基于時間序列塔里木河中游胡楊林春尺蠖危害的遙感監測

邱 琳，王 蕾，羅 磊，鄭江華

(1.新疆大學資源與環境科學學院/新疆大學智慧城市與環境建模普通高校重點實驗室，烏魯木齊 830046；2.新疆林業科學院現代林業研究所， 烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】胡楊(Tugaiforest)是荒漠地區特有的珍貴森林資源，是自然界稀有的古老樹種之一。新疆生態環境脆弱，荒漠胡楊是塔里木河流域唯一喬木林，其生存生長對周邊動植物資源，區域經濟發展以及人類生活等，有著無與倫比的重要地位。近年來，該區域的胡楊林成為區域重要的旅游資源。因此，該區域的植被生長情況動態監測和開發保護研究，變得十分迫切。【前人研究進展】近年來國內外大面積的森林均受到病蟲害等的干擾[1]。對于不同尺度的森林病蟲害遙感監測，其影像數據的選擇也較為關鍵。MODIS 數據可獲取到的時間分辨率較高，空間分辨率較低，應用于中小尺度植被變化檢測區分植被和非植被有一定的局限性，而針對干旱半干旱地區的稀疏植被監測精度更是有待進一步提高[2]。Landsat系列數據分辨率適中，免費獲取，被廣泛地應用在森林變化監測方面[3-6]，但是由于其重訪周期的限制，對于短時間內可獲取到的影像數量用于植被動態監測，稍顯不足。QuickBird 等影像具有更高的時空分辨率，并且能很好的識別不同類型的植被，同時還能夠完成植被變化監測[7]，但高分辨率影像購買成本高，處理的數據量大。我國國產衛星HJ A/B星 CCD數據有較高的時間分辨率以及較優的空間分辨率，并且在環境監測，土地利用分類等各領域已經得到了廣泛的應用[8]。HJ A/B 星可在較短的時期內可獲得多時相CCD數據，這為中尺度森林病蟲害遙感監測提供了一定的精度保證。一些病蟲害對森林的擾動是持續的、周期性的，利用時間序列可監測森林持續干擾及恢復特征[9-12]、動態危害情況[13]等。因此，研究基于HJ A/B星 CCD數據來監測胡楊林蟲害。塔里木盆地胡楊以春尺蠖(Apocheimacinerarius)危害最為嚴重，是影響胡楊林生長發育的主要蟲害[14]。由于受春尺蠖危害，導致胡楊物候異常，出現“二次展葉”的現象[15]。近年來，分別從胡楊物候調查的角度闡述了其物候現狀，從病蟲害預測防治的角度，研究了春尺蠖的生物特性[16]，以及發生規律[17]?！颈狙芯壳腥朦c】目前，胡楊的生長情況，主要還是依靠人工定時定點的進行調查監測，而人工調查人力物力有限，并且所及區域范圍有限。新疆天然胡楊林面臨著干旱缺水和春尺蠖啃食的雙重威脅，需要發展能夠大面積有效監測胡楊林的方法，以監測該區域植被的病蟲害發生情況?！緮M解決的關鍵問題】基于HJ A/B星CCD數據時間序列，建立監測模型，探討分析HJ A/B星CCD數據在塔里木河中游胡楊林春尺蠖危害遙感監測的適用性。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 調查數據

研究區為塔里木河中游的塔里木胡楊國家級自然保護區，其位于新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁與輪臺兩縣境內，地處新疆巴音郭楞蒙古自治州西部、天山南麓、塔里木盆地北緣。屬戈壁荒漠、大陸性荒漠、半荒漠生物群落的類型，屬于暖溫帶大陸性干旱氣候，四季分明，冬季寒冷，夏季炎熱。研究對象為以天然胡楊為優勢種群的胡楊林，其空間分布特點呈明顯的沿河分布，由于氣候干燥少降水高溫，地表徑流較小，胡楊林郁閉度非常低，大致為0～0.4。

該區域為國家自然保護區，人為干擾相對較小，胡楊的生長除了會受到氣候和地下水等因素影響[18]，還會受到病蟲害影響，根據多年來各區域調查發現，主要危害胡楊生長的蟲害為春尺蠖[15，19]。春尺蠖是一種分布廣泛在中國北部和中亞地區的食葉害蟲[20]。新疆塔里木河流域以胡楊為優勢樹種的闊葉林，是塔里木河流域春尺蠖發生最適宜的植被類型[21]。大片的天然胡楊林，常常被春尺蠖幼蟲吃盡葉片，其危害對樹木生長的影響很大。特別是在長期干旱缺水的情況下，胡楊林長勢漸趨衰弱。春尺蠖蛹在土壤層20～50 cm的表面之下，接近胡楊樹干處越冬。當春季(2月下旬或3月)土壤溫度上升到0℃時，蛾破繭而出。雌雄交配后，在開口和寬松的樹皮下產下受精卵。幼蟲孵化并以楊樹的嫩芽和樹葉為食。從4月末到5月中旬，幼蟲進入土壤中化蛹，開始一個新的世代周期。其發生期早，危害期短，幼蟲發育快，食量大，常爆發成災，造成極大損失。在食料缺少的情況下，幼蟲還取食檉柳、白刺，也危害麥類、玉米、綠肥作物等。

野外調查數據包括2017年輪臺縣和尉犁縣標準地春尺蠖成蟲羽化進度、幼蟲密度。繪出樣地空間分布，共選取了30個樣地進行監測。(受遙感影像覆蓋面的影響，僅20個樣地監測點在遙感監測范圍內)。設定的每個采樣點調查面積3 335 m2(5畝)左右，以采樣點坐標為采樣中心，在標準地內隔幾株選一株的方法選取20株寄主樹做為調查標準樹。從各標準樹的上、中、下部，東、南、西、北方向，選取50 cm標準枝一枝，在地面上鋪一塊1 m2的白布，將剪下的標準枝在白布上用剪枝剪輕擊幾下，幼蟲全部落在白布上，檢查各齡幼蟲數量、死蟲數、感病數、寄生數、將調查結果填入表。圖1，表1

由于該地區4月20日左右開始進行開展春尺蠖飛防作業，因此，春尺蠖幼蟲密度數據只獲取了，從3月底至4月20日春尺蠖幼蟲監測數據。觀察春尺蠖成蟲羽化進度，是為了更及時的觀察春尺蠖幼蟲孵化情況，其中輪臺縣幼蟲監測日期為4月2日、4月3日、4月10日、4月11日、4月13日、4月17日、4月18日、4月20日。尉犁縣幼蟲監測日期為4月5日、4月9日、4月13日、4月15日。

1.1.2 矢量數據

研究中使用了縣級行政區界線和以胡楊為優勢種群的河岸林空間分布圖，數據均來自新疆林業科學院。其胡楊林空間分布圖層包含，按林班調查的胡楊林郁閉度等信息。

圖1 研究區及采樣點示意
Fig.1 study area and sampling points sketch map

1.1.3 遙感影像

塔里木流域胡楊林擾動主要發生在春季[17]，研究選用2017年3～6月的HJ-1 A/B CCD影像數據，遙感影像空間分辨率為30 m，時間分辨率為2 d，研究區無云的遙感影像，數據來源于中國資源環境衛星應用中心(http://www.cresda.com/CN/)。使用ENVI5.2軟件對遙感影像進行輻射定標，大氣校正和正射校正以及影像配準。影像配準是采取基于控制點的二次多項式方法，使其配準精度控制在1個像元之內。表1

表1 影像數據
Table 1 list of image datas

序號NumberHJ星影像HJsatelliteimage1HJ1A-CCD1-41-64-20170321-L200030893442HJ1B-CCD1-39-64-20170411-L200031123463HJ1B-CCD2-40-64-20170427-L200031156354HJ1B-CCD1-41-64-20170506-L200031282335HJ1A-CCD1-41-64-20170514-L200031300086HJ1B-CCD1-40-64-20170604-L20003145005

1.2 方 法

1.2.1 蟲口密度

蟲口密度表示每單位蟲子的數量，常用于蟲災防治和統計工作。研究中統計50 cm標準枝上蟲子的數量。

(1)

式(1)中，D表示各樣地平均蟲口密度，單位為頭/50 cm標準枝；n表示各樣地每枝50 cm標準枝上的活蟲數量，N表示各樣地所取50 cm標準枝的數量。

使用arcgis10.2的空間分析模塊中的IDW(Inverse Distance Weighted)插值方法，對蟲口密度數據進行IDW插值運算，得到研究區春尺蠖蟲口密度空間分布圖。

1.2.2 受害區域提取

研究使用植被指數NDVI，基于HJ星時間序列對胡楊林春尺蠖災害進行遙感監測，分析該指數對該研究區的病蟲害擾動信息提取精度，以試驗出適用于該研究區胡楊林擾動信息提取的監測模型。

(2)

式(2)中，NIR和IR分別為HJ星的B4近紅外波段和B3紅波段。

為了提取NDVI時間序列中各時相植被的動態變化，先嘗試著提取NDVI變化差異[19，22]來進行胡楊林擾動監測：

(3)

式(3)中，dNDVI為NDVI突變監測值；NDVIt為時間序列中t時期NDVI值；NDVIt+1為時間序列中t+1時期NDVI值；t=1,2,3,4,5,6。該指數主要用于監測春季胡楊林NDVI異常，當NDVI△t為負值時說明NDVI曲線在上升過程中發生突變。當胡楊失葉率達到最高時，胡楊受害達到頂峰(Tii)，胡楊被危害最為嚴重，表現為NDVI降至最低。圖2

注：物候： A-開花期，B-第一次展葉，C-落葉期，D-第二次展葉期，E-果熟期

Note：Phenological Seasons: A - Flowering, B - First Foliation, C-Defoliation due to Apocheima cinerarius,D- Second Foliation, E-Leaf growth under crown closure

圖2 隨時間變化受害胡楊的NDVI
Fig.2 Schematic representation of insect infestation and the altered NDVI curve over time

1.2.3 受害區域提取精度評價

由于春尺蠖是一種周期性食葉害蟲，除了要驗證胡楊受害時間與春尺蠖的發生是否同步，還需驗證胡楊林受害區域的監測精度。在arcgis10.2中使用雙線性內插法，提取了20個樣地監測點每一時期的dNDVI值。dNDVI≤0的區域為受害區，dNDVI>0的區域被認為是非受害區。為了驗證遙感監測胡楊受害區空間分布精度，研究使用監測結果準確度精度評價公式進行精度驗證。公式為：

(4)

式(4)中，Tt表示t時期監測結果的準確度。

2 結果與分析

>2.1 胡楊林受害發生時間監測

從胡楊NDVI的變化來看，2017年3月21日～5月14日期間，NDVI變化較小，增長較為緩慢，2017年5月14日～6月4日，NDVI明顯變化較大，增長較快。2017年4月27日前，胡楊林NDVI總體呈上升趨勢，而2017年4月27日～5月14日，胡楊林NDVI平均值明顯下降，5月14日～6月4日其NDVI再次升高。通過對塔里木河下游胡楊林物候進行觀測研究得知，3月下旬胡楊林開始發芽，第一次展葉期為4月4日～5月1日，第二次展葉期為5月13日～6月4日[15]。圖3

從春尺蠖發生時間來看，輪臺縣樣地監測發現3月31日春尺蠖出現幼蟲，而尉犁縣監測樣地在4月初左右開始出現幼蟲。4月11日輪臺縣監測樣點以2齡蟲所占比例最多為59.29%，1齡蟲次之為40.71%，4月15日而尉犁縣樣地監測點以1齡蟲比例所占最大，92.33%。4月20日前后，輪臺縣春尺蠖幼蟲以2齡、3齡蟲為主，其分別占比為55.87%、41.13%，4月下旬春尺蠖幼蟲孵化結束，春尺蠖幼蟲數量達到最大，此時春尺蠖幼蟲取食胡楊葉片量激增。新疆春尺蠖幼蟲發育歷期為28～38 d[16]，每齡幼蟲平均持續7 d左右，發育至5月初時，雖然部分老熟的春尺蠖逐漸入土，但春尺蠖幼蟲發育至以4齡、5齡為主，其取食量達到最大，對胡楊的危害依舊較大。4月下旬至5月上旬胡楊受春尺蠖幼蟲危害最為嚴重，因受春尺蠖幼蟲持續危害，于5月中旬樹勢降至最低，至5月中旬后胡楊幾乎不再受春尺蠖危害。從時間上來看，胡楊受害時間和春尺蠖幼蟲發育進度時間結果較為一致，且這一結果與較多研究相同[17,22-23]。圖4

圖3 2017年3月21日至6月4日胡楊林NDVI空間分布
Fig.3 The average NDVI values of Tugai forest from Morch 21, 2017 to June 4, 2017

注： 4月3日、4月5日、4月13日、4月15日為尉犁縣春尺蠖幼蟲密度調查結果；4月2日、4月9日、4月10日、4月11日、4月17日、4月18日、4月19日為輪臺縣春尺蠖幼蟲密度調查結果

Note: In April 3rd, April 5th, April 13th, April 15th, the density survey results ofApocheimacinerariuslarvae in YuLi County; in April 2nd, April 9th, April 10th, April 11th, April 17th, April 18th, April 19th for the Density survey results ofApocheimacinerariuslarvae in LunTai County

圖4 春尺蠖幼蟲發育進度與各時期平均NDVI值
Fig.4 The development of the larvae of Inchworm and the average NDVI value of each period

2.2 胡楊林受害區域監測

4月上旬，僅較少區域發生NDVI突變(dNDVI<0的區域較少)，胡楊NDVI總體依舊呈上升趨勢(dNDVI>0區域較多)(圖5a)，至4月下旬至5月中旬，dNDVI<0范圍明顯增加(圖3bcd)，5月下旬至6月上旬極大多數區域表現為NDVI正常。4月中旬研究區西側輪臺縣胡楊林出現大范圍NDVI突變，東側尉犁縣幾乎沒有出現NDVI突變(圖4b)，于4月下旬至5月上旬時期，尉犁縣東側胡楊林出現大范圍突變(圖4c)。同時可以看到，4月下旬至5月中旬NDVI突變區域范圍最大(圖c、d)。圖4，圖5

圖5 2017年3月21日至6月4日胡楊林dNDVI空間分布
Fig.5 dNDVI values of Tugai forests from March 21, 2017 to June 4,2017

在arcgis10.2中對采樣點蟲口密度進行IDW空間插值，得到研究區春尺蠖蟲口密度變化空間分布。從春尺蠖發生數量上看，研究區西側輪臺縣域和東側尉犁縣域分別在不同時期呈現出較高的蟲口密度區。在4月初時研究區西側輪臺縣采樣點春尺蠖發生較早且其蟲口密度多于東側(圖6a)。隨著春尺蠖幼蟲逐漸孵化，4月中旬時研究區東側的尉犁縣春尺蠖蟲口密度逐漸高于其它區域(圖6c)。由春尺蠖幼蟲調查結果可以發現，研究區西側輪臺縣春尺蠖幼蟲孵化較早，較早開始危害胡楊，而東側尉犁縣春尺蠖孵化較晚，相對較晚危害胡楊。圖5，圖6

根據采樣點監測，4月上旬至5月中旬，春尺蠖幼蟲大量蠶食胡楊葉片，胡楊葉片的缺失會導致胡楊NDVI下降(dNDVI<0)。5月初，部分老熟的春尺蠖幼蟲開始入土，至5月下旬春尺蠖幼蟲基本全部入土，胡楊不再受春尺蠖幼蟲危害，開始二次展葉，其NDVI會逐漸升高(dNDVI>0)。由此，在4月上旬至5月中旬期間，各樣地均受到不同程度的春尺蠖幼蟲危害，因此，各樣地被認為是受害區(即NDVI突變區，dNDVI<0)，5月中旬至6月各樣地不再受春尺蠖幼蟲危害，并開始二次展葉，因而被認為是非受害區(即NDVI正常區，dNDVI>0)。根據式(4)監測精度評價得到各時期遙感監測精度評價結果，20170411-20170326時期、20170427-20170411時期，此方法監測精度較低，準確度為5%、30%，而20170506-20170427時期、20170514-20170506時期，準確性最高可達到85%，胡楊恢復監測精度為75%。表3

注：T1時期為：4月2日至4月5日；T2時期為：4月9日至4月11日；T3時期為：4月13日至4月15日；T4時期為：4月17日至4月20日

Note: The T1 period was from April 2nd to April 5th; the T2 period was April 9th to April 11th, and the T3 period was April 13th to April 15th, and the T4 period was from April 17th to April 20th

圖6 輪臺縣與尉犁縣春尺蠖蟲口密度變化空間分布
Fig.6 The distribution of Luntai county and Yuli County monitoring points like the number of insect changes in space表2 受害區監測精度評價
Table 2 Accuracy evaluation of pest area

dNDVI日期2017.03.26-2017.04.112017.04.11-2017.04.272017.04.27-2017.05.062017.05.06-2017.05.142017.05.14-2017.06.04監測精度5%30%65%85%75%

3 討 論

3.1 由胡楊林受害發生時間監測結果可知，此期間胡楊林的NDVI值下降與春尺蠖的危害存在一定的關系，雖然單從時間上來看不能表示胡楊NDVI下降完全受春尺蠖危害導致，但是結合受害區域監測驗證來看，HJ星遙感監測的有一定的可行性和可靠性。檢測出了主要受害時間及受害區空間分布，但其監測精度有待提高。受實際調查數據量的限制，暫時無法驗證受害區域的總面積和受害區的受害程度等。受所能使用的影像時間分辨率限制，單從胡楊NDVI變化來看，暫不能確定胡楊第一次展葉時期NDVI峰值的具體日期，也無法確定胡楊林受害頂峰的具體日期。

3.2 在不同時期其監測精度不同,這是由于3月下旬至4月中旬時期，胡楊處于開花期和第一次展葉期，春尺蠖幼蟲以1齡、2齡為主，春尺蠖食量較小，對胡楊危害較小，胡楊NDVI依舊呈現上升趨勢。至4月下旬至5月中旬，春尺蠖幼蟲以3齡、4齡、5齡為主，春尺蠖幼蟲孵化結束，此期間春尺蠖幼蟲數量達到頂峰，并且隨著其老熟，短時間內取食量激增，待一棵樹蠶食光之后，幼蟲吐絲借助風力蕩到其它樹上，繼續進行大量蠶食，胡楊被危害程度加重且危害的范圍擴大[16]，嚴重造成枝條干枯，樹勢衰弱，導致大面積胡楊林呈大面積受害，胡楊NDVI值明顯下降。5月中旬至6月上旬，春尺蠖幾乎完全老熟入土后，胡楊恢復增長趨勢，開始二次展葉，NDVI再次上升。由于分辨率較低，使得在一段時間內變化差異較大的NDVI突變，監測精度較高，而對于NDVI變化差異較小的區域，其監測精度較低。

3.3 監測精度較低除受到影像時間分辨率和空間分辨率的影響，還受到其它病蟲害及干旱等其它因素的影響。雖然研究區胡楊主要受春尺蠖危害，但是也不乏其它病蟲害對胡楊生長造成干擾，因而，研究中僅使用春尺蠖幼蟲發育監測數據進行精度驗證也會造成一定的誤差，若能直接獲取反映胡楊失葉情況的調查數據，并且詳細調查導致胡楊失葉的其它影響因子，更有利于后續結果分析和精度評價。由于塔里木河中游年內水資源分配極不平衡，年總降水量的70%集中于夏季(6～9月)[24]，不同區域所受干旱影響度不盡相同，尤其是遠離河干道等區域干旱更為嚴重，春季干旱對于胡楊生長可能也會造成一定干擾。

3.4 研究僅作為塔里木河中游胡楊林春尺蠖危害遙感監測的初步嘗試，其精度還有待于提高。而高精度的遙感監測需要基于高時間分辨率和高空間分辨影像以及更優的胡楊林擾動監測模型來實現。今后研究應考慮結合高時間分辨率和高空間分辨率影像各自優點[25-26]，通過融合算法[27-28]，合成高質量的時間序列影像，結合更優監測模型來實現高精度低成本的監測方法。

4 結 論

4.1 我國HJ A/B CCD數據可以用于塔里木河中游胡楊林春尺蠖危害監測。當胡楊林在短時期內被危害較為嚴重時其監測精度高達85%。但是，受影像空間分辨率的限制，短時間內當危害程度較輕時，其監測精度較低為5%。

4.2 受害胡楊林NDVI變化發生異常主要發生在4月下旬至5月中旬。由于NDVI反映的胡楊受害頂峰時期與春尺蠖幼蟲發育達到高峰期在時間上存在滯后性，春尺蠖幼蟲4月下旬為高峰期，而胡楊受害未達到受害頂峰，至5月中旬胡楊林受害接近頂峰時期。受影像分辨率限制，暫無法確定胡楊受害達頂峰的具體日期，通過此次監測只得到兩時期的大致時間范圍。

4.3 4月中旬至5月上旬，春尺蠖幼蟲以3齡、4齡、5齡為主時，是胡楊林被春尺蠖嚴重危害的主要時期。從空間上來看，胡楊林受害與否在不同時間和空間上均存在差異，研究區西側輪臺縣春尺蠖幼蟲發育較早，胡楊林較先受到春尺蠖嚴重危害，東側尉犁縣春尺蠖發育較晚，胡楊林后受到春尺蠖嚴重危害。

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