利用遥感影像对松材线虫病的分析

第一章绪论

1.1选题背景及研究意义
森林病虫害每年对森林资源造成的林木和经济损失惊人，远远超过了森林火灾所带来的危害，与此同时，它给生态环境带来了更为严重的负面效应，所以森林病虫害被喻为"无烟的森林火灾"。近年来，中国森林病虫害发生面积广，危害严重，每年发生面积高达83200hm2左右，木材生长量损失高达176800m2，每年带來的经济损失高达50亿元人民币（刘志明，2002)。我国森林病虫害发生的主要表现为，一是常发性森林病虫害面积居高不下，二是危险性森林病虫害蔓延扩散迅速，总体呈上升趋势，对森林资源和自然景观构成巨大威胁，三是偶发性森林病虫害大面积暴发，造成的损失严重。松树是我国的第一大树种，在我国森林生态系统中占据着非常重要的位置。松材线虫病从1982年传入我国以来，迅速蔓延和扩散，致使大量松树死亡，严重破坏了我国的松林资源、生态环境和自然景观，带来了巨大的生态损失与经济损失。
目前，我国爆发疫情的省（区、市）达15个，爆发疫情的县（市、区）达193个，全国累积清理发病疫木5000多万株，面积达1000000 hm2,直接经济损失达上千亿元人民币，给国民经济和人民生活带来了无法估量的损失（王震，2007)。松材线虫病具有毁灭.性危害，一旦爆发，就将给松林资源、自然生态环境、国民经济乃至社会发展带來一系列的巨大损失，它的防治是一个世界性难题。目前，松材线虫病仍呈蔓延趋势，形势紧迫，因而其防治及监测是松材线虫治理的关键环节，特别是松材线虫病爆发前的早期预测预警已成了当前研究的热点和难点。遥感技术是六十年代迅速发展起來的一门建立在电子计算机技术、现代物理学、数学、地理学基础上的综合性探测技术。它是一种在不直接接触目标物体的情况下、远距离的，通过接收来自目标物的辐射或者反射来的电磁波，来探测地物的波谱信息，并且获取目标地物的图像以及光谱数据，以达到对地物进行定位、定量或定性描述目的的技术（朱述龙，2000)。尽管遥感技术在发明初期主要是用于航空等领域，而并不是用在森林资源保护上，但是经过多年的尝试和实践，证明遥感监测面积大，获得的信息量丰富；监测速度快，可以迅速提供灾情；获得的资料标准化，有利于计算机分析处理；可以真实地反映灾情，说明遥感技术在森林资源保护和监测上有着深远的应用潜力，并可以发挥重要的作用。
在病虫害监测方面，遥感可以提供具有很强时效性的图像作为数据源，实现对害虫本身的监测、对害虫产生危害的监测以及对害虫栖息环境的监测。本次研究选取了松材线虫病作为研究对象，应用遥感卫星和地面调査相结合的手段，重点对感染松材线虫病的马尾松植株的蒸腾速率、光谱特征以及生态因子进行研究，来探讨松材线虫病遥感早期监测和预警的方法，为基于遥感技术的森林病虫害早期预警提高理论基础和科学依据。

1.2森林病虫害遥感监测
国内外发展史二十世纪三十年代以来，科学工作者就开始了森林病虫害的遥感监测。森林病虫害遥感监测序幕的揭开，是国外在二十世纪三十年代开展的对铁杉尺蠖落叶林森林虫害的航空摄影试验观察；上世纪四十年代，美国昆虫学家就开始了利用雷达来监测迁飞性沙漠蝗.虫；红外摄影技术在第二次世界大战后得以发展；随后，Sager在1956年、Rossetti在1960年、Waloff在1972年、Schaefer在1968年到1976年间，他们利用航空遥感技术和雷达技术，分别对沙漠蝗虫的危害地区、迁飞路线、生态环境等一系列方面进行了遥感监测，并取得了良好的研究效果（金瑞华，1991)。伴随着航天遥感技术的迅猛发展，二十世纪七十年代以来，遥感技术在森林病虫害方面的监测手段和方法又有了长足的发展，航天遥感技术被各国竟相地引入到了森林病虫害监测和迁飞性害虫监测中，1972年，美国发射了世界上第一颗地球资源卫星（Landsat),取得了重大成功，并开创了森林病虫害卫星遥感监测的应用研究（RenczAN, 1985；Rilay J R， 1980)。
1982年，美国陆地卫星系列的Landsat-4搭载了 TM传感器成功发射，真正意义上地开辟了森林病虫害卫星遥感监测应用的新时代。之后，Landsat-5、SPOT等卫星相继上天，使人们可以在短时间内获取较高光谱分辨率和空间分辨率的数字遥感影像。但是航空竭感监测技术成本过高，使得许多发展中国家难以负担，他们就不得不舍弃这种新技术，而是延用传统的地面人工调査方法来进行森林病虫害的监测。1982年，R本幵始研究如何应用美国的资源卫星来调查森林病虫害的发生和发展；1988年，加拿大应用遥感监测手段进行花旗松林卷叶蛾虫害发生的动态监测（戴昌达，1993)。
1988年，Vogelmann等人在美国佛蒙特州的绿山和新罕布什尔州的白山，利用TM影像数据测量了挪威云杉的森林灾害，研究中发现TM7/TM4的比值和TM5/TM4的比值可以用于定量研究灾害程度，它们与地面调査样地中的森林灾害有着很好的相关性，TM2(蓝)、TM5(绿)、TM5/TM4(红)合成的影像上面可以清晰地辨认出针叶林的重灾区，是红色区域（Vogelmann J E， 1988)； 1989年，Vogelmann禾口Rock尝试了利用TM影像数据监测由蓟马引起的阔叶林灾害，他们认为由TM5/TM4(红)、TM5(绿）、TM3(蓝)合成的影像上，受灾严重的区域颜色为红色，受灾较轻的区域为桔色，山此可以判别出不同的受害区域和受害程度，在由灾害年份与健康年份这两个时相的差值ATM4(红)、TM5(绿)、TM3(蓝)合成的影像上面，也可以清晰地辨认两级灾害，并且ATN/W可以定量地评估灾害损失（Vogelmann J E， 1989)。
 
   1.3 松材线虫病概况 ..................10-15
第二章研究区概况及研究内容 ..................15-19
    2.1 研究区概况 ..................15-17
        2.1.1 研究区自然概况 ..................15
        2.1.2 研究区气候特征 ..................15-16
        2.1.3 研究区林业资源概况 ..................16
        2.1.4 研究区病虫害发生概况 ..................16-17
    2.2 研究内容 ..................17-18
    2.3 技术路线 ..................18-19
第三章数据获取与处理 ..................19-35
    3.1 处理软件 ..................19
    3.2 基础图件数据 ..................19-20
    3.3 遥感影像的获取与处理 ..................20-24
        3.3.1 遥感影像的获取 ..................20-22
        3.3.2 遥感影像的处理 ..................22-24
    3.4 相关数据资料 ..................24-25
    3.5 地面调查 ..................25-35
        3.5.1 样木单株测定及环境因子调查 ..................26-28
        3.5.2 马尾松蒸腾速率测定 ..................28-31
        3.5.3 野外光谱采集 ..................31-35
第四章马尾松林信息提取 ..................35-39
    4.1 研究区典型植被光谱特征分析 ..................35-37
    4.2 知识规则的建立 ..................37-38
    4.3 信息的提取及精度评价 ..................38-39
第五章松材线虫病遥感早期预测 ..................39-46
    5.1 松材线虫病与遥感影像波段间的相关性分析 ..................39-40
    5.2 松材线虫病与蒸腾速率间的相关性分析 ..................40-43
    5.3 松材线虫病的发生与生态因子间的典型相关分析 ..............43-46

结论

本文主要的研究内容包括如下方面：（1)对研究区的多幅SP0T5遥感影像进行几何校正与辐射校正以及图像的拼接和裁剪，对裁剪后生成的研究区遥感影像用基于知识规则的决策树分类法对其进行马尾松信息提取。（2)对染病和健康的马尾松进行光谱采集，并对研究区的其他几种主要植被进行光谱采集，分析了马尾松在不同染病阶段以及马尾松和其他几种主要植被的光谱特征。（3)对健康和染病的马尾松，以及马尾松染病后的不同阶段进行了蒸腾速率的测定，研究不同染病程度的马尾松蒸腾速率间存在的差异，并探讨蒸腾速率是否可以作为一个松材线虫病预测的一个早期诊断因子。（4)对研究区染病的马尾松样木进行了样木单株测定和环境因子调査，探讨生态因子与松材线虫病发生的相关性，并分析松材线虫病的发生规律。
主要得到了以下几个方面的结论：
第一：对研究区域的SPOT5多光谱影像进行校正和拼接裁剪后，利用基于知识规则的决策树分类法对研究区内的马尾松进行信息提取，总体精度达到80%。
第二：通过野外地面调査中对健康植株和染病植株以及染病的前期、中期和后期三个不同时期间的马尾松蒸腾速率的测定，结果得出感染松材线虫病的马尾松植株和健康马尾松植株的蒸腾速率存在较大差异：染病植株的蒸腾速率值在0-2.0之间，健康植株的蒸腾速率值在2.0-3.0之间；随着马尾松染病程度的不同，马尾松病株的蒸腾速率值也存在着较大差异，染病前期在1.0-2.0之间，中期在0.3-1.0之间，后期0.3以下。