通过对Landsat数据进行分区建模，在新英格兰的低级Adelges tsugae虫害检测外文翻译资料

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环境遥感190（2017）13-25

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环境遥感

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通过对Landsat数据进行分区建模，在新英格兰的低级Adelges tsugae虫害检测

贾斯汀P.威廉姆斯 a,⁎，Ryan P. Hanavan b，Barrett N. Rock c，Subhash C.Minocha d，恩斯特林德 e

a美国新罕布什尔州达勒姆大学詹姆斯霍尔自然资源与环境系，NH 03824，美国

b美国林务局，森林健康保护，271 Mast Rd。，达勒姆，NH 03824，美国

c地球系统研究中心，新罕布什尔大学莫尔斯大厅，达勒姆，新罕布什尔州03824，美国

d美国新罕布什尔州达勒姆大学Rudman Hall生物科学系，NH 03824，美国

e新罕布什尔大学金斯伯里厅数学与统计系，新罕布什尔州达勒姆03284

文章 信息

文章历史：

2016年8月9日收到

以2016年11月23日修订版形式收到

接受日期为2016年12月12日

2016年12月18日在线提供

关键词：Landsat Adelges tsugae入侵物种NDVI

决策树分类

摘 要

铁杉羊毛甲（HWA）（半翅目：Adelges tsugae Annand）是一种入侵性昆虫，对美国东部的东部（Tsuga canadensis（L.）Carr。）和卡罗来纳州（Tsuga caroliniana Engelm。）铁杉树造成损害。 缅因州和新罕布什尔州目前是HWA范围的最北端。 开发方法来确定新近被感染的展台是监测HWA范围扩展的重中之重; 目前，最可靠的检测方法需要广泛的地面人工测量。 侵入性有害生物如HWA的实地调查消耗了多种资源，限制了可以调查的面积，结果往往歪曲了入侵的真实程度或斑块。 基于卫星的遥感利用植被指数，使我们能够在景观尺度上发现昆虫驱动的森林健康变化。 我们的目标是分析沿着侵扰前沿的HWA感染的铁杉遗址，并展示如何使用分类产品来改进HWA调查计划。 我们的工作包括：1）使用最大熵算法模拟铁杉栖息地适宜性; 2）制定决策树规则，对Landsat时间序列中可能受侵染的林分进行分类，利用栖息地适宜性模型来掩盖非铁杉地区; 和3）检查最终的分类产品。

铁杉栖息地适宜性模型达到了68.2％的整体准确性。 叶面多年（1995-2013）Landsat 5和8数据的划分导致7个感染类的概率为R2= 0.782。 分类与先前报告的HWA感染之间的协议在针叶林中为75.0％，在混合林中为33.3％，在落叶林中为50.0％。 分类和测试调查地点之间的协议是78.6％; 在距先前报告的虫害19公里远的地方发现了新的虫害。 介绍的方法概述了Landsat如何用于检测低水平的HWA感染。 像这样的分类产品最终可以被联邦和州机构用来针对特定地区进行有效的调查，压制和根除工作。

由Elsevier Inc.出版

  1. 介绍

Adelges tsugae Annand（半翅目：Adelgidae）是一种侵入性和破坏性昆虫，在美国东部。 东部（Tsuga canadensis（L.）Carr。）和卡罗来纳州（Tsuga caroliniana Eng。）铁杉都处于危险中，并且这两种物种的合并自然范围的大约一半目前受到侵染。 HWA的两年生和无性繁殖生物学，除了1-2毫米大小和风传播载体（埃文斯和Gregoire， 2007）自第一次被发现以来，已经导致了范围的迅速扩大

*通讯作者：美国森林服务南方研究站，775 Stone Blvd.，Box 9861，密西西比州，密西西比州39762，美国。

电子邮件地址： justinwilliams@fs.fed.us （JP Williams）， rhanavan02@fs.fed.us （RP Hanavan）， rock.bg@comcast.net （BN Rock）， subhash.minocha@unh.edu

（SC Minocha）， elinder@unh.edu （E. Linder）。

1951年弗吉尼亚州里士满市（Souto等，1995）。 目前，缅因州和新罕布什尔州是HWA范围的最北端。 在发生重大损害之前开发远程检测受感染林分的方法对于有效监测和管理这种有害生物的蔓延至关重要。

铁杉羊毛蚜通过摄食木质部射线薄壁组织中的淀粉储备和营养液，Young等，1995）。 损伤包括过早的针头损失，分支退化和随后的死亡率; 这种损害可能发生在15年以上（麦克卢尔，1991年），其时间和严重程度已显示与纬度呈负相关（Orwig等人， 2012）由于北方的冬季气温降低了HWA人口（Trotter和Shields，2009）。 在整个景观中，侵袭和造成的破坏往往是不规则的Mayer等人，2002; Orwig等人，2002）。 沿着侵扰前沿，高风险地区的地面调查是最可靠的早期检测工作。

http://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2016.12.005 0034-4257 /由Elsevier Inc.出版

自从2000年在新罕布什尔州朴茨茅斯首次发现HWA以来，监测HWA的工作包括州和联邦区域合作调查。 新罕布什尔州和缅因州在镇一级公布了由此产生的虫害地图; 联邦HWA感染地图是在州一级制作的。 在新罕布什尔州和缅因州，州运行调查使用的方法 哥斯达黎加和翁肯 (2006) 包括调查两个分支为100个树木中的每一个或更高风险的铁杉站在一个镇内。 高风险站位于邻近城镇的水体，旅行走廊，住房开发和侵扰附近（Struble等，2011）。 虽然这是一种检测到多种新感染的可靠方法，但也可能不充分，因为HWA可能存在于所选高风险调查点以外的地点，从而导致假阴性感染状态。 此外，通过这些调查产生的地图仅表明一个镇或县是否受到侵染，因此它们没有真实地表征整个景观的斑块分布。 因此，通过增加定位先前未知受侵染区域的机会，同时提供HWA侵染斑块和程度的景观尺度视角，可以远程检测出现被感染概率高的区域，从而减少调查的时间和成本。

几项研究调查了使用Landsat专题制图仪（TM）磁阻数据，转换和植被指数（VIs）来检测由HWA引起的铁杉下降。 罗伊尔和拉斯罗普（2002） 使用归一化差异植被指数（NDVI）和变化检测技术来确定新泽西州北部四类铁杉落叶的整体准确度为82％。 Bonneau等人 （1999年） 使用改良的土壤调整植被指数（MSAVI2）和聚类技术，在康涅狄格州确定四类铁杉健康，准确率达到82％。 在这两项研究中，由HWA引起的损害范围从新发生地区的轻度落叶（b 25％）到广泛的死亡率。 Jones等人 （2015） 在MaxEnt物种分布建模软件中使用周年纪念休假Landsat TM数据，转换和图像差异值以及辅助土壤和地形图层，以预测Delaware水峡国家游乐区的HWA损伤类别（AUC = 0.986） 。 我们的研究旨在改善早期感染症状的检测，重点放在HWA蔓延的北部地区，其中铁杉的落叶和死亡率已经很小。

在我们以前的工作中， Williams等人 （2016） 报道在六月和七月期间，与未侵染的铁杉相比，在可见光（400-680nm）和红边（680-750nm）光谱区域，HWA受侵染的当年树叶显着减少。 这被认为是更大的叶绿素浓度吸收更大的光能的结果。 数据表明，与叶绿素含量和膨胀率相关的波长或​​指数可能有助于发现早期的HWA感染。 更重要的是，这些数据表明，遥感数据收集的时间是至关重要的，因为在HWA在新叶子基地（6月下旬至7月在东北部）附着之后紧接着的几周内，叶片的抗逆性差异最大。 叶绿素和水分含量增加的假设包括主机对HWA的补偿性响应（转移资源分配）或HWA对主机的操纵（Goacute;mez等，2012).

在本研究的规划阶段，研究了变化检测方法，如图像差异和判别函数分析，作为从非侵染森林中分离HWA的可能手段。 当这个地区的铁杉森林发生变化的时间和空间发生得太慢而无法与其他变化源分离时，这些方法就被放弃了。 Vogelmann等人 （2016） 讨论监测渐变）。 随后对森林资源清查目的季节性Landsat数据决策树分析的出版物审查（Doucette等人，2009; Koch等人，2005; Lefsky等人，2001; 施里弗和康加顿，1995年）引发了使用多年Landsat数据的分区（决策树）建模来检测HWA的想法

使用一年中的“时间”和光谱指南列出了受感染的hemlock立场 Williams等人 （2016）.

通过分区建模的分类学习是有用的，因为它可以统计地识别数据中的非参数模式以开发硬分类规则（Doucette等，2009）。 尽管所使用的算法可能因软件或程序所有者而异，但一般而言，决策树通过将数据集递归划分为更均匀的子集来预测类成员资格（Defries和Chan，2000; 詹森 2005）。 然后可以将从分析得出的假设，规则和条件作为专家分类系统中的分类规则输入。

这项研究的目标是开发利用Landsat数据在重大落叶或死亡前在景观尺度上检测HWA侵染的铁杉的立场。 我们的目标是：1.划分沿着侵扰前沿的HWA受侵染的铁杉植物，2.展示最终产品如何用于协调可能受侵染的林分的地面调查。

  1. 方法
    1. 研究区域

这项研究的感兴趣区域包括新罕布什尔州南部和缅因州大约8800公里2（图。1）。 海拔从海岸0米到平均海拔889米。 该地区的森林类型包括由硬木如橡树（Quercus sp。），山核桃（Carya sp。）枫树（Acer sp。），桦树（Betula sp。）和山毛榉（Fagus）组成的北部梅里奇硬木和针叶树类型（松针），铁杉（铁杉加拿大）等软木材;

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