全 文 ：应用 NOAA/ AVHRR资料监测松毛虫
危害研究初探 3
张玉书1 3 3 　班显秀1 　陈鹏狮1 　冯　锐1 　纪瑞鹏1 　肖　艳2
(1 中国气象局沈阳大气环境研究所 ,沈阳 110016 ;2 辽宁省森林病虫害防治检疫站 ,沈阳 110032)
【摘要】　探讨了利用气象卫星定量监测松毛虫危害程度的可能性. 以针叶被害率代表松毛虫的危害程度 ,
轻度、中度、重度危害分别定义为针叶被害率 < 30 %、30 %～60 %和 > 60 %. 根据地面光谱观测资料 ,建立
了归一化植被指数与针叶被害率的相关方程 ,无松毛虫危害时 NDV I 为 018823 ;为了消除大气等因子影
响 ,利用松毛虫危害与未被危害的植被指数相对值表示松毛虫轻、中、重危害程度的遥感监测指标 ,无危害
为 1 , 0178～1 为轻度危害 ,0157～0178 为中度危害 , < 0157 为重度危害. 监测危害面积时 ,利用线性可加
垂直植被指数进行混合象元分解. 并分别对严重、中度、轻度 3 种类型发生年进行了定量监测分析 ,结果表
明 ,AVHRR 资料对中等以上松毛虫危害可进行定量监测分析 ,监测受灾面积比用同期的陆地卫星 TM 资
料监测的受灾面积小 1211 %～1413 % ;对于轻度危害区域 ,采用气象卫星不易分辨 ,主要是由于不同下垫
面和大气影响的差异 ,以及气象卫星空间分辨率较低.
关键词 　松毛虫 　危害面积 　NOAA/ AVHRR 资料 　混合象元
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 05 - 0870 - 05 　中图分类号 　S127 　文献标识码 　A
Dendrolimus spp. damage monitoring by using NOAA/ AVHRR data. ZHAN G Yushu1 ,BAN Xianxiu1 ,CHEN
Pengshi1 ,FEN G Rui1 ,J I Ruipeng1 ,XIAO Yan2 (1 Institute of A t mospheric Envi ronment , China Meteorological
A dminist ration , S henyang 110016 , China ; 2 Quarantine S tation of Forest Diseases and Insect Pests of L iaoning
Province , S henyang 110032 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (5) :870～874.
This paper approached the feasibility of quantitatively monitoring Dendrolim us spp. damage by using NOAA/
AVHRR data. The damaged rate of needle leaf was used to represent Dendrolim us spp. harming degree ,and <
30 % ,30 %～60 % and > 60 % of damaged rate was defined as low ,medium and severe harming degree ,respec2
tively. The correlation equation of damaged rate and normalized vegetation index (NDV I) was established ,based
on the ground spectrum observation. The NDV I was 0. 8823 when no damage occurred. A relative NDV I value of
damaged to undamaged area was used to express the remote sensing index of low ,medium and severe harming
degree. The index was 1 for undamaged forest ,and 0. 78～1 ,0. 57～0. 78 and < 0. 57 for low ,medium and se2
vere harming degrees ,respectively. The mixed pixels were separated by linear addable vertical vegetation index in
the monitoring ,and the quantitative monitoring and analysis was accomplished for years when the three damage
degrees happened. It was shown that AVHRR data could be more available in quantitatively monitoring and ana2
lyzing serious damage ,while low degree damage was difficult to distinguish by AVHRR data ,due to the differ2
ences of surface properties and atmospheric influences ,as well as the lower space resolution of NOAA/ AVHRR.
The damaged area estimated by AVHRR was 12. 1 %～14. 3 % lower than that by TM.
Key words 　Dendrolim us spp. , Damaged area , NOAA/ AVHRR data , Mixed pixel.3 国家科技部项目 ( J G22002213 ) 和辽宁省科技厅资助项目
(91110003) .3 3 通讯联系人.
2004 - 03 - 10 收稿 ,2004 - 07 - 05 接受.
1 　引 　　言
松毛虫 ( Dendroli m us spp . ) 是世界性的害虫 ,
对松树的生长发育危害极大[15 ,30 ] . 我国是世界上松
毛虫种类最多的国家 ,至今尚未能完全控制其猖獗 ,
每年约有 60 %面积的松林受到松毛虫的危害[5 ] . 辽
宁省人工纯林面积比例大 ,松毛虫发生危害比较严
重 ,每年发生面积达 112 ×105 hm2 [28 ] . 目前的科学
技术和研究水平还不能准确预测松毛虫的发生发
展 ,但可以及时监测早期灾害点 ,把损失降到最低限
度[26 ] . 我国现行的监测手段仍依靠人工现场调查方
式 ,要准确地估算松毛虫的危害程度较为困难. 如何
改进和提高监测技术手段和水平是目前亟待解决的
问题.
自 1982 年搭载 TM 传感器的陆地卫星24 发射
以来 ,有着较高空间分辨率的 TM 数据为森林病虫
害的监测提供了先进的技术手段 ,已取得了一些比
较成功的经验[4 ,7 ,14 ,16 ,22 ] 1 这些遥感监测方法都是
以陆地卫星 TM 资料为信息源 ,主要利用近红外波
应 用 生 态 学 报 　2005 年 5 月 　第 16 卷 　第 5 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,May 2005 ,16 (5)∶870～874
段和可见光的比值或不同时相的差值等遥感参数与
森林失叶率的关系 ,对森林病虫害进行监测评价研
究. 另外 ,根据地物光谱反射率的差异和结构异常在
遥感数字图像上记录 ,通过图像增强处理和模式识
别 ,也可实现对森林病虫害的监测[8 ,12 ,27 ] .
虽然利用陆地卫星 TM 资料监测评价松毛虫
危害已取得了比较成功的经验 ,但 TM 图像的成像
周期是 16 d ,且经常有云的覆盖 ,在松毛虫危害期
间 ,很难获取晴空资料 ,实时监测松毛虫危害有一定
难度 ,从而严重制约了遥感监测森林病虫害工作的
开展. 气象卫星数据具有成像周期短的特点 ,一天有
多颗卫星对同一地面进行观测. 我国各省的气象部
门均有气象卫星接收处理设备 ,资料可实时获取. 本
文利用对松毛虫危害区进行的地面光谱观测资料 ,
研究遥感监测指标 ,并对松毛虫严重、中度、轻度 3
种类型发生年进行遥感监测研究 ,以探讨利用气象
卫星监测松毛虫的可能性及监测精度.
2 　研究区与研究方法
211 　研究地区概况
研究区位于我国辽宁省西部建平县 ,地处 119°10′～
120°02′E ,40°17′～42°21′N. 属半湿润半干旱大陆性季风气
候 ,年均降水量 44714 mm ,年均蒸发量 2 01318 mm ,平均气
温 515 ℃,年均日照时数 2 97114 h. 该区土壤除少许褐土性
土外 ,均为碳酸盐褐土 ,土壤肥力较低 ,水土流失严重. 植被
区划属华北植物系向内蒙古植物系过渡地带 ,以内蒙古区系
干旱草原植物为主 ,呈旱象景观 [11 ] . 全县有林面积 21133 ×
104 hm2 ,森林覆盖率达 36 % ,主要树种有油松纯林、油松2沙
棘混交林、沙棘林、杨树纯林及杨树2沙棘混交林 ,均为人工
林.
212 　研究方法
21211 地面光谱观测 　卫星探测的地物光谱值主要由地物
属性所决定 ,本研究使用双通道 (对应卫星传感器的通道 1
和通道 2)光谱仪 BL2901 ,对不同危害程度的松树个体进行
观测. 共选取 40 个个体 ,个体树龄为 28 年 ,分两种天气类型
进行观测 ,前 20 个个体在 1993 年 3 月 31 日 10 :00 进行 ,天
气晴 ;后 20 个个体在同一天 12 :20 进行 ,天气阴. 为了便于
相互对比与解译 ,测量的是地物相对反射强度 (光谱仪与配
套的测光参照板配合使用测出此参数) . 公认的方法是在测
量松树之前首先采集测光参照板的反射数据代替入射太阳
光强度 ,用来计算相对的反射强度. 观测时测光参照板必须
保持水平位置 ,光谱仪镜头与测光参照板的垂直距离保持在
15 cm 左右. 然后采集松树的绝对反射强度 ,与参照板反射
强度之比便是其相对反射强度. 观测时将光谱仪探头置于树
冠上方 1 m 处 ,垂直对准树冠进行观测 ,在视场角范围内重
复 6 次取平均.
利用观测的ρi r (近红外反照率) 、ρr (红光反照率) 计算
归一化植被指数NDV I ( NDV I = (ρi r - ρr) / (ρi r +ρr) ) . 建立
NDV I 与针叶被害率 ( X) 相关方程 ,得到线性方程为 :
NDV I = 018823 - 016378 X (1)
相关系数为 - 0199 ,达极显著水平.
21212 混合象元分解方法 　由于松树的分布并不都是满象
元 ,还存在混合象元问题 ,给卫星遥感监测带来困难. 因此 ,
有效地解决混合象元问题是监测松毛虫危害面积的基础.
利用遥感资料估算植被面积 ,存在最佳时相选择问
题[6 ] ,辽宁秋季和春季绿色植物只有松柏树 ,而且柏树极少 ,
可不考虑. 所以 ,可在春秋季估算松林面积. 为了消弱土壤背
景噪声对植被指数的影响 ,以土壤线为基准调整红光和近红
外波段光谱反射率的比例 ,Wiegand 等[20 ]提出将光谱坐标中
的点到土壤线的垂直距离作为垂直植被指数 :
PV I = ρi r ·cosθ - ρr ·sinθ (2)
其中 ,θ为土壤回归线同红光反照率的夹角 ,ρi r 为近红外反
照率 ,ρr 为红光反照率.
垂直植被指数除了具有消除土壤背景影响能力外 ,对大
气效应不敏感 ,具有线性可加性 ,适合于混合象元分解应
用[9 ,10 ,13 ,19 ] .辽宁地区松林主要分布在东部山区和西部丘陵
地带 ,中部几乎没有松树. 根据这一特点 ,以中部为采样区 ,
每天读取 NOAA 卫星晴天的反照率 ,建立土壤回归线 :
ρi r = 110581ρr (3)
相关系数为 0195 ,达极显著水平 ,θ角为 4616°.
设每个像元松林面积比为α,则
PV I = (αρi r松 + (1 - α)ρi r土) cosθ - (αρr松 + (1 -
α)ρr土) sinθ = α(ρi r松cosθ - ρr松sinθ) + (1 - α) (ρi r土cosθ -
ρr土sinθ)
由 PV I 的定义可知 ,上式第二项为 0 ,所以 ,
PV I = α(ρi r松cosθ - ρr松sinθ) (4)
求出α的关键就在于 PV I 的求取和ρr松、ρi r松 的确定.
在有限期间内 , 最大限度地减少云、太阳高度角、水蒸
气、烟雾和噪声的影响 ,采用最大值合成方法 ,求取每个项元
的ρi r 和ρr ,进而求出 PV I.
ρr松和ρi r松的确定 ,采用多通道合成图像 ,选取松林面积
比较大区域 ,并叠加 1∶25万辽宁省生物资源地理信息系统 ,
确定多个满像元松树点 ,读取每点第一、第二通道值 ,取其平
均即为ρr松 和ρi r松 的值.
本文采用 1997 年 3 月上旬气象卫星 NOAA/ AVHRR
资料 ,对建平县松林面积进行计算 ,计算结果为 58 502 hm2 ,
而用同期的陆地卫星 TM 图像资料计算的面积为 55 752
hm2 ,相对误差 - 419 %.
21213 松毛虫不同危害程度遥感监测指标的确定 　对松树
而言 ,针叶损失越多 ,林木损失越重 [18 ] . 因此 ,以针叶被害率
代表松树个体的危害程度 ,当针叶被害率 < 30 %时为轻度危
害 ,针叶被害率在 30 %～60 %为中度危害 ,针叶被害率 >
60 %时 ,为重度危害. 由于受太阳高度角、水蒸气、烟雾和噪
声等的影响 ,虽经订正 ,但通过遥感资料计算的植被指数值
1785 期 　　　　　　　　　　　张玉书等 :应用 NOAA/ AVHRR 资料监测松毛虫危害研究初探 　　　　　　　　　　　
仍比用光谱仪实测值低. 为使两者具有可比性 ,采用相对值
来表示. 由式 ( 1) 可知 , 当 X = 0 (无危害 ) 时 , NDV I0 =
018823 ; 当 X = 30 %(中度发生) ,NDV I30 = 01691 ,NDV I30/
NDV I0 = 0178 ;当 X = 60 % (严重发生) ,NDV I60 = 015 ,ND2
V I60/ NDV I0 = 0157. 由此可见 ,如无危害为 1 ,0178～1 之间
为轻度发生 ,0157～0178 为中度发生 ,小于 0157 为重度发
生.为此 ,选取 1993 年 (重度) 、1997 年 (中度) 和 2001 年 (轻
度) 3 种类型年进行遥感监测分析.
3 　结果与分析
311 　松毛虫重度发生年遥感监测分析
根据 1993 年 3 月中旬 NOAA/ AV HRR 资料制
作的松林分布图及 1∶25 万辽宁省生物资源地理信
息系统资料 ,选择 5 个常灾区、4 个无灾区 (建平县
北部)大面积松林中心点进行动态监测. 监测时间从
4 月上旬开始至 9 月下旬结束. 用最大值合成方法
每旬计算一个植被指数值 ,1993 年无灾区 4 个监测
点平均值及常灾区 5 个监测点各旬植被指数变化见
图 1.
图 1 　1993 年各旬植被指数 (NDVI)变化
Fig. 1 Variation of vegetation index (NDVI) of 102day interval in 1993.
1)监测点 1 Momitoring point 1 ; 2)监测点 2 Momitoring point 2 ; 3)监
测点 3 Momitoring point 3 ; 4)监测点 4 Momitoring point 4 ; 5)监测点
5 Momitoring point 5 ; CK:对照 Control.
　　由图 1 可见 ,未被危害松林植被指数呈逐渐上
升趋势. 5 月下旬多为阴天或薄云天气 ,所以无灾区
和常灾区的植被指数普遍偏低 ,到 8 月下旬达最大
值 ,然后开始逐渐回落. 常灾区 5 个监测点变化趋势
基本一致 ,5 月中旬至 6 月中旬植被指数变化缓慢 ,
到 6 月下旬达到最低值. 这段时间正是春季幼虫危
害期. 松毛虫幼虫从 4 月下旬上树开始嗜食 ,随着温
度逐渐升高 ,食量逐渐加大 ,危害加重 ,直至 6 月底
化蛹前危害达到极值. 从 7 月上旬开始植被指数逐
渐回升 ,至 8 月中旬植被指数又一次下降 ,开始了秋
季危害期 (7 月下旬开始卵孵化幼虫) . 因此 ,采用 6
月下旬遥感资料进行危害面积估算. 首先在 6 月下
旬遥感图片上叠加松林分布图 ,在松林的下垫面上
进行统计计算 ,每个像元的植被指数值与同期的无
危害时植被指数进行比值计算 ,确定重度危害范围 ,
计算松毛虫重度危害的面积初值 ,再乘以α值. 计算
求得 1993 年春季建平县松毛虫重度发生面积 8 200
hm2 ,实际调查发生面积为 9 333 hm2 ,相对误差为
- 1211 % ,主要分布在张家营子、富山及青峰山至深
井一带 ,与实际调查结果相一致. 1993 年春季建平
县松毛虫危害是历年中最严重的一年 ,大面积成片
的松林被松毛虫嗜食 ,严重危害地块针叶损失率达
到 85 %以上.
312 　松毛虫中度发生年遥感监测分析
利用 1997 年 5 月中旬 NOAA/ AV HRR 气象卫
星资料 ,对建平县松毛虫中度发生年早期危害进行
监测分析 ,计算求得重度发生面积为 4 363 hm2 ,中
度发生面积为 7 152 hm2 . 同时利用同期 (1997 年 5
月 2 日)的陆地卫星 TM 资料对重、中度不同危害面
积进行解译分析 ,结果表明 ,重、中度灾害的面积分
别为 5 048 hm2 和 8 341 hm2 . 利用 AV HRR 资料得
出的松毛虫危害面积分析结果与用 TM 资料的解
译结果相比 ,重、中度危害面积分别相差 - 1316 %和
- 1413 %. 可见利用 TM 解译的受灾面积大于用
AV HRR 资料分析结果 ,尤其对于轻度受灾或受灾
面积较小的区域 , TM 图像资料比 AV HRR 资料解
译的结果更近准确.
313 　松毛虫轻度发生年监测分析
利用 2001 年 5 月下旬 AV HRR 资料 ,对建平县
轻度危害年进行监测分析. 从 5 个常灾区监测点来
看 ,有 3 个监测点遭受松毛虫危害 ,通过实地调查验
证 ,与实际情况相符. 但危害面积的计算与实际调查
面积相差较大 ,重度危害面积相对误差达到 50 %.
这是由于松毛虫轻度发生年危害面积小 ,危害程度
轻 ,虽然也有危害严重地块 ,但发生面积小且零乱 ,
而气象卫星空间分辨率低 ,定量监测误差较大 ,但在
宏观监测方面仍具有重要的参考作用.
4 　讨 　　论
　　本研究结果表明 ,利用 AV HRR 资料监测松毛
虫危害程度方法可弥补林区大、监测人员少的不足 ,
提高测报的科学性和可靠性. 可用危害与未被危害
的植被指数相对值作为松毛虫危害的遥感监测指
标 ,监测指标 0178～1 为轻度发生、0157～0178 为
中度发生、> 0157 为重度发生. AV HRR 资料对中
等以上松毛虫危害均能明显的反映 ,监测受灾面积
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比 TM 资料小 1211 %～1413 % ;对于轻度危害的区
域 ,用气象卫星资料不易分辨.
以往有关松毛虫遥感监测的大量工作均是用
TM 资料完成的 ,部分研究者基于波谱特征进行研
究 ,如雷莉萍等[8 ]利用陆地卫星资料 ,根据松毛虫
的生物特性和森林虫害的波谱特征 ,建立遥感监测
模式 ;吴继友[27 ]应用逐步判别分析法 ,证实了细分
光谱特征参量比三波段反射率组合参量的分析判别
能力更强 ;倪健等[12 ]从地物波谱的角度 ,研究春季
赤松毛虫 ( D. spectabilis) 危害赤松林后 ,赤松的外
部形态、叶绿素含量和光谱反射率的变化及其相互
关系 ,为虫害的遥感早期预报提供基础. 有人利用
TM 各波段光谱值与失叶率间的相互关系进行研
究 ,如 Vogelmann[17 ]认为不同时相的 TM4 的差值
(健康年份与灾害年份) 可以明显地显示受灾状况 ;
Brockhaus[1 ]等发现 ,陆地卫星的 TM4 值同森林的
落叶百分率相关 ;崔恒建[3 ] 、武红敢等[21～25 ]利用
TM5/ TM4 和 TM4/ TM3 遥感参数和森林失叶率
间的关系 ,对松毛虫危害进行了监测评估研究.
在利用气象卫星对松毛虫危害的遥感监测方
面 ,程焕章等[2 ]利用 TM 资料对落叶松毛虫 ( D . su2
perans)危害区划进行研究 ,利用气象卫星灰度值的
变化对虫害发生进行宏观监控 ,为正确划分危害程
度提供了重要参考 ;杨俊权等[29 ]在广西利用一年
NOAA/ AV HRR 资料对马尾松毛虫危害区与非虫
害区 NDV I 时间序列曲线进行对比分析 ,认为其对
监测虫害有一定作用. 本研究根据地物光谱反射率
的差异及不同波段间关系 ,建立了遥感参数与针叶
损失量相关模型. 二者有很好的相关关系 ,与前人的
研究结果相一致. 不同的是 ,利用松毛虫不同危害程
度的地面光谱观测确定的遥感监测相对指标 ,可实
现低空间分辨率的气象卫星对松毛虫危害的定量监
测 ;基于 1∶25 万地理信息系统基础上 ,实时监测松
毛虫危害程度和计算受灾面积 ,同时还考虑了混合
象元分解问题 ,更进一步地提高了气象卫星监测松
毛虫危害的精度.
需要指出的是 ,利用气象卫星资料监测松毛虫
危害时 ,是以针叶损失量和植被指数的变化为基础 ,
而植被指数的变化受多种要素的影响 ,如何剔除其
它方面影响 ,进行松毛虫轻度灾害的定量监测有待
于进一步研究.
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应用生态学是研究协调人类与生物圈之间关系和协调此种复杂关系以达到和谐发展目的的科学 ,应用
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这本学术性专著《应用生态学》,全书共 12 章 ,主要内容包括 :应用生态学概论 ,农业生态与农业生态工程 ,森
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