引 言
　　蝗灾是一种世界性的灾害蝗灾的爆发对国家的农业安全农民收入以及社会安定都会产生严重的影响 世纪 年代以 来由 于 受 气 候 土 壤 沙化和盐碱化等的影 响 蝗 虫 灾 害 年 年 防 治 年 年 发生 老蝗区 蝗 害 反 复 新 蝗 区 不 断 产 生 国 内 外的研究表明 蝗虫的发生及成灾与其存在 的 生 境有十分密切的关 系 因此对蝗虫生境进行监测成为有效防治蝗灾的关键
　　现代卫星遥感技术以其大面积 动态实时周期性观测等特点为蝗虫生境的监测提供了可能及便利 如蒋建军等 在青海湖地区尝试进行草地蝗虫生境 的 遥 感 研 究 通 过 对 图像进行监督分类划分出 种 生 境 类 型 分 类 精 度 达 马 建 文等 利用 数 据 对 东 亚 飞 蝗 孵 化 的 水 热 条件和植被要素进行了实时动态监测并 在 河 北 省 黄骅市和天津市的北大港蝗区利 用 数据进行东亚飞蝗的生境监测 李开丽等 运用 最 大似然法和基于知识的分层分类法 选 用 不 同 波 段 组合进行了 河 北 省 黄 骅 市 东 亚 飞 蝗 生 境 遥 感 分 类 研究 等 利用 遥 感 数 据 通 过 对 年河北省南大港东亚飞蝗大发生年不同受害程度芦苇的光谱监测与分析确 定 了 不 同 程 度 灾 害 的 芦 苇 面积 和 等 分 别 利 用数据进行了草 地 蝗 虫 和 沙 漠 蝗 的生境类型分类研究以上研究 均 有 效 地 对 不 同 蝗 虫生境类型进行了监测在一定程度上揭示了生境因子与蝗虫发生的关系机理但这些研究大多是基于单一时相或几个时相数据进行监测 若能够充分利用多时相遥感信息提供的物候信息 则使一些基于光谱信息难以区分的生境有可能较好地监测出来
　　本 文 以 河 北 省 渤 海 新 区 为 研 究 区 在 合 理 构 建东亚飞蝗生境分类系统基础上 利 用 环 境 减 灾 小 卫星 数据及由其 计 算 得 到 的 时 间 序 列 数据使用不同的时 序 组 合 及 波 段 组 合 进 行 最 大 似 然法以及 决策树 插 件 分 类 并 对 各 种 分 类 结果进行比较选择适合研究区的最优生境分类方法第 卷 第 期年 月遥 感 技 术 与 应 用对东亚飞蝗生境进行了分类
　　研究区概况和生境类型
　　研究区概况
　　河北省渤海新区 包括黄骅市南大港农场和中捷人 民 友 谊 农 场 位 于 河 北 省 东 南 部 地 理 位 置东临渤海南西北分别与山东 沧州市区天津相邻研究区地貌类型为沼泽化滨海平原地 势 由 西 南 向东北倾斜海拔 坑 塘洼 淀 甚 多 境 内 盐 碱地广布 除小麦玉米棉花大豆和苜蓿等农田外在人工河道和引黄灌渠的两岸及坑塘洼 地 主 要 生长以芦苇为主的沼泽性植被 此外由碱蓬蒿类獐茅白茅和狗尾草等组成的荒草地分布广泛 芦 苇地和杂草荒地为东亚飞蝗的孳生提供了适宜的生存环境 根据蝗区 的 分 类 研究区属于东亚飞蝗易于频繁发生的滨海蝗区
　　东亚飞蝗生境类型
　　由于植物为东亚飞蝗提供了食物来源和栖息环境所以研究区组成生境类型的植被可以作为主导性分类依据 密 生 芦 苇 地 稀疏芦苇地和荒草地均是蝗虫常发区 域 密 生 芦 苇 地 植 被 以 芦 苇 为 主其覆盖度在 以 上植 株 高 度 平 均 可 达 芦苇地内部飞蝗密 度 较 小 但芦苇地之间的小路两侧密度很大芦苇为飞蝗最喜爱食物 稀疏芦苇地植被以 芦 苇 为 主 其 覆 盖 度 约 为 植 株 高 度 平 均飞蝗密度一般不大 但 高 于 密 生 芦 苇 地 夹荒地主要 分 布 在 农 田 间生 长 杂 草 为 东 亚 飞 蝗 产卵扩散和活动的重要场所研究区典型作物有小麦 玉米苜蓿果园棉花和大豆等但一般来说农田区域的耕作模式会导致蝗卵的成活率很 低 因此常年耕作的农田不属于蝗虫发生的滋生 地 但 若 蝗 虫 大 发 生 年 份 需 要 防 止蝗 虫 迁 飞 到 农 田 形 成 破 坏因 此 小 麦 玉 米 轮 作 农田果园大豆和棉 花 等 均 作 为 偶 发 蝗 区扩 散 区另外苜蓿作为一种经济作物 耐干旱耐盐碱且蝗虫不喜食可以看作是蝗虫不宜发生的生境这也是当地大量种植苜蓿进行生态治蝗的主要原因此外为了分 类 的 完 整 性 在 列 定 生 境 类 型 时将居民地道路和盐田水体也包括进来 这 样 既 包含了东亚飞蝗常 发 生 境 类 型偶发生境类型和不发生生境类型又保证了研究区域地物类型的完整性根据上述分析将研究区 东 亚 飞 蝗 生 境 分 为种类型密生芦苇地稀疏芦苇地夹荒地盐碱化荒草地盐 碱 地 小 麦 玉 米 轮 作 农 田 以 下 简 称 小麦 苜蓿居民地和道路盐田水体及其他耕地 其中适宜蝗虫滋生的主要类型为芦苇包括稀疏芦苇地和密生芦苇地 夹荒地和盐碱化荒草地研究方法研究数据及预处理本文采用的遥感数据为环境减灾小卫星的数据共 个波段空间分辨率为 数据采集时间为 年 月 月共 幅 图 像 所 使用的遥感数据均为二级图像产品 即 已 经 由 卫 星 地面站进行了标准大气辐射校正 散射校正并根据传感器的姿态参数进行了系统的几何校正消 除 了 部分因卫星姿态变化地球曲率地球自转和传感器老化等因素带来的几何畸变和辐射偏差下载得到的遥感数据已经过地面站的几何校正但有些地物在不同时相中的坐标仍有误差因此本文以研究 区 年 月 日 的 环 境 卫 星影像 为 基 准 在 模 块 中 对 另 外幅图像进行了配 准 几何配准的精度控制在个像元以内遥感所利用的各种辐射能均要与地球大气层发生相互作用 散射或吸收而使能量衰减并使光谱分布发生变化 大气校正是遥感影像辐射校正的主要内容是获得地表真实反射率必不可少的一步采用 中 大 气 校 正 模 块 进 行 遥感图像的大 气 校 正 模 块 是 基 于 大 气 辐射传输模型的大气校正软件通过输入下列参数 传感器几何参数经纬度信息成像时间传感器类型大气模式及气溶胶模式设置 光 谱 平 滑 水 汽 反 演水汽吸收特征和能见度等从而得到 个时相大气校正后的地表反射率数据选用归一化植 被 指 数 来辅助地物分类利用土地覆盖的季节性变化特征 可 选 用 季 相 性 变化的 指 数 对 土 地 覆 被 进 行 分 类 将 单 个 像元的 值按照一 定 的 时 间 顺 序 排 列就 能 够 得到像元一定时间范围内的 时 间 序 列 曲 线 由于 与植物的长势密切相关因 此 时 序反映了植物的生长状态和变化规律的一个过程 同时植被与非植被之间 各种不同的植被之间的变化曲线是不同的利 用 时 间 序 列 的 值 可第 期 孟庆辉等基于多时相遥感数据的东亚飞蝗生境分类研究以将不同地物很好地进行区分对 个时相的 研 究 区 图 像 分 别 进 行 运算将不 同 时 相 的 结 果 图 像 进 行 合 并 叠 加得到时序 数据分类多时相遥感数据的选择对于分类图像的选择 东亚飞蝗生境分类的主要依据是植 被 的 物 候 特 征 月 日 左 右 研 究 区冬小麦正值抽穗期 光谱特 征 明 显 处 于 极 大值 月 上 旬 冬 小 麦 成 熟 处 于 收 割 期 至 月 日左右基本收割完毕 急剧减 小而 月 中 下 旬是一般 植 被 生 长 茂 盛 的 季 节 达 到 最 大 值苜蓿为一年多熟 作 物 在 本 研 究 区 苜 蓿 一 般 月上旬第 三 季 成 熟 达 到 极 大 值 在 该 时 相 可以有效地区分出苜蓿和其他植被 因 此为 了 充 分利用遥感图像的波谱特征 分别选择了 月 日月 日 月 日和 月 日 幅图像的波段参与东亚飞蝗生境的遥感分类飞蝗喜好在稀疏植被或裸露地段活动成虫产卵地也喜好植被 稀 疏 地 段 喜 食 芦 苇 及 小 麦 等 植 被 也就是说植被状况与飞蝗有密切关系 而遥感植被指数能较好地反映植被生长及覆盖状况 因此本文还选用研究区时序 数据作为重要的飞蝗生境分类数据源 具体来说将 幅 数据叠加到一起形成时序 数据通过反 复 观 测选 择 了 月日 月 日 月 日 月 日 月 日 月日和 月 日 个时 相 的 图 像 作 为 最 终参与生境分类的时序 数据图像以下称为＿ 选 择 依 据 是 月份研究区冬小麦开始返 青 月 份 开 始 抽 穗 达 到 其 峰 值 而容易与其他植被区别出来 月份是植被生长旺盛季节均达到其光 谱 峰 值 但根据其覆盖度不同以及类别不同而存在峰值大小差异 月的图像 上 苜 蓿显示出光谱谷值 月份大多数植被开 始 凋 落 光 谱值很小但是 苜 蓿 处 于 第 三 成 熟 季 其 出 现 峰值 月份植被 光谱值普遍很低 另 外云 和云阴影对生境的分类影响很大 而所获得的研究数据中 月及 月 有 云 数 据 较 多 用 于 本 文 生 境 分 类 则比较困难 因此只 能 尽 量 挑 选 无 云 数 据 进 行 研 究以上 个时相包含了春夏秋初冬 基本反映了地物季相特征 选定时序数据后得到各 生 境 类 别 的光谱特征曲线图生境分类方法及分类方案分别选用两种 方 法 进 行 东 亚 飞 蝗 生 境 的 遥 感 监测基于最大似然法的监督分类方法和基于图 研究区各生境类别 光 谱 特 征决策树的分层 分 类 法 其 中监 督 分 类 又 称 训 练 分类法即用被确认 类 别 的 样 本 像 元 去 识 别 其 他 未 知类别像元的过程 最 大 似 然 法 是 根 据 训 练 样 本 的 均值和方差 来 评 价 其 他 像 元 和 训 练 类 别 之 间 的 相 似性其基本的数学公式是基于正态分布假设的 分层分类法即建立所谓的分类树 得 到 各 复 杂 地 物 景观的总体规律及内在联系 并 根 据 分 类 树 建 立 的 规则逐级分层次地把所研究的目标 区 分识 别 出来 是 软件下的一个决策树插件 运行原理基于 算 法基 于 自 带进行制 作 与 执 行 决 策 树 规 则 算 法 被称为专家系统并 提 供 一 种 方 法 非 参 数 化 地 确 定 层与层之间众多数据的统计关系 以 此 产 生 二 值 决 策树得到分类规则由于所采用 的 环 境 卫 星 数 据 波 段 较 少 只 有个波段仅靠光谱特征难以区分有些地物因此结合实地调查和 利 用 多 个 单 时 相 数 据 的光谱特征 和 序 列 的 时 相 特 征 进 行 了 训 练 区的选取 将选取 的 训 练 样 本 随 机 分 为 两 部 分 一 部分 用于训 练 一 部 分 用 于 精 度检验 基于 训 练 子 集 进 行 种 组 合 方 案 的 生境分类表 需 要 说 明 的 是 由 于 盐 田 水 体 这 一类别光谱 特 性 方 差 较 大主 要 由 种 水 体 组 成 河流洼塘和盐田所以分类时将盐田水体一类分别按水体 水体 盐田 个类别进行训练样本的选取分类结束后再将 类合并为盐田水体一类 为检验单一时相数据与多时相数据 单 纯 的 多 时 相 数 据 与时序 数据进行图像分类的精度以及优越性本文尝试了 种分类方案见表遥 感 技 术 与 应 用 第 卷表 研究区东亚飞蝗生境遥感分类方案序 号 组 合 方 案第 一 组 合 方 案 ＿最 大 似 然 法第 二 组 合 方 案 ＿ ＿最 大 似 然 法第 三 组 合 方 案 ＿ ＿ 分 类 树第 四 组 合 方 案 ＿ ＿ ＿ ＿ 分 类 树第一组 合 方 案 采 用 月 日 影 像 的 波段进行最大似然法分类 第 二 组 合 方 案 采 用 月日影像的 波段 与 时 序 影 像 ＿经叠加后得到的图像进行最大似然法分类第 三 组 合方 案 采 用 第 二 方 案 中 相 同 影 像 进 行 分 类树分类第 四 组 合 方 案 仅 采 用 月 月 月 和月 个时相的 波段影像相叠加所得图像进行分 类 树 分 类而 不 加 入 时 序 数据信息分类精度分析基于 以 上 个 分 类 结 果 以 相 同 的 验 证 子 集 为基础进行混淆矩阵法 和 检 验 法 精 度 验 证 分析表 其中 为 密 生 芦 苇 地 为 稀 疏 芦 苇地 为夹荒地 为盐碱化 荒 草 地 为 其 他 耕 地为小麦 为苜蓿 为 居 民 地 为 盐 碱 地 为 水体 为水体 为盐田表 ＿最大似然法分类精度评价表 方 案 一＿类 别错 分 误 差漏 分 误 差制 图 精 度用 户 精 度表 ＿ ＿最大似然法分类精度评价表 方 案 二＿ ＿类 别错 分 误 差漏 分 误 差制 图 精 度用 户 精 度表 ＿ ＿ 分类树分类精度评价表 方 案 三＿ ＿类 别错 分 误 差漏 分 误 差制 图 精 度用 户 精 度表 ＿ ＿ ＿ ＿ 分类树分类精度评价表 方 案 四＿ ＿ ＿ ＿类 别错 分 误 差漏 分 误 差制 图 精 度用 户 精 度由表 可见加入时序 数据的第二第三组合方案制图精度与用户精度整体高于第一第四组合方案单纯的多时相信息分类 第四组合方案结果优于单一时相分类第一组合方案 第二三四组第 期 孟庆辉等基于多时相遥感数据的东亚飞蝗生境分类研究合方案和单项生境分类精度之间相差较小对比 分 析 种 方 案 分 类 总 体 精 度 和 系数表 初步可看出方 案 一 与 方 案 二 三 相 比单一的 月遥感影像所进行的最大似然法分类精度低于添加了时序 数 据 的 ＿ ＿影 像 所进行的最大似然 法 及 分 类 树 分 层 分 类 法方案四与方案二 三相比基于 个时相的遥感影像进行分类所得精度较高但是单纯的多时相信息分类精度低 于 添 加 了 时 序 信 息 的 多 源 多 时 相遥感数据的 分 类 精 度 分 类 树 分 类 结 果 较均质多时相遥感信息的加入 使得分类精度整体较高各分类 方 法 方 差 较 小 即 差 别 较 小 通 过年和 年两次实地考察 第二分类组合方案所得结果更加符合研究区情况 图表 东亚飞蝗生境分类精度比较分 类 方 法 总 体 精 度 系 数＿最 大 似 然 法＿ ＿最 大 似 然 法＿ ＿ 分 类 树＿ ＿ ＿ ＿分 类 树图 黄骅地区东亚飞蝗生境分类结果图东亚飞蝗生境分类结果分析属于东亚飞蝗常发的生境类型主要是芦苇地包括稀疏芦苇地 和 密 生 芦 苇 地 夹荒地和盐碱化荒草地 通过以上 种分类方案得到研究区生境类别然后提取出适宜蝗虫发生的生境类型结合研究区的气候土壤水 分蝗 卵 密 度 等 数 据 一 方 面 可 以在蝗灾发生前锁定重点防治区域 在 蝗 灾 爆 发 后 定位灭蝗主要区域以及预测蝗灾漫延区域避 免 对 所有区域进行统计 监 测 节 约 人 力 物 力 另 一 方 面 依据东亚飞蝗常发生境区域的研究数据进 一 步 深 入研究蝗虫的发生与植被土壤地形和气候等各种因素的关系从根本上达到防蝗治蝗的目的 对 比种分类结果选取 第 二 组 合 方 案 所 得 到 的 研 究 区 生境分类图像对研究区适宜东亚飞蝗的生境 密生芦苇地稀疏芦苇地夹荒地和盐碱化荒草地进 行 面积统计得到研究 区 适 宜 蝗 虫 发 生 的 生 境 面 积 约 为约占研究区的
　　结 语
　　本文综合利 用 环 境 减 灾 小 卫 星 数 据 的 光谱信息和多时相信息分 别 利 用 最 大 似 然 法 和 决 策树方法进行了分类研究主要得到以下结论只利用单时相数据进 行 分 类 的 精 度 往 往 低于添加了 时 序 信 息 的 多 时 相 遥 感 数 据 的 分类精度使用多时 相 信 息 后 错 分漏 分 误 差 迅 速 降低分类精度得 到 很 大 提 高 多 时 相 遥 感 数 据 分 类可较好地解决异物同谱问题基于 插件的分层分类法总体分类精度较高且对于 东 亚 飞 蝗 生 境 各 类 别 间 分 类 差 距较小 但其分类精度较小的类别中 密生芦苇地稀疏芦苇地与盐碱化荒草地光谱特征较接近在 研 究区中也相互夹杂 可 能 是 总 体 精 度 略 低 于 最 大 似 然法的原因之一 同时在类别数据较多时 决策树分类方法的执行效率变低根据本文研究方法得 到 蝗 虫 发 生 所 涉 及 的重点区域芦苇地荒草地和夹荒地等 通过对比发现减少了占研究区面积 的非东亚飞蝗生境区域可为研究区蝗灾预防及监测带来极大便利避免人力物力资源的浪费也 将 极 大 提 高 蝗 灾 可 能 发生区域的定位速度
    参 考 文 献倪 绍 祥 环 青 海 湖 地 区 草 地 蝗虫遥感监测与预测 上 海上海科学技术出版社遥 感 技 术 与 应 用 第 卷石 瑞 香 刘 闯李 典谟等蝗 虫 生 境 监 测 方 法 研 究 进 展 生 态 学 报蒋 建 军倪 绍 祥韦 玉 春 辅 助 下 的环青海湖地区草地蝗虫生境分类研究 遥 感 学 报马 建 文 韩 秀 珍 哈 斯 巴 干等基于东亚飞蝗生育周期的遥感蝗灾监测新模式 遥 感学 报李 开 丽 倪 绍 祥东亚飞蝗生境的遥感分类 以河北省黄骅地区为例 地理 研 究第 期 孟庆辉等基于多时相遥感数据的东亚飞蝗生境分类研究