基于时间序列塔里木河中游胡杨林春尺蠖危害的遥感监测

邱 琳，王 蕾，罗 磊，郑江华

(1.新疆大学资源与环境科学学院/新疆大学智慧城市与环境建模普通高校重点实验室，乌鲁木齐 830046；2.新疆林业科学院现代林业研究所， 乌鲁木齐 830000)

0 引 言

【研究意义】胡杨(Tugaiforest)是荒漠地区特有的珍贵森林资源，是自然界稀有的古老树种之一。新疆生态环境脆弱，荒漠胡杨是塔里木河流域唯一乔木林，其生存生长对周边动植物资源，区域经济发展以及人类生活等，有着无与伦比的重要地位。近年来，该区域的胡杨林成为区域重要的旅游资源。因此，该区域的植被生长情况动态监测和开发保护研究，变得十分迫切。【前人研究进展】近年来国内外大面积的森林均受到病虫害等的干扰[1]。对于不同尺度的森林病虫害遥感监测，其影像数据的选择也较为关键。MODIS 数据可获取到的时间分辨率较高，空间分辨率较低，应用于中小尺度植被变化检测区分植被和非植被有一定的局限性，而针对干旱半干旱地区的稀疏植被监测精度更是有待进一步提高[2]。Landsat系列数据分辨率适中，免费获取，被广泛地应用在森林变化监测方面[3-6]，但是由于其重访周期的限制，对于短时间内可获取到的影像数量用于植被动态监测，稍显不足。QuickBird 等影像具有更高的时空分辨率，并且能很好的识别不同类型的植被，同时还能够完成植被变化监测[7]，但高分辨率影像购买成本高，处理的数据量大。我国国产卫星HJ A/B星 CCD数据有较高的时间分辨率以及较优的空间分辨率，并且在环境监测，土地利用分类等各领域已经得到了广泛的应用[8]。HJ A/B 星可在较短的时期内可获得多时相CCD数据，这为中尺度森林病虫害遥感监测提供了一定的精度保证。一些病虫害对森林的扰动是持续的、周期性的，利用时间序列可监测森林持续干扰及恢复特征[9-12]、动态危害情况[13]等。因此，研究基于HJ A/B星 CCD数据来监测胡杨林虫害。塔里木盆地胡杨以春尺蠖(Apocheimacinerarius)危害最为严重，是影响胡杨林生长发育的主要虫害[14]。由于受春尺蠖危害，导致胡杨物候异常，出现“二次展叶”的现象[15]。近年来，分别从胡杨物候调查的角度阐述了其物候现状，从病虫害预测防治的角度，研究了春尺蠖的生物特性[16]，以及发生规律[17]。【本研究切入点】目前，胡杨的生长情况，主要还是依靠人工定时定点的进行调查监测，而人工调查人力物力有限，并且所及区域范围有限。新疆天然胡杨林面临着干旱缺水和春尺蠖啃食的双重威胁，需要发展能够大面积有效监测胡杨林的方法，以监测该区域植被的病虫害发生情况。【拟解决的关键问题】基于HJ A/B星CCD数据时间序列，建立监测模型，探讨分析HJ A/B星CCD数据在塔里木河中游胡杨林春尺蠖危害遥感监测的适用性。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 调查数据

研究区为塔里木河中游的塔里木胡杨国家级自然保护区，其位于新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁与轮台两县境内，地处新疆巴音郭楞蒙古自治州西部、天山南麓、塔里木盆地北缘。属戈壁荒漠、大陆性荒漠、半荒漠生物群落的类型，属于暖温带大陆性干旱气候，四季分明，冬季寒冷，夏季炎热。研究对象为以天然胡杨为优势种群的胡杨林，其空间分布特点呈明显的沿河分布，由于气候干燥少降水高温，地表径流较小，胡杨林郁闭度非常低，大致为0～0.4。

该区域为国家自然保护区，人为干扰相对较小，胡杨的生长除了会受到气候和地下水等因素影响[18]，还会受到病虫害影响，根据多年来各区域调查发现，主要危害胡杨生长的虫害为春尺蠖[15，19]。春尺蠖是一种分布广泛在中国北部和中亚地区的食叶害虫[20]。新疆塔里木河流域以胡杨为优势树种的阔叶林，是塔里木河流域春尺蠖发生最适宜的植被类型[21]。大片的天然胡杨林，常常被春尺蠖幼虫吃尽叶片，其危害对树木生长的影响很大。特别是在长期干旱缺水的情况下，胡杨林长势渐趋衰弱。春尺蠖蛹在土壤层20～50 cm的表面之下，接近胡杨树干处越冬。当春季(2月下旬或3月)土壤温度上升到0℃时，蛾破茧而出。雌雄交配后，在开口和宽松的树皮下产下受精卵。幼虫孵化并以杨树的嫩芽和树叶为食。从4月末到5月中旬，幼虫进入土壤中化蛹，开始一个新的世代周期。其发生期早，危害期短，幼虫发育快，食量大，常爆发成灾，造成极大损失。在食料缺少的情况下，幼虫还取食柽柳、白刺，也危害麦类、玉米、绿肥作物等。

野外调查数据包括2017年轮台县和尉犁县标准地春尺蠖成虫羽化进度、幼虫密度。绘出样地空间分布，共选取了30个样地进行监测。(受遥感影像覆盖面的影响，仅20个样地监测点在遥感监测范围内)。设定的每个采样点调查面积3 335 m2(5亩)左右，以采样点坐标为采样中心，在标准地内隔几株选一株的方法选取20株寄主树做为调查标准树。从各标准树的上、中、下部，东、南、西、北方向，选取50 cm标准枝一枝，在地面上铺一块1 m2的白布，将剪下的标准枝在白布上用剪枝剪轻击几下，幼虫全部落在白布上，检查各龄幼虫数量、死虫数、感病数、寄生数、将调查结果填入表。图1，表1

由于该地区4月20日左右开始进行开展春尺蠖飞防作业，因此，春尺蠖幼虫密度数据只获取了，从3月底至4月20日春尺蠖幼虫监测数据。观察春尺蠖成虫羽化进度，是为了更及时的观察春尺蠖幼虫孵化情况，其中轮台县幼虫监测日期为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。尉犁县幼虫监测日期为4月5日、4月9日、4月13日、4月15日。

1.1.2 矢量数据

研究中使用了县级行政区界线和以胡杨为优势种群的河岸林空间分布图，数据均来自新疆林业科学院。其胡杨林空间分布图层包含，按林班调查的胡杨林郁闭度等信息。

图1 研究区及采样点示意
Fig.1 study area and sampling points sketch map

1.1.3 遥感影像

塔里木流域胡杨林扰动主要发生在春季[17]，研究选用2017年3～6月的HJ-1 A/B CCD影像数据，遥感影像空间分辨率为30 m，时间分辨率为2 d，研究区无云的遥感影像，数据来源于中国资源环境卫星应用中心(http://www.cresda.com/CN/)。使用ENVI5.2软件对遥感影像进行辐射定标，大气校正和正射校正以及影像配准。影像配准是采取基于控制点的二次多项式方法，使其配准精度控制在1个像元之内。表1

表1 影像数据
Table 1 list of image datas

序号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 虫口密度

虫口密度表示每单位虫子的数量，常用于虫灾防治和统计工作。研究中统计50 cm标准枝上虫子的数量。

(1)

式(1)中，D表示各样地平均虫口密度，单位为头/50 cm标准枝；n表示各样地每枝50 cm标准枝上的活虫数量，N表示各样地所取50 cm标准枝的数量。

使用arcgis10.2的空间分析模块中的IDW(Inverse Distance Weighted)插值方法，对虫口密度数据进行IDW插值运算，得到研究区春尺蠖虫口密度空间分布图。

1.2.2 受害区域提取

研究使用植被指数NDVI，基于HJ星时间序列对胡杨林春尺蠖灾害进行遥感监测，分析该指数对该研究区的病虫害扰动信息提取精度，以试验出适用于该研究区胡杨林扰动信息提取的监测模型。

(2)

式(2)中，NIR和IR分别为HJ星的B4近红外波段和B3红波段。

为了提取NDVI时间序列中各时相植被的动态变化，先尝试着提取NDVI变化差异[19，22]来进行胡杨林扰动监测：

(3)

式(3)中，dNDVI为NDVI突变监测值；NDVIt为时间序列中t时期NDVI值；NDVIt+1为时间序列中t+1时期NDVI值；t=1,2,3,4,5,6。该指数主要用于监测春季胡杨林NDVI异常，当NDVI△t为负值时说明NDVI曲线在上升过程中发生突变。当胡杨失叶率达到最高时，胡杨受害达到顶峰(Tii)，胡杨被危害最为严重，表现为NDVI降至最低。图2

注：物候： A-开花期，B-第一次展叶，C-落叶期，D-第二次展叶期，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

图2 随时间变化受害胡杨的NDVI
Fig.2 Schematic representation of insect infestation and the altered NDVI curve over time

1.2.3 受害区域提取精度评价

由于春尺蠖是一种周期性食叶害虫，除了要验证胡杨受害时间与春尺蠖的发生是否同步，还需验证胡杨林受害区域的监测精度。在arcgis10.2中使用双线性内插法，提取了20个样地监测点每一时期的dNDVI值。dNDVI≤0的区域为受害区，dNDVI>0的区域被认为是非受害区。为了验证遥感监测胡杨受害区空间分布精度，研究使用监测结果准确度精度评价公式进行精度验证。公式为：

(4)

式(4)中，Tt表示t时期监测结果的准确度。

2 结果与分析

>2.1 胡杨林受害发生时间监测

从胡杨NDVI的变化来看，2017年3月21日～5月14日期间，NDVI变化较小，增长较为缓慢，2017年5月14日～6月4日，NDVI明显变化较大，增长较快。2017年4月27日前，胡杨林NDVI总体呈上升趋势，而2017年4月27日～5月14日，胡杨林NDVI平均值明显下降，5月14日～6月4日其NDVI再次升高。通过对塔里木河下游胡杨林物候进行观测研究得知，3月下旬胡杨林开始发芽，第一次展叶期为4月4日～5月1日，第二次展叶期为5月13日～6月4日[15]。图3

从春尺蠖发生时间来看，轮台县样地监测发现3月31日春尺蠖出现幼虫，而尉犁县监测样地在4月初左右开始出现幼虫。4月11日轮台县监测样点以2龄虫所占比例最多为59.29%，1龄虫次之为40.71%，4月15日而尉犁县样地监测点以1龄虫比例所占最大，92.33%。4月20日前后，轮台县春尺蠖幼虫以2龄、3龄虫为主，其分别占比为55.87%、41.13%，4月下旬春尺蠖幼虫孵化结束，春尺蠖幼虫数量达到最大，此时春尺蠖幼虫取食胡杨叶片量激增。新疆春尺蠖幼虫发育历期为28～38 d[16]，每龄幼虫平均持续7 d左右，发育至5月初时，虽然部分老熟的春尺蠖逐渐入土，但春尺蠖幼虫发育至以4龄、5龄为主，其取食量达到最大，对胡杨的危害依旧较大。4月下旬至5月上旬胡杨受春尺蠖幼虫危害最为严重，因受春尺蠖幼虫持续危害，于5月中旬树势降至最低，至5月中旬后胡杨几乎不再受春尺蠖危害。从时间上来看，胡杨受害时间和春尺蠖幼虫发育进度时间结果较为一致，且这一结果与较多研究相同[17,22-23]。图4

图3 2017年3月21日至6月4日胡杨林NDVI空间分布
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日为尉犁县春尺蠖幼虫密度调查结果；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日为轮台县春尺蠖幼虫密度调查结果

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

图4 春尺蠖幼虫发育进度与各时期平均NDVI值
Fig.4 The development of the larvae of Inchworm and the average NDVI value of each period

2.2 胡杨林受害区域监测

4月上旬，仅较少区域发生NDVI突变(dNDVI<0的区域较少)，胡杨NDVI总体依旧呈上升趋势(dNDVI>0区域较多)(图5a)，至4月下旬至5月中旬，dNDVI<0范围明显增加(图3bcd)，5月下旬至6月上旬极大多数区域表现为NDVI正常。4月中旬研究区西侧轮台县胡杨林出现大范围NDVI突变，东侧尉犁县几乎没有出现NDVI突变(图4b)，于4月下旬至5月上旬时期，尉犁县东侧胡杨林出现大范围突变(图4c)。同时可以看到，4月下旬至5月中旬NDVI突变区域范围最大(图c、d)。图4，图5

图5 2017年3月21日至6月4日胡杨林dNDVI空间分布
Fig.5 dNDVI values of Tugai forests from March 21, 2017 to June 4,2017

在arcgis10.2中对采样点虫口密度进行IDW空间插值，得到研究区春尺蠖虫口密度变化空间分布。从春尺蠖发生数量上看，研究区西侧轮台县域和东侧尉犁县域分别在不同时期呈现出较高的虫口密度区。在4月初时研究区西侧轮台县采样点春尺蠖发生较早且其虫口密度多于东侧(图6a)。随着春尺蠖幼虫逐渐孵化，4月中旬时研究区东侧的尉犁县春尺蠖虫口密度逐渐高于其它区域(图6c)。由春尺蠖幼虫调查结果可以发现，研究区西侧轮台县春尺蠖幼虫孵化较早，较早开始危害胡杨，而东侧尉犁县春尺蠖孵化较晚，相对较晚危害胡杨。图5，图6

根据采样点监测，4月上旬至5月中旬，春尺蠖幼虫大量蚕食胡杨叶片，胡杨叶片的缺失会导致胡杨NDVI下降(dNDVI<0)。5月初，部分老熟的春尺蠖幼虫开始入土，至5月下旬春尺蠖幼虫基本全部入土，胡杨不再受春尺蠖幼虫危害，开始二次展叶，其NDVI会逐渐升高(dNDVI>0)。由此，在4月上旬至5月中旬期间，各样地均受到不同程度的春尺蠖幼虫危害，因此，各样地被认为是受害区(即NDVI突变区，dNDVI<0)，5月中旬至6月各样地不再受春尺蠖幼虫危害，并开始二次展叶，因而被认为是非受害区(即NDVI正常区，dNDVI>0)。根据式(4)监测精度评价得到各时期遥感监测精度评价结果，20170411-20170326时期、20170427-20170411时期，此方法监测精度较低，准确度为5%、30%，而20170506-20170427时期、20170514-20170506时期，准确性最高可达到85%，胡杨恢复监测精度为75%。表3

注：T1时期为：4月2日至4月5日；T2时期为：4月9日至4月11日；T3时期为：4月13日至4月15日；T4时期为：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

图6 轮台县与尉犁县春尺蠖虫口密度变化空间分布
Fig.6 The distribution of Luntai county and Yuli County monitoring points like the number of insect changes in space表2 受害区监测精度评价
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监测精度5%30%65%85%75%

3 讨 论

3.1 由胡杨林受害发生时间监测结果可知，此期间胡杨林的NDVI值下降与春尺蠖的危害存在一定的关系，虽然单从时间上来看不能表示胡杨NDVI下降完全受春尺蠖危害导致，但是结合受害区域监测验证来看，HJ星遥感监测的有一定的可行性和可靠性。检测出了主要受害时间及受害区空间分布，但其监测精度有待提高。受实际调查数据量的限制，暂时无法验证受害区域的总面积和受害区的受害程度等。受所能使用的影像时间分辨率限制，单从胡杨NDVI变化来看，暂不能确定胡杨第一次展叶时期NDVI峰值的具体日期，也无法确定胡杨林受害顶峰的具体日期。

3.2 在不同时期其监测精度不同,这是由于3月下旬至4月中旬时期，胡杨处于开花期和第一次展叶期，春尺蠖幼虫以1龄、2龄为主，春尺蠖食量较小，对胡杨危害较小，胡杨NDVI依旧呈现上升趋势。至4月下旬至5月中旬，春尺蠖幼虫以3龄、4龄、5龄为主，春尺蠖幼虫孵化结束，此期间春尺蠖幼虫数量达到顶峰，并且随着其老熟，短时间内取食量激增，待一棵树蚕食光之后，幼虫吐丝借助风力荡到其它树上，继续进行大量蚕食，胡杨被危害程度加重且危害的范围扩大[16]，严重造成枝条干枯，树势衰弱，导致大面积胡杨林呈大面积受害，胡杨NDVI值明显下降。5月中旬至6月上旬，春尺蠖几乎完全老熟入土后，胡杨恢复增长趋势，开始二次展叶，NDVI再次上升。由于分辨率较低，使得在一段时间内变化差异较大的NDVI突变，监测精度较高，而对于NDVI变化差异较小的区域，其监测精度较低。

3.3 监测精度较低除受到影像时间分辨率和空间分辨率的影响，还受到其它病虫害及干旱等其它因素的影响。虽然研究区胡杨主要受春尺蠖危害，但是也不乏其它病虫害对胡杨生长造成干扰，因而，研究中仅使用春尺蠖幼虫发育监测数据进行精度验证也会造成一定的误差，若能直接获取反映胡杨失叶情况的调查数据，并且详细调查导致胡杨失叶的其它影响因子，更有利于后续结果分析和精度评价。由于塔里木河中游年内水资源分配极不平衡，年总降水量的70%集中于夏季(6～9月)[24]，不同区域所受干旱影响度不尽相同，尤其是远离河干道等区域干旱更为严重，春季干旱对于胡杨生长可能也会造成一定干扰。

3.4 研究仅作为塔里木河中游胡杨林春尺蠖危害遥感监测的初步尝试，其精度还有待于提高。而高精度的遥感监测需要基于高时间分辨率和高空间分辨影像以及更优的胡杨林扰动监测模型来实现。今后研究应考虑结合高时间分辨率和高空间分辨率影像各自优点[25-26]，通过融合算法[27-28]，合成高质量的时间序列影像，结合更优监测模型来实现高精度低成本的监测方法。

4 结 论

4.1 我国HJ A/B CCD数据可以用于塔里木河中游胡杨林春尺蠖危害监测。当胡杨林在短时期内被危害较为严重时其监测精度高达85%。但是，受影像空间分辨率的限制，短时间内当危害程度较轻时，其监测精度较低为5%。

4.2 受害胡杨林NDVI变化发生异常主要发生在4月下旬至5月中旬。由于NDVI反映的胡杨受害顶峰时期与春尺蠖幼虫发育达到高峰期在时间上存在滞后性，春尺蠖幼虫4月下旬为高峰期，而胡杨受害未达到受害顶峰，至5月中旬胡杨林受害接近顶峰时期。受影像分辨率限制，暂无法确定胡杨受害达顶峰的具体日期，通过此次监测只得到两时期的大致时间范围。

4.3 4月中旬至5月上旬，春尺蠖幼虫以3龄、4龄、5龄为主时，是胡杨林被春尺蠖严重危害的主要时期。从空间上来看，胡杨林受害与否在不同时间和空间上均存在差异，研究区西侧轮台县春尺蠖幼虫发育较早，胡杨林较先受到春尺蠖严重危害，东侧尉犁县春尺蠖发育较晚，胡杨林后受到春尺蠖严重危害。

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