàng)目、類目及樣地?cái)?shù)量有關(guān)，因此，需作F檢驗(yàn)。若FF0.05 (自由度為)則預(yù)測(cè)效果好，否則不好32，33，如表2。表2 F檢驗(yàn)表Table 2 F check tablesNDVI變異來(lái)源平方和自由度均 方F 值p-值海拔0.875230.29171.60870.1864坡度0.297540.07440.41010.8014坡向0.120610.12060.66490.4152坡位2.880340.72013.97090.0035郁閉度0.6130.20331.12130.34齡級(jí)7.659232.553114.07920.0001年齡3

29、.269521.63489.01520.0001NDVI12.267112.26767.64780.0001誤差90.30514980.1813總變異131.1077519統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)F值=10.7148 自由度(21,498) p值=0.0001RI/R變異來(lái)源平方和自由度均 方F 值p-值海拔1.471930.49062.59130.0521坡度0.314440.07860.41520.7977坡向0.199410.19941.05310.3053坡位3.210240.80264.23880.0022郁閉度0.617130.20571.08640.3544齡級(jí)7.827632.609213.7

30、8080.0001年齡3.309321.65468.73920.0002RI/R8.282918.282943.7470.0001誤差94.28924980.1893總變異131.1077519統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)F值=9.2601 自由度(21,498) p值=0.0001第二波段變異來(lái)源平方和自由度均 方F 值p-值海拔4.875231.62517.90610.0001坡度0.704840.17620.85720.4896坡向1.063711.06375.1750.0233坡位3.586740.89674.36240.0018郁閉度0.591630.19720.95950.4116齡級(jí)9.654733

31、.218215.65710.0001年齡4.180122.090110.16840.0001第二波段0.210810.21081.02530.3117誤差102.36134980.2055總變異131.1077519統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)F值=6.6597 自由度(21,498) p值=0.0001SQRT(IR/R)變異來(lái)源平方和自由度均 方F 值p-值海拔1.280130.42672.2870.0778坡度0.316340.07910.42380.7915坡向0.162510.16250.87090.3511坡位3.101140.77534.15520.0025郁閉度0.614830.20491.098

32、30.3494齡級(jí)7.727532.575813.80550.0001年齡3.282821.64148.79720.0002SQRT(IR/R)9.655119.655151.74760.0001誤差92.9174980.1866總變異131.1077519統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)F值=9.7470 自由度(21,498) p值=0.0001第一波段變異來(lái)源平方和自由度均 方F 值p-值海拔0.784730.26161.51980.2085坡度0.33840.08450.4910.7424坡向1.211711.21177.04030.0082坡位2.492140.6233.61990.0064郁閉度0.828

33、630.27621.60480.1874齡級(jí)7.109932.3713.77010.0001年齡3.62321.811510.52530.0001第一波段16.8618116.861897.97180.0001誤差85.71034980.1721總變異131.1077519統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)F值=12.5605 自由度(21,498) p值=0.0001TNDVI變異來(lái)源平方和自由度均 方F 值p-值海拔0.860130.28671.58490.1921坡度0.310140.07750.42850.7881坡向0.125710.12570.69490.4049坡位2.822840.70573.90080

34、.0039郁閉度0.619530.20651.14150.3318齡級(jí)7.686832.562314.16310.0001年齡3.306821.65349.13930.0001TNDVI12.4787112.478768.9770.0001誤差90.09344980.1809總變異131.1077519統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)F值=10.7957 自由度(21,498) p值=0.0001通過(guò)查表F值要1.58時(shí)，所設(shè)定的因子才會(huì)對(duì)因變量因子影響明顯，不然該因子對(duì)因變量因子影響不明顯33。由表2得出MODIS遙感影像的NDVI、RI/R、SQRT (IR/R)、第一波段信息、TNDVI等信息會(huì)隨著馬尾松毛蟲(chóng)病

35、害特征變化而發(fā)生顯著的變化，而第二波段信息隨馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化而不發(fā)生顯著的變化，故將MODIS遙感影像第二波段的信息排除我們的研究，同時(shí)它們隨馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化的顯著水平為第一波段信息TNDVINDVISQRT(IR/R)RI/R。當(dāng)以NDVI為協(xié)變量的條件下只有坡位、齡級(jí)、年齡對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害的估測(cè)是有顯著影響的，海拔的影響為一般顯著，而坡度、坡向、郁閉度則影響不顯著，因此在研究馬尾松毛蟲(chóng)病害特征的變化與MODIS遙感影像NDVI信息的變化時(shí)要考慮與坡位、齡級(jí)、樹(shù)齡等立地因子相結(jié)合，對(duì)于海拔、坡度、坡向、郁閉度等立地因子不會(huì)影響馬尾松毛蟲(chóng)病害發(fā)生，在探討馬尾松毛蟲(chóng)病害特征的變化與M

36、ODIS遙感影像NDVI信息的變化時(shí)就不必考慮海拔、坡度、坡向、郁閉度等立地因子的影響，但要結(jié)合坡位、齡級(jí)、樹(shù)齡等立地因子進(jìn)行研究。同理可得出馬尾松毛蟲(chóng)病害特征的變化與MODIS遙感影像RI/R信息的變化時(shí)要結(jié)合海拔、坡位、齡級(jí)、樹(shù)齡等立地因子的影響，而不必考慮坡度、坡向、郁閉度等立地因子的影響；馬尾松毛蟲(chóng)病害特征的變化與MODIS遙感影像SQRT(IR/R)信息的變化時(shí)要結(jié)合海拔、坡位、齡級(jí)、樹(shù)齡等立地因子的影響，而不必考慮坡度、坡向、郁閉度等立地因子的影響；馬尾松毛蟲(chóng)病害特征的變化與MODIS遙感影像第一波段信息的變化時(shí)要結(jié)合坡向、坡位、齡級(jí)、樹(shù)齡等立地因子的影響，而不必考慮海拔、坡度、郁

37、閉度等立地因子的影響；馬尾松毛蟲(chóng)病害特征的變化與MODIS遙感影像TNDVI信息的變化時(shí)要結(jié)合坡位、齡級(jí)、樹(shù)齡等立地因子的影響，而不必考慮海拔、坡度、坡向、郁閉度等立地因子的影響。將各類的遙感信息與其相關(guān)的立地因子再次的進(jìn)行數(shù)理化處理與進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。5.2數(shù)量化得分表的編制本研究運(yùn)用DPS數(shù)量化方法處理計(jì)算會(huì)出現(xiàn)矩陣不是列滿秩的，其原因是表示所有因素的參數(shù)不互相獨(dú)立，為了得到相互獨(dú)立的參數(shù)，即列滿秩的矩陣，可以將每個(gè)自變量因子的最后一個(gè)類目去掉28。即刪除馬尾松林分齡級(jí)為過(guò)熟林、坡位處于山谷與平地、年齡為20年以上、海拔為1200m以上、坡向?yàn)殛幤碌阮惸?。要研究馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化最敏感

38、的是那類遙感信息，剩下的各種立地因子里那種立地因子對(duì)因變量因子影響是較大的，就要對(duì)篩選出來(lái)的對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害有顯著影響的立地因子進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)量化分析，并制作各項(xiàng)因子的數(shù)量化得分表29-31。如表3。 表3數(shù)量化得分表Table 3 Quantified score of site quality遙感信息類別項(xiàng)目類目得分得分范圍相對(duì)得分NDVI齡級(jí)幼齡林0.1205290.4348225.83%中齡林0.3064475近成熟林0.00784541坡位脊-0.9632913.29421344.15%上-0.757392中-0.743933下-0.829597年齡110-0.15783120.41

39、6515.58%10200.258679NDVI-3.316553.3165544.45%RI/R海拔500m以下-0.243680.83053716.08%500800m-0.323438001200m-0.26342齡級(jí)幼齡林0.1078780.4130448.00%中齡林0.303797近成熟林-0.00137坡位脊-1.015553.37370865.31%上-0.7733中-0.74239下-0.84247年齡110-0.146560.4067517.87%1020-0.26019RI/R-0.141840.1418412.75%第一波段坡向陽(yáng)坡0.0902310.0902312.3

40、7%齡級(jí)幼齡林0.0773240.3712899.74%中齡林0.255976近成熟林-0.03799坡位脊0.9013392.90582976.21%上-0.63347中-0.64304下-0.72798年齡110-0.169470.44479611.67%1020-0.27533第一波段0.000960.000960.03%TNDVI齡級(jí)幼齡林0.1248740.4434893.95%中齡林0.30865近成熟林0.009964坡位脊-0.952433.25351629.00%上-0.74792中-0.73284下-0.82033年齡110-0.161750.4226033.77%1020

41、0.260856TNDVI-7.099367.0993663.28%SQRT海拔500m以下-0.245460.81454614.40%500800m-0.313888001200m-0.25521齡級(jí)幼齡林0.0966790.3986387.05%中齡林0.298327近成熟林-0.00363坡位脊-1.001183.33745559.00%上-0.76459中-0.73835下-0.83334年齡110-0.136141.10624819.56%1020-0.25771SQRT-0.71240.71239712.59%通過(guò)表中各因子的相對(duì)得分信息對(duì)比可得出，MODIS遙感影像各類信息對(duì)森林

42、病蟲(chóng)害特征變化的敏感程度為T(mén)NDVINDVISQRTRI/R第一波段。MODIS遙感影像的各類信息里，當(dāng)NDVI為協(xié)變量時(shí)，對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化最敏感的是坡位因子，其次是NDVI信息，最后是齡級(jí)與年齡的影響，因此當(dāng)NDVI信息為協(xié)變量時(shí)是NDVI信息與坡位對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害的預(yù)測(cè)起主導(dǎo)作用，林分的齡級(jí)與年齡起輔助的作用。NDVI信息對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化的變化非常敏感。當(dāng)RI/R為協(xié)變量時(shí)，對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化最敏感的是坡位因子，其次是齡級(jí)與年齡，最后是RI/R信息的影響，因此當(dāng)RI/R信息為協(xié)變量時(shí)是坡位對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害的預(yù)測(cè)起主導(dǎo)作用，林分的齡級(jí)與年齡起輔助的作用，而RI/R信息起

43、的作用不是很明顯，對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化的變化不敏感。當(dāng)?shù)谝徊ǘ螢閰f(xié)變量時(shí)，對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化最敏感的是坡位因子，其次是齡級(jí)與年齡，而后是坡向，最后是第一波段信息的影響，因此當(dāng)?shù)谝徊ǘ涡畔閰f(xié)變量時(shí)是坡位對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害的預(yù)測(cè)起主導(dǎo)作用，林分的齡級(jí)與年齡起輔助的作用。第一波段信息對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化的變化不敏感。當(dāng)TNDVI為協(xié)變量時(shí)，對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化最敏感的是TNDVI信息，其次是坡位，最后是齡級(jí)與年齡的影響，因此當(dāng)TNDVI信息為協(xié)變量時(shí)是TNDVI信息與坡位對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害的預(yù)測(cè)起主導(dǎo)作用，林分的齡級(jí)與年齡起輔助的作用。TNDVI信息對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化的變化非常

44、敏感。當(dāng)SQRT為協(xié)變量時(shí)，對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化最敏感的是坡位因子，其次是年齡，而后是海拔與SQRT信息的影響，最后是齡級(jí)的影響，因此當(dāng)SQRT信息為協(xié)變量時(shí)是坡位對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害的預(yù)測(cè)起主導(dǎo)作用，SQRT信息、海拔、林分的齡級(jí)與年齡起輔助的作用。SQRT信息對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化的變化一般敏感。當(dāng)馬尾松林分在立地條件一定下，馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化即可通過(guò)MODIS遙感影像的信息變化來(lái)反應(yīng)。NDVI信息值的變化范圍為0.001.00之間，在立地條件一定的情況下，預(yù)測(cè)松毛蟲(chóng)病害的值的變化范圍為-3.316550.00000，同時(shí)研究中將馬尾松林分健康程度劃為四個(gè)等級(jí)，因此NDVI信息可以很

45、好的區(qū)分出馬尾松林分健康程度的四個(gè)等級(jí)，即可區(qū)分健康林分、輕度病害林分、中度病害林分、嚴(yán)重病害林分。RI/R信息值的變化范圍為2.008.00之間，在立地條件一定的情況下，預(yù)測(cè)松毛蟲(chóng)病害的值的變化范圍為-1.13472-0.28368，因此RI/R信息只能區(qū)分二個(gè)馬尾松林分健康程度的二個(gè)等級(jí)，即健康林分與不健康林分。第一波段信息的變化范圍為5002000之間，在立地條件一定的情況下，預(yù)測(cè)松毛蟲(chóng)病害的值的變化范圍為0.481.92，因此第一波段信息只能區(qū)分二個(gè)馬尾松林分健康程度的三個(gè)等級(jí)，即健康林分，病害林分，嚴(yán)重病害林分。TNDVI信息值的變化范圍為0.501.50之間，在立地條件一定的情況下

46、，預(yù)測(cè)松毛蟲(chóng)病害的值的變化范圍為-10.64900-3.54968，因此TNDVI信息能很好的區(qū)分出馬尾松林分健康程度的四個(gè)等級(jí)，即可區(qū)分健康林分、輕度病害林分、中度病害林分、嚴(yán)重病害林分，并且變化明顯。SQRT信息值的變化范圍為1.142.83之間，在立地條件一定的情況下，預(yù)測(cè)松毛蟲(chóng)病害的值的變化范圍為-2.01609-0.81214，因此SQRT信息只能區(qū)分二個(gè)馬尾松林分健康程度的二個(gè)等級(jí)，即健康林分與病害林分。5.3 MODIS遙感相關(guān)系數(shù)分析本研究主要的解決問(wèn)題就是要結(jié)合立地因子，篩選出最符合馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化的MODIS遙感影像的遙感信息，前面分析了各因子的顯著性與敏感性。要全面

47、的體現(xiàn)出那類遙感影像信息是變化最好，最密切的還要分析它們的相關(guān)系數(shù)29-31。如表4。表4相關(guān)系數(shù)表Table 4 correlation coefficient tables相關(guān)系數(shù)R決定系數(shù)R2調(diào)整相關(guān)系數(shù)R調(diào)整決定系數(shù)R2NDVI0.545220.297260.532410.28346SQRT0.532110.283150.514520.26473第一波段0.575650.331380.562940.31690RI/R0.521930.272410.503710.25372TNDVI0.546720.298900.533970.28513從表中可以清晰的看出第一波段的相關(guān)系數(shù)最大為0.5

48、7565是與馬尾松毛蟲(chóng)病害特征變化而變化最密切的遙感信息，TNDVI與NDVI相關(guān)系數(shù)基本趨于一致，而后是SQRT與RI/R，同時(shí)它們的相關(guān)系數(shù)都是比較低的。即MODIS遙感影像對(duì)于小面積的馬尾松毛蟲(chóng)病害可能預(yù)測(cè)效果不好，只有對(duì)較大面積爆發(fā)時(shí)才有較好的預(yù)測(cè)效果。6結(jié)論與討論6.1結(jié)論 eq oac(,1)通過(guò)數(shù)量化理論對(duì)MODIS遙感影像多種信息分別與立地因子的分析，反應(yīng)出MODIS遙感影像的光譜值第二波段不會(huì)隨馬尾松毛蟲(chóng)病害特征的變化而發(fā)生變化，本研究中其他類型的MODIS遙感影像信息從數(shù)據(jù)的分析來(lái)看，它們會(huì)隨馬尾松毛蟲(chóng)病害的特征變化而發(fā)生顯著的變化。同時(shí)第一波段的光譜值得到相關(guān)系數(shù)值最高，

49、但對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害敏感度卻過(guò)低，用于馬尾松毛蟲(chóng)病害前期的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)很不理想，但是對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害嚴(yán)重區(qū)域監(jiān)測(cè)的可信度最好的MODIS遙感影像信息。TNDVI信息的相關(guān)系數(shù)值相對(duì)較高，而且對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害敏感度極好，不僅可以用于前期馬尾松毛蟲(chóng)病害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，同時(shí)能很好的監(jiān)測(cè)病害發(fā)生區(qū)域的所在地與面積大小，是對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)最好的MODIS遙感影像信息。NDVI信息的相關(guān)系數(shù)值相對(duì)也較高，對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害敏感度較好，可以用于馬尾松毛蟲(chóng)病害前期的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，同時(shí)也能較好的監(jiān)測(cè)病害發(fā)生區(qū)域的所在地與面積大小，也是對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)較好的MODIS遙感影像信息。而RI/R與SQ

50、RT信息的相關(guān)系數(shù)比較低，同時(shí)對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害的敏感度較前面的幾種信息也是較差，對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害的預(yù)測(cè)較差。 eq oac(,2)研究結(jié)果顯示馬尾松毛蟲(chóng)病害的特征的變化會(huì)引起MODIS遙感影像信息的變化，變化的規(guī)律為馬尾松毛蟲(chóng)病害的程度與MODIS遙感影像第一波段信息值呈正相關(guān)的關(guān)系，就是說(shuō)病害加重會(huì)增加MODIS遙感影像第一波段信息值，病害減輕或好轉(zhuǎn)，則會(huì)減少M(fèi)ODIS遙感影像第一波段信息值。而馬尾松毛蟲(chóng)病害的程度與MODIS遙感影像TNDVI、NDVI、SQRT、RI/R信息值呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，就是說(shuō)病害加重會(huì)減少M(fèi)ODIS遙感影像TNDVI、NDVI、SQRT、RI/R信息值，病害減輕或好

51、轉(zhuǎn)，則會(huì)增加MODIS遙感影像TNDVI、NDVI、SQRT、RI/R信息值。生長(zhǎng)健康的馬尾松林分比受到松毛蟲(chóng)病害的林分的MODIS遙感影像第一波段信息值?。欢鳷NDVI、NDVI、SQRT、RI/R信息值大。即MODIS遙感影像信息值會(huì)隨著植被葉量成正相關(guān)的關(guān)系，運(yùn)用這個(gè)規(guī)律可以用于森林食葉病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)，說(shuō)明森林現(xiàn)在的基本狀況。 eq oac(,3)運(yùn)用MODIS遙感影像信息結(jié)合立地因子對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)，同時(shí)由于MODIS遙感影像是高光譜影像，第一波段的值較大，跨越的取值范圍也就大，但對(duì)馬尾松毛蟲(chóng)病害程度的敏感度低，就會(huì)對(duì)健康與輕度病害的林分區(qū)分模糊，TNDVI信息與NDVI信息對(duì)

52、馬尾松毛蟲(chóng)病害程度的敏感度較高，所以用于馬尾松毛蟲(chóng)病害程度預(yù)測(cè)最理想的遙感信息的先后順序是TNDVI、NDVI、第一波段、SQRT、RI/R。 eq oac(,4)MODIS遙感影像圖可以用于森林病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)。MODIS遙感影像回歸的周期為一天，同時(shí)又有上午星與下午星，一天內(nèi)可獲得四景遙感影像圖，而且MODIS影像資料能免費(fèi)的下載使用，對(duì)于我們林業(yè)部門(mén)能實(shí)現(xiàn)對(duì)森林進(jìn)行較低成本的即時(shí)的監(jiān)測(cè)和觀察13-15。 6.2討論然而，在進(jìn)行本項(xiàng)研究中，存在一些問(wèn)題： eq oac(,1)本次研究只用到250米的MODIS遙感影像，無(wú)法進(jìn)行其他MODIS遙感信息的分析與研究探討。 eq oac(,2)研究區(qū)

53、域的病害主要是輕度的病害，對(duì)于研究來(lái)說(shuō)樣本數(shù)的不均勻，會(huì)影響數(shù)據(jù)的處理和分析的精度。 eq oac(,3)圖像的預(yù)處理上還不全面，可能對(duì)研究也會(huì)有較大的影像。 eq oac(,4)由于本人能力問(wèn)題，未能將多種遙感信息綜合一起分析，得到更加的分析結(jié)果。 此外由于天氣狀況的問(wèn)題，遙感圖部分區(qū)域有云層，同時(shí)溫度對(duì)MODIS遙感影像影響較敏感。運(yùn)用MODIS遙感影像監(jiān)測(cè)中尺度范圍的森林病蟲(chóng)害機(jī)理變化要在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用還需要作進(jìn)一步的研究。參考文獻(xiàn)1戴昌達(dá).植物病蟲(chóng)害的遙感探測(cè)J.自然災(zāi)害學(xué)報(bào),1992,l(2):40-46.2武紅敢,黃建文,喬彥友,等.松毛蟲(chóng)早期災(zāi)害點(diǎn)遙感監(jiān)測(cè)研究初報(bào)J.林業(yè)科學(xué),1

54、995,31(4):379-384.3劉志明,晏明,張旭東,等.用氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)大范圍森林蟲(chóng)害方法研究J.自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2002,ll(3):109-114.4武紅敢,喬彥友,黃建文,等.利用陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)評(píng)估森林病蟲(chóng)害J.遙感技術(shù)與應(yīng)用,1994,9(4):46-51.5Bueldaeim M P, Madeen A L, Lillesand T M. Forest covertype map ping and sprucebudworm defoliation detection using simulated SPOT imageryJ. PE & RS,1985,51:1115-l12

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